浅谈三峡水利枢纽深孔弧门水封现场粘结及安装工艺

艾绪根 张 易 徐 鑫

（1中国长江电力股份有限公司；2长江三峡水电工程有限公司）

一、引言

三峡水利枢纽工程泄洪坝段共设23个泄洪深孔，每孔设置三道闸门：孔道进口上游设置反钩式检修叠梁门；孔道中部设平板定轮事故闸门；孔道有压段末端设弧形工作闸门。闸门水封是水利水电工程中各类钢闸门止水的关键配件，又称水闸橡胶密封件(简称橡胶水封)，其自身质量以及现场安装工艺等因素直接影响水工闸门的止水效果，进而影响水工建筑物的安全运行。

随着闸门使用年限的增长，多数闸门出现不同程度的门体锈蚀、橡胶水封磨损、老化而漏水现象，既影响闸门的正常运行又浪费了宝贵的水资源。闸门止水装置漏水原因有多种：一是闸门橡胶水封长期浸泡水中深受水中各种化学物质侵蚀和杂物的冲蚀、磨损；二是水封暴露在阳光下受紫外线直接照射而引起的橡胶老化；另外安装橡胶水封时水封安装尺寸不准确、安装工艺不正确、螺栓拧紧力矩不当都会影响闸门止水效果及使用性能。

二、橡胶水封

橡胶水封具有结构简单、弹性好、封水严密可靠、安装方便、耐老化、使用寿命长等优点。一般采用天然橡胶或氯丁橡胶制造。橡胶水封可分为纯橡胶水封和复合材料水封两类。纯橡胶水封中加入专用防老化剂、补强剂、硫化助剂、硫化促进剂、增塑剂以及工业碳黑等十多种原料,经过炼胶机反复挤压混合后制成的半成品，再置入模具中经硫化压机于高温、高压条件定型所生产出的止水元件,且又符合水工钢闸止水技术性能的称为普通水封。三峡工程常用的橡胶水封有：加高强尼龙帆布又加增强聚四氟乙烯薄膜的水封称为夹高强尼龙帆布橡塑复合水封。工作中为减小低摩阻又耐磨的水封称为橡塑复合水封；只加帆布的水封我们称为高强帆布水封；不加帆布和增强聚四氟乙烯薄膜的称为普通水封等。

橡胶水封一般采用挤出成型硫化罐硫化或者模具型硫化的方法制造。挤出成型硫化罐硫化的产品和模具压制的产品是有本质的区别，挤出成型硫化罐硫化的产品生产速度快、产量高、但密度差、拉伸强度差，使用寿命短。模具压制硫化的产品因为用50-200吨压力机压制，产品密度高，光洁度好，使用寿命长，拉伸强度、抗撕裂强度的物理性能好，缺点是生产速度慢，效率低。水封是水利水电工程中各类钢闸门止水的关键配件，根据使用条件和使用部位可以设计成不同的截面结构，因此根据各种闸门的性质、运行工况选择适应的水封非常重要。橡胶水封的物理机械性能参见下表：

序号 性能指标值ⅠⅡ高水头橡胶水封SF6674 SF6474 SF6574 1密度g/cm3 1.2～1.5 1.2～1.5 1.2～1.5 1.2～1.5 2 含（新）胶量% ≥60 ≥60 ≥60 ≥60 3 拉伸强度MPa ≥18 ≥13 ≥14 ≥22 4 邵氏硬度A 60±5 60±5 60±5 70±5 5 拉断伸长率% ≥450 ≥450 ≥400 ≥400 6 拉弹性模量MPa当100%当200% 1.6～2.0 1.8～2.5 1.6～2.0 1.8～2.5 1.6～2.01.8～2.5 2.0～4.02.5～5.0 7 压缩弹性模量MPa当20%当30%当40%5.5～7.55.8～8.0 6.0～9.0 8 在-40～+400C温度环境下工作5.5～6.05.6～6.0 6.2～6.8 5.5～6.05.6～6.0 6.2～6.8 5.5～6.05.6～6.0 6.2～6.8不发生冻裂或硬化

三、水封接头现场硫化粘结

大型水工闸门的橡胶水封受形状、尺寸所限不便于整体运输，所以橡胶水封生产厂家一般在工厂先将水封分段制造，然后运至安装现场进行现场粘结，将水封按照所需形状、尺寸粘结成整体。通过实践证明橡胶与橡胶之间采取冷粘接（涂粘结剂），其粘合力、抗拉强度不能满足使用要求，而加热硫化粘结的水封接头其各项力学性能明显优于冷粘接。

