锦屏一级水电站中孔充压水封破裂原因分析及防范措施

梁 小 飞， 杨 维 平， 广 波， 何 晨 阳， 朱 生 学， 杨 光 波

(锦屏水力发电厂， 四川 西昌 615000)

1 概 述

锦屏一级水电站大坝坝高305 m，拱坝坝身布置有4个表孔、5个中孔和2个底孔。其中，中孔采用单吊点弧形工作闸门，设计水头为91 m，工作闸门采用充压水封作为主止水。4号中孔工作闸门及其液压启闭机在定期维护工作结束后，进行中孔工作闸门无水启闭试验时，充压水封发生了破裂。笔者详细分析了中孔充压水封破裂的原因，并介绍针对性的防范措施。

2 中孔充压水封的结构原理、系统组成及工作流程

2.1 中孔充压水封的结构原理

中孔充压水封结构主要包括水封橡胶、压板、水封充压腔及水封金属底座。当闸门处于关闭状态时，充压水封系统向水封充压腔充压，让充压水封头部伸出并紧贴在闸门面板上，达到封水的目的[1]。闸门开启前，充压水封系统对水封充压腔泄压并抽真空，充压水封头部缩回时与闸门面板脱离，避免闸门在动作过程中由于摩擦引起的充压水封损坏[2]。水封充压与泄压状态见图1。

中孔充压水封为“山”型组合材质橡胶水封。水封断面由三种不同硬度的橡胶材料组合而成，其中水封头部采用硬度和压缩模量相对较高的SD006材料，以提高水封头部与闸门门叶面板的接触应力，减小水封偏头，水封肢体采用硬度和压缩模量相对较低的SD007材料，有利水封外伸，降低水封止水所需的背压[3]，水封翼头采用硬度和压缩模量相对适中的SD005材料，水封头部的两侧面粘贴一层聚四氟乙烯材料，用于降低头部运动过程中与压板的摩擦系数[4]。水封不同部位采用不同特性的橡胶，能较好的适应变形，在相同背压作用下其变形量比单一的橡胶材质大[5]。

图1 充压水封泄压(左)与充压(右)状态图

2.2 中孔充压水封系统的组成及工作流程

中孔充压水封系统采用集中布置方式，空压机、储气罐、水环式真空泵、滤水器等设备由5孔闸门充压水封共用，布置在3～4号中孔工作闸门启闭机平台之间。同时在每孔闸门启闭机平台上各布置一套充压系统管路，包括充水管路、充气管路、排水管路及抽真空管路等，管路上分别设置电动充水阀DQFi-1、电动充气阀DQFi-2、电动排气阀DQFi-3、电动抽气阀DQFi-4、电动排水阀DQFi-5、电动排水阀DQFi-6(i=1、2、3、4、5、6，代表6孔闸门)水封压力变送器PTi以及相应的检修手动球阀、止回阀。充压系统由水提供压力，由压缩空气辅助保压，正常闸门全关时充压水封压力在0.73 MPa左右，中孔充压水封系统正常为全自动运行，工作流程分为闸门全关投入水封流程、闸门开启退水封流程和闸门关闭退水封流程。

3 中孔充压水封破裂原因分析

3.1 中孔工作闸门无水启闭试验及充压水封破裂现象

锦屏一级水电站4号中孔工作闸门及液压启闭机在定期维护工作结束后，进行中孔工作闸门无水启闭试验。当发送“启门”命令后，充压水封系统执行退水封流程正常，中孔工作闸门缓慢开启，但闸门开度检测值一直为0 mm，于是停止启动。4号中孔工作闸门停止后，程序便根据闸门开度值自动判断闸门是否全关，并在闸门全关状态下投入水封流程，但在投入过程中，充压水封压力一直无法达到正常值0.7 MPa以上，因此投入水封流程失败。通过长按复归按钮重置闸门开度零点值，闸门开度检测值变为575 mm。经检查，闸门实际开度约573 mm与开度检测值对应，充压水封底边脱离了闸门门叶面板的约束并且发生了破裂，破裂处为强度较低的水封肢体。

