南水北调邢石段弧形闸门埋件融冰设计

2012-06-26杨克昌

水科学与工程技术 2012年4期

杨克昌

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

南水北调中线工程邢石段作为总干渠漳河北至古运河南渠段的一部分，起点位于邢台与石家庄交界的梁村，终点位于京石段应急供水工程的起点古运河枢纽进口，途经石家庄市高邑、赞皇、元氏和鹿泉4个县（市）及石家庄市西郊，该段渠线总长65.793km，担负着向北京、天津及邢台以北地区供水的任务。渠段总水头差4.241m，设计流量220m3/s，加大流量240m3/s。总干渠上沿线交叉建筑物98座（含控制建筑物退水闸、排冰闸和分水口门），分布在大型河渠交叉工程、铁路交叉工程、暗渠和控制性工程4类建筑物中。为了调节总干渠水位及倒虹吸进口的淹没度，倒虹吸出口均设置弧形闸门。

2 弧门的冬季运行

本渠段位于河北省中南部，属温带半湿润地带，东亚季风气候区，四季分明。冬季寒冷少雪；春季干旱少雨；夏季湿润多雨；秋季降雨渐少。多年平均气温12.6℃～13.3℃，全年1月份温度最低，月平均气温-2.6℃～-3.5℃，月平均最低气温-7.5℃～-9.0℃，极端最低气温-18.5℃～-25.3℃；该渠段所在地区1月份平均气温低于-3℃，但高于-10℃，抗冻设计气候类型属于寒冷气候区。如冬季渠道结冰后产生的冰压力作用在闸门上会使闸门受到破坏和变形，门槽埋件工作表面结冰，当提升闸门时，闸门止水会被撕裂。由于南水北调中线总干渠采用定水位运行的方式，弧形工作闸门需经常启闭，若弧门两侧止水橡皮与其埋件冻结影响了弧门的启闭，渠道很容易产生冰害，影响总干渠的正常输水。因此，为防止闸门止水部分与冰盖层冻结在一起，弧门埋件在冬季冰期输水时应采取融冰措施。

3 融冰设备的工作原理

融冰设备就是利用热管快速均匀传热原理，给埋件迎水面进行加热，即在密封的方管容器内充装适量的传热介质，容器的一端为加热段，另一端为放热段，把加热装置布置于容器的加热段，通过加热控制柜手动或电动控制加热装置，当该端被加热时，传热介质吸收能量，迅速传递到另一端，放出热量后回到加热段，如此循环不停，使附着在埋件和水封上的冰融化，确保闸门冰期操作时水封不被破坏，从而满足闸门的启闭要求。

4 融冰设备的结构及布置

融冰设备由密闭的无缝方钢、加热装置、导热液、灌液管、传感器及控制系统组成。加热装置固定在密闭的方钢内，加热装置的加热管内放入电加热器，加热装置与方钢之间通过灌液管灌入适量的导热液，传感器系统与方钢固定，然后通过电缆与控制系统连接。

密闭方钢采用6mm×140mm×140mm的冷拔无缝方钢，材料为20钢，既保证了高密封性又保证了强度。加热装置的电加热管材料1Cr18Ni9Ti，规格直径57mm，厚3.5mm的钢管，温度升到一稳定值时，加热管内的加热器加温与放热平衡，不再升温，加热过程中，其表面温度低，没有明火，不会产生燃烧。

传热介质采用超导液，该液体是一种无色透明易挥发的无机化合物，化学性能稳定，高温不分解，其传热速度超过任何已知金属，且和铁、不锈钢、铜等金属容器有很好的相容性，且长期受热不结垢，无毒、无污染、无放射性，对人体无害，-30℃时正常使用，在300℃环境下不自燃。但其见光分解，因此必须放置在真空的密闭容器中。

压力传感器利用MAX1452专用芯片进行温度补偿和非线性校正，在-25℃～80℃温度区间测量精度在1%以内，输出0.5～2.5V电压信号或4～20mA电流信号。

温度传感器由陶瓷基片和薄层的激光烧刻的铂金层构成，其核心组成部分热电阻采用PT100EN60751标准，在进行严格工艺的封装后，用以直接测量液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。

灌液管的套管、温度传感器及压力传感器的套管材料均为1Cr18Ni9Ti。

控制系统可控制弧门埋件的全部6路加热器，采用西门子S7-300可编程序控制器作为主控制器，监控由传感器输送的温度、电流、压力等信号，自动对输出功率进行调节，环境温度较低时加大加热量，环境温度较高时减少加热量，从而使闸门系统维持在稳定的温度之上，控制温度可精确到0.1℃，并具有故障自动报警功能。故障时可切换为手动方式，保障使用安全。