（一）热粘结（橡胶硫化）所需的主要材料和工具

1.粘结材料：热粘结所需的主要材料为纯天然生橡胶片（含胶量≥60%），胶片厚度根据使用需要确定，一般选用3mm。生橡胶片日常应常温保存（15℃左右），避免日晒雨淋，存放时间不宜过长，最多不超过十个月。为确保生橡胶片的质量，最好由橡胶水封生产厂家在水封现场粘结前直接供货。

2.粘结工具：a模具：与橡胶水封截面形状相同的模具；b夹具:模具的夹紧装置；c其他工具：手锤2把、12寸活动扳手1把、8寸平口起2把、木工挫1把、剪刀1把、刀具1把、直角尺1把，15吨千斤顶1个。

（二）橡胶水封粘结工艺

工艺流程：橡胶水封端面切平→挫毛→清洗→涂胶浆→模具预热→加生胶片对接→加压→加热硫化→卸模。

其每道工序分述为：

1.橡胶水封端部应垂直切割，按图纸所需的尺寸将端部切平,切除时要扣减加生橡胶片对接的厚度,尺寸偏差取负值为宜。对于截面形状较复杂的水封，如P型水封，其接头制作方法为：先将P形水封端面垂直切平，在P形水封背部平面上沿端部向后5mm处划一直线，用刀垂直切入20mm深，然后再在P型水封端面上距背部平面20mm处划一直线，用刀沿直线水平切入5mm深，切割后断面成一个台阶状,见下图1。（下料结束后，还需将P形水封端头圆孔，用直径略大于该孔的圆柱橡胶条，将该园孔填满、塞紧并切平，目的是防止在加热硫化时，胶料流入圆孔内，导致粘结失败）

图1 水封切割后的断面形状

2.橡胶水封端面挫毛，这道工序主要是去除接头部位的油污及杂质。挫毛能增加水封端面的接触面积，增强水封结合部位的粘结力，从而增加抗拉强度。

3.制作胶浆：制作胶浆的原材料为纯天然生橡胶片，制作工序为：首先用剪刀将纯天然生橡胶片剪成小碎片（或颗粒），放到洁净干燥的玻璃容器内，用汽油或二甲苯作为溶剂，按照胶料:溶剂为1:3的比例混合，即50g胶料配150g二甲苯。经过一定时间的膨胀（约2小时），充分搅拌成浆糊状。如果胶浆太浓可加入溶剂搅拌稀释；如果胶浆太稀，可在涂刷时多刷两遍。

4.涂胶浆：在涂刷胶浆前先用汽油将接头挫毛的部位清洗、晾干。涂胶浆的目的是浸润接头端面，增加其接触面的活性，获得良好的粘结效果。涂刷胶浆一般为两遍，每涂一遍要充分凉干，凉干的时间根据气候、温度和通风条件而定,一般为10分钟左右。晾干过程中应保护好水封端面不被水、油污等其他杂质污染。见下图2。

图2 涂刷胶浆

5.对接加压：橡胶水封硫化粘结有三个重要的控制指标为；压力、温度和时间。水封接头对接前，先将生胶片剪成水封截面的形状，外形尺寸放大2～3mm，然后将剪好的胶片放到两条要对接的水封中间，将对接的两条水封用力向接头处顶紧，以防止缺胶料的情况发生，再将模具合上，并用千斤顶在事先准备好的工装内加压。见图3、图4。

图3 模具内水封接头对接

图4 水封接头处添加生胶片

6.加热硫化：

（1）使用便携式硫化机硫化橡胶水封时，采用喷灯、氧气乙炔火焰对水封模具加热进行橡胶硫化，加热温度一般控制在130-160℃。温度检测可采用以下简易的方法：当模具加热5分钟后，用小毛刷蘸水洒在模具上，若水珠蒸发的较慢，说明加热温度不够，需要继续加热。以后每隔2分钟用小毛刷洒水一次进行观察，若水珠快速蒸发，说明加热温度达到要求，此时停止加热。待水封硫化15分钟后，再加热一次，待又一个硫化反应15分钟后卸模。加热时应防止模具温度过高,温度过高会导致橡胶水封表面碳化。当水洒在模具上,水珠在模具上跳溅,说明加热温度过高, 需停止加热。

在条件允许的情况下检测硫化温度，采用红外点温计来测量橡胶硫化加热温度,可避免因经验观察造成温度偏差。

（2）使用硫化机硫化水封，模具加压设置为10MPa,温度设定在150℃以内,不用担心温度变化，当达到设定温度时硫化机会自动断电保温。

7.硫化时间：根据模具的大小、橡胶水封的外形尺寸来控制加热时间。如20m m厚的橡胶水封，一般硫化30分钟即可；P60的橡胶水封硫化时间控制在60分钟以内。加热硫化粘结后接头部位应粘接牢固，无裂口，无海绵，凸起、凹面不得超过0.5mm。