3.2 中孔充压水封破裂原因分析

锦屏一级水电站4号中孔工作闸门及液压启闭机在定期维护工作前，充压水封保压及密封良好无漏水，而在定期维护工作时未进行充压水封投退工作，因此，判断充压水封是在无水启闭试验时破裂。通过分析中孔工作闸门无水启闭试验的闸门开度及充压水封压力曲线图(图2)，发现在闸门开度检测值故障并停止启门后，在执行投入水封流程时，充压水封压力最高达到了0.456 MPa，随后在2秒内压力下降至0.425 MPa，并且一直保持在0.425 MPa直到停止充水。分析认为，在充压水封压力达到0.456 MPa时，充压水封开始破裂，并导致压力突降。根据充压水封性能，设计要求在无闸门门叶面板约束的情况下，充压水封各部位压力不能超过0.14 MPa，以免损坏充压水封，而充压水封破裂时压力高达0.456 MPa，远超设计压力。充压水封破损部位在底边，正是充压时压力最高的部位(考虑水柱压力)，同样印证了充压水封破损是充压导致的。综上所述，分析认为4号中孔充压水封破裂原因为：启门时闸门开度检测值异常(一直为0 mm)，导致充压水封局部在无闸门门叶面板约束的情况下充压超过设计压力，水封肢体发生较大形变超过其性能极限，从而破裂。

图2 4号中孔工作闸门开度及充压水封压力曲线图

3.3 中孔工作闸门开度检测值异常分析

结合中孔工作闸门定期检查经验，发现中孔工作闸门控制系统偶尔出现上电后闸门开度不为零的情况，是通过长按触摸屏上清零按钮8 s将闸门全关，开度设为闸门零点值，或长按复归按钮8 s将调试时设定的零点值设为闸门零点值，即可使闸门在全关时开度显示为零。此时，4号中孔工作闸门控制系统上电后开度显示为零，则不易发现闸门开度可能存在的异常问题。

由于中孔工作闸门开度传感器为绝对型编码器，在后续多次上电后，4号中孔工作闸门开度传感器均未出现异常，由此判断，4号中孔工作闸门开度传感器未出现故障。通过分析程序发现，4号中孔工作闸门控制程序中闸门开度码值等于零点值减去当前码值，使其为负值时，则将开度码值设置为0。进一步检查发现，闸门零点值存储变量未配置寄存器地址，为非定位变量，当PLC出现冷启动时会将非定位变量复位，导致闸门零点值清零，从而导致闸门开度计算值为负值，控制程序将闸门开度设置为0。因此，4号中孔工作闸门开度显示异常的原因是在工作闸门控制系统断电检修时，PLC出现冷启动导致零点值清零，使闸门开度一直显示为0。

4 中孔充压水封破裂防范措施

中孔充压水封在工作闸门全关时充压压力约为0.73 MPa，远超0.14 MPa的标准。因此，为防止充压水封破裂，必须避免在闸门有开度的情况下执行投入水封流程。应对措施如下：

(1)对中孔工作闸门控制系统程序进行优化。第一，存储闸门零点值存储变量配置寄存器地址，并改为定位变量，确保PLC冷启动时不会清零。第二，在程序中增加在PLC冷启动、热启动时自动将闸门零点值记忆值赋值重新给零点值，确保零点值正常。第三，在中孔工作闸门控制系统触摸屏上增加“闸门开度零点值异常”报警功能，以提醒操作人员注意中孔工作闸门控制系统异常。第四，当中孔工作闸门开启动作超过3 s后，闭锁闸门全关信号输出至水封控制系统，必须有闸门关闭动作后才能解除闭锁，防止中孔工作闸门控制系统误开出闸门全关信号。

(2)在中孔工作闸门及液压启闭机定期维护后，自动化元件及程序可能出现不可预知故障，首次闸门无水启闭试验风险较高。可在首次无水启门前，关闭水封电动充水阀前的手动充水阀(切断水源)和水封电动充气阀前的手动充气阀(切断气源)，防止闸门开启时误投入水封。在闸门启闭试验成功后，再将手动充水阀和手动充气阀打开。

(3)在中孔工作闸门正常开启过程中，若发现闸门实际在开启而开度值一直为0 mm时，立即使用手动充水阀和手动充气阀，再停止启门进行处理，以避免误投入水封。

5 结 语

充压水封因其良好的封水效果，广泛应用于各高水头电站泄洪闸门，其正常工作对泄洪闸门安全运行有重大意义。充压水封涉及的设备多，工作流程复杂，对自动化元件及程序可靠性要求较高，若自动化元件及程序发生故障，可能导致闸门启闭时误投充压水封，从而造成充压水封破裂。笔者介绍的锦屏一级水电站中孔充压水封破裂原因及防范措施对其他水电站预防充压水封破裂有一定的借鉴意义。