某弧形工作闸门启闭异常故障诊断及处理措施

张怀仁，洪 伟，涂从刚，吴 松

(1.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南 郑州 450044；2.水利部综合事业局，北京 100053)

水工金属结构通常包括闸门、启闭机及其他附属设施，其功能主要是拦截水流、控制流量、调节水位、排放漂浮物等，是水利工程安全可靠运行的重要组成部分[1- 5]。我国是世界上已建水利工程最多的国家，很多水利工程修建于20世纪50—70年代，由于当时资金、技术、施工工艺等因素的限制，建设质量参差不齐，特别是水工金属结构包括闸门、启闭机与控制设备，目前多数已陈旧老化，存有较大安全隐患，很大程度上威胁着下游人民的生命财产安全[5- 11]。

2018年汛前，河南某大型水利枢纽工程在检修中发现溢洪道1号弧形闸门不能有效开闭，水库安全度汛存在重大隐患。为快速找出故障原因，消除故障隐患保证工程安全，技术人员对该溢洪道弧形闸门、液压启闭机及其附属设施进行了故障检测，并根据检测数据进行故障诊断与分析，提出针对性的整改建议，建设单位依据整改建议进行整改，有效保证了该水利枢纽安全可靠运行。

1 故障检测数据

1.1 外观巡视检查情况

通过对该溢洪道水工金属结构进行外观巡视检查，主要故障情况包括：闸门运行不稳定，在1m以下开度有卡阻停机现象，闸门在小于1m开度的位置曾连续发生3次自动停机现象；支铰润滑不充分，在运转时启闭机2个油缸上支铰部位有间断性异常响声。

1.2 外观检测情况

在外观巡视检查了解了基本故障情况下，对该溢洪道水工金属结构进行了外观检测，主要检测结果如下。

(1) 闸门运行状况检测。闸门在全闭状态下自动启升时，左侧正常启升，右侧未启升；复位后重试仍是左侧正常启升，右侧未启升；采用手动纠偏启动右侧油缸，闸门全行程启闭正常，闭门后再启闭未见异常。

(2) 侧向支撑。闸门全闭状态时，左侧顶部、中间部位、底部3个滑块与侧轨的间隙分别为：8、4、0mm；右侧顶部、中间部位、底部滑块与侧轨的间隙从上往下分别是：0、1、1mm；左上滑块工作面整体拉伤，沟槽深度2mm，如图1所示。

图1 左上滑块严重拉伤

(3) 止水装置。左侧止水橡皮相对面板边缘外移10～15mm(如图2所示)，且在面板边缘加焊一根φ12mm钢筋，但现场检查钢筋支撑部位的橡皮(背面)龟裂严重，有明显的擦痕(如图3所示)；右侧止水橡皮相对面板边缘外移5～8mm，闸门最大开度时，在可见范围内沿止水压板边缘止水橡皮已经全部开裂(如图4所示)。

图2 侧止水橡皮与面板边缘间隙

图3 弧门左侧止水橡皮裂纹

图4 右侧止水橡皮撕裂

(4)与弧形闸门配套的液压启闭机设计系统压力为20MPa，实测系统压力为22.6MPa；有杆腔计算油压为18.96MPa，实测有杆腔油压达到21.8MPa；左右油缸上支铰部位在运行时有轻微响声；液压油污染度等级为NAS12级，严重超标。

1.3 空间位置及形态测量结果

利用工业测量系统(SMN系统)建立支铰空间坐标系(如图5所示)，A、B、C、D分别是左、右支铰轴各端面的圆心，O1、O2分别是左、右支铰轴的中心，O点是O1O2连线的中心。以O点为坐标原点，以O1O2在水平面内的投影为x轴，水流方向为y轴，z轴铅垂向上。

图5 支铰空间坐标系

在上述测量坐标系中，x轴代表理想支铰轴线，y轴代表孔口中心线，任意一点的三维坐标值分别代表下述含义：x坐标值代表该点至孔口中心线的水平距离，正值表示该点位于孔口中心的右侧，负值表示该点位于孔口中心的左侧；y坐标值代表该点在里程方向上至弧门支铰理想轴线的水平距离，正值表示该点位于弧门支铰理想轴线的下游方向，负值表示该点位于弧门支铰理想轴线的上游方向；z坐标值代表该点在高程方向上至弧门支铰理想轴线的铅垂距离，正值表示该点高于弧门支铰理想轴线，负值表示该点低于弧门支铰理想轴线。

通过工业测量系统(SMN系统)对该溢洪道金属结构相对空间位置及形态进行测量，包括弧门支铰空间位置及形态测量(结果见表1)、弧门侧轨上各测点至孔口中心的距离偏差(结果如图6所示)、弧门侧轨至孔口中心的距离偏差(结果如图7所示)、弧门上、中、下主横梁启闭过程的高差变化(如图8所示)、弧门不同开度时门体扭曲(结果见表2)、液压启闭机油缸支铰位置测量(结果见表3)。

2 故障诊断与分析

根据该溢洪道水工金属结构外观巡视检查、外观检测、空间位置及形态测量结果，进行故障诊断与分析。

(1) 由于闸门(含埋件)和启闭机的安装空间位置和形态多个关键项超标，如弧门支铰的位置和形态、启闭机油缸上支铰位置、门体组装和安装偏差、侧轨的位置和形态、门体侧滑块与侧轨的间隙、侧止水橡皮的预压缩量等，导致闸门在启闭过程中存在卡阻、附加应力以及变形情况，额外增加了启闭闸门的启闭力，启闭机处于超负荷运行状态。

(2) 闸门侧滑块跨距大于或接近于局部侧轨跨距以及侧轨表面有异物(已严重拉伤侧滑块)，是该溢洪道水工金属结构启闭过程中卡阻的主要原因。

(3)启闭机液压油污染度严重超标，易产生因阀组卡阻导致的启闭机不能正常运行。

表1 3#孔弧门支铰空间位置及形态测量数据 单位：mm

图6 弧门侧轨上各测点至孔口中心的距离偏差

图7 弧门侧轨至孔口中心距离偏差示意图

图8 弧门上、中、下主横梁启闭过程的高差变化

表2 弧门不同开度时门体扭曲检测数据

表3 液压启闭机油缸支铰位置测量数据 单位：mm

3 建议整改措施与结果

根据该溢洪道水工金属结构故障诊断与分析，建议整改措施包括：按设计值合理调整侧滑块与侧轨的间隙，避免闸门因卡阻造成启闭异常；按设计值合理调整侧止水橡皮的预压缩量，减小闸门启闭摩阻力；调试合适的闸门自动纠偏参数；启闭机自动停机的开度差值设定为25mm；过滤或更换液压油，避免液压启闭机因阀组卡阻不能正常运行；检查清理弧门侧轨表面异物，保持工作面平整光滑；更换被弧形闸门拉伤的侧向滑块；更换弧形闸门侧止水橡皮；改善液压启闭机左、右两侧油缸上支铰的润滑状况；闸门侧滑块和侧止水橡皮按设计值合理调整后，应复验闸门在启闭机设计系统压力下能否正常启闭；根据液压启闭机运行频率，确定液压油污染度检测周期；所有检修措施应征得设计部门审查同意；制定溢洪道应急防洪预案，确保设备运行安全。

管理单位依据建议整改措施在汛前进行了针对性整改，消除了该溢洪道水工金属结构故障，保证了该水利枢纽行洪安全与安全可靠运行。