四、橡胶水封吊运、安装

（一）橡胶水封按照图纸技术要求并参照现场实物进行放样，以水封压板为模板对水封及水封垫板进行螺栓孔定位，然后采用橡皮冲在水封及水封垫板上钻孔，钻孔直径比紧固螺栓直径小1m m。水封放样时，一般水封长度尺寸要比图纸尺寸放大2～3mm。在夏季温度较高的情况下，水封长度尺寸还应根据其收缩率加大预留量，否则在冬季温度较低时，水封随气温下降而收缩，从而导致水封止水压缩量不够而出现闸门射水。

（二）水封吊装、搬运。三峡深孔弧门和排漂孔弧门水封都是将顶水封及侧水封粘结成一个整体后，用平板货车运送到施工现场（运输过程中能保持直条运输的应尽量满足，橡塑复合水封必须直条运输）。在搬运过程中，水封所有热粘结接头部位均不可受较大的拉力和扭力，在起吊时水封弯曲半径至少不小于1m。水封在吊运前，采用ø14mm的尼龙绳做捆绑绳，分段绑在水封上。吊运过程中，使水封成S形，保持等距排列，绳子成直线形，确保绳子受力水封不受力。通过门机回转吊将水封落到深孔闸室底部，再通过人工将水封提升到弧门的相应位置。在安装侧水封前，为避免水封因自重而导致长度拉伸，应将两侧水封自然摆放到弧门两侧的支臂上。

（三）水封安装：三峡深孔弧门水封安装施工空间小、高空作业难度大。深孔弧门水封安装工序为：

1.将弧门各部位的水封压板按原拆除时的编号顺序分别摆放。先安装顶水封，安装时螺栓拧紧力矩不可过大，过大会造成水封过度挤压而变形，上下启动弧形闸门时由于挤压变形后，凸起地方便会刮卡弧形孔口上的门梅，造成水封变形撕裂而漏水，通常先采用电动搬手旋紧，再使用搬手依次手工拧一遍，确保每颗螺栓拧紧力矩一致，确保顶水封的整体为直线，达到图纸装配要求。

图5 水封搬运

2.侧水封安装：安装人员站在弧门两侧活动导轨处，做好一切安全措施（弧门检修前两侧活动侧轨板需拆掉或往内侧平移动200mm以上并固定），将598机械平面密封胶充分填入顶止水拐角内，然后随着弧门提升上行，安装人员在弧门左右两侧自上而下依次安装水封压板，穿入M20沉头不锈钢螺栓，此时螺栓均为初拧。随着侧水封安装逐步上升的同时，弧门支臂上的水封也随之一点一点释放，千万不可将侧水封一次性释放让其自然垂坠。待所有水封安装完成后，安装人员自下而上依次拧紧螺栓。螺栓拧紧力矩的大小以水封受压后，水封有微微凸起为准。

3.底水封安装：下料时两端预留量为5～7mm，水封两端多余部分应切除并打磨修平，底水封拐角部位凃抹598机械平面密封胶，底水封预置压缩量不低于8m m，局部凸出部分割除并用角磨机磨平。

4.在整个安装过程中应注意对水封橡塑层的保护，防止机械、钢筋损伤橡胶水封。弧门水封全部安装完成后弧门必须试运行一次，运行过程中应给水封浇水润滑，防止橡胶水封干摩擦。待填充的598密封胶完全固化（约48小时）后, 弧门方可落到零位投入运行。

五、橡胶水封的存放

1.橡胶水封不得长时间露天曝晒，避免雨淋以及与污染性强的化学物质接触。

2.橡胶水封在现场存放的时间应尽量短，原则上不超个十二个月。

3.贮存室相对湿度不应大80%，温度不超过30度，最好15度以下。

4、应避免不同配方橡胶制品相互接触。

六、结束语

水闸橡胶水封的止水效果与橡胶水封本身外观质量、尺寸偏差、物理性能以及热粘结工艺、现场安装工艺和安装人员的检修技能、熟练程度等诸多因素有关。因此应从橡胶水封的质量验收、现场热粘结的质量控制、水封安装工艺的流程和关键点控制等方面严格把关，从而提升橡胶水封的安装质量，延续其使用寿命，以达到在降低生产成本的同时节水发电。

[1]DL/T 5018-2004 水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范.

[2]HG/T 3096-2011 水闸橡胶密封件.

[3]GB/T 5721-1993 橡胶密封制品标志、包装、运输、贮存的一般规定.