每孔埋件设置1套融冰设备，每套融冰设备配2套加热装置，2套加热装置分别布置在两侧埋件的空腔内，所有加热设备共用1个控制柜，控制柜与弧门液压启闭机共用1个启闭机室；通过电缆埋管与融冰设备连接。具体布置：①将需要加热的埋件设计成密封空腔，融冰设备固定在空腔内，融冰设备与埋件间的空腔填充保温介质；②埋件空腔的顶部用封板封死，融冰设备顶部的压力传感器管、加热管、滴液管及融冰设备侧面的温度传感器管均穿过封板并与封板焊接牢固；③从控制柜引动力电缆与加热管中的电加热器连接，引控制电缆分别与温度传感器和压力传感器连接。

5 融冰设备的组装与试验

弧门埋件分为两节，其中顶节埋件装配有融冰设备。融冰设备在制造厂内整体制造，经打压试验合格后在制造厂内与顶节埋件进行整体组装。加热装置装配时可适当施压使其紧贴闸门埋件，两侧采用角焊缝间断焊接，焊长20mm，间断100mm，焊高4mm。连接后进行打压试验，试验合格后在其周围填充保温材料。

弧门埋件与三周封板焊接形成保温腔，在保温材料填充保温腔后，再焊接顶封板，顶封板应根据融冰装置加热套管的尺寸开孔，并与套管焊接牢固。最后在保温腔焊缝刷1层密封胶。埋件验收合格后，加热装置上端传感器及加热器接口用堵头拧紧并涂油保护。装配有融冰装置的闸门埋件整体运输。

融冰装置的加热容器在与闸门埋件装配前后都要进行压力试验，安装好压力传感器并拧紧密封，然后灌注适量传热介质，抽真空使传热介质成负压状态，试验压力为2.0MPa，保压2h，不得有任何泄漏现象。压力试验后，安装导热液温度传感器、闸门埋件温度传感器和加热装置，再用电缆将加热装置、传感器和控制柜相连接。启动控制柜并按下相应加热管的加热按钮，当不需要加热时，按下停止按钮。根据初始温度和停止加热温度，确定每套加热管的功率6kW，每孔埋件的加热功率12kW。通过试验，模拟弧门埋件融冰设备运行工况，对其工作原理和保护功能进行验证，为以后埋件融冰设备现场安装、调试提供先期的基础性试验数据和经验，并检验加热管的热传导速率及均匀性、传感器的可靠性和准确性、电加热器和电控系统的安全可靠性。

6 融冰设备的保温

顶节加热腔与埋件焊好后，需对加热空腔外侧的封闭空腔内填加岩棉保温材料。保温材料及制品应具有产品质量证明书或出厂合格证。保温材料及其制品的产品质量证明书或出厂合格证中所列的指标应齐全，填加的岩棉保温材料须密实，不允许有托空处。

根据岩棉保温材料的填加工艺，在保温腔两面焊接完成、顶盖封口焊接之前进行。岩棉保温材料的主要技术指标见表1。

表1 技术指标

用于充填结构的散装绝热材料，不得混有杂物及尘土。岩棉中颗粒直径大于或等于0.5mm的渣球含量应小于6%；长期存放或受潮的保温材料及制品在使用前应进行含水率测定，其含水率无机保温材料不宜超过5%，否则应进行干燥处理，且处理后应能恢复原有物理形式及性能。保温层的施工应在加热腔的强度和严密性试验已完成并检测合格后方能进行，施工前应清除保温腔内的污垢和油灰，并保证表面干燥，保温腔施工完成后要当天封口焊接，以防潮、防雨。室外雨天及风力大于5级的气候条件下不能进行保温层的施工。施工时，选用厚度50mm的岩棉板多层平铺或立铺，以岩棉（散）作为缝隙填充，板条走向顺弧长方向，拼缝宽度及保温材料与腔体的贴合间隙不得大于5mm。同层应错缝，上下层应压缝。其搭接的长度不宜小于50mm。拼缝应采用性能相近的岩棉填塞严密，填缝前，必须清除缝内杂物。岩棉的充填容重，为产品标准容重的1.5～2.4倍。充填填料时，应边加料边压实，并应施压均匀，使密实度一致。