南水北調(diào)邢石段弧形閘門埋件融冰設(shè)計

楊克昌

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程邢石段作為總干渠漳河北至古運(yùn)河南渠段的一部分，起點(diǎn)位于邢臺與石家莊交界的梁村，終點(diǎn)位于京石段應(yīng)急供水工程的起點(diǎn)古運(yùn)河樞紐進(jìn)口，途經(jīng)石家莊市高邑、贊皇、元氏和鹿泉4個縣（市）及石家莊市西郊，該段渠線總長65.793km，擔(dān)負(fù)著向北京、天津及邢臺以北地區(qū)供水的任務(wù)。渠段總水頭差4.241m，設(shè)計流量220m3/s，加大流量240m3/s。總干渠上沿線交叉建筑物98座（含控制建筑物退水閘、排冰閘和分水口門），分布在大型河渠交叉工程、鐵路交叉工程、暗渠和控制性工程4類建筑物中。為了調(diào)節(jié)總干渠水位及倒虹吸進(jìn)口的淹沒度，倒虹吸出口均設(shè)置弧形閘門。

2 弧門的冬季運(yùn)行

本渠段位于河北省中南部，屬溫帶半濕潤地帶，東亞季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。冬季寒冷少雪；春季干旱少雨；夏季濕潤多雨；秋季降雨漸少。多年平均氣溫12.6℃～13.3℃，全年1月份溫度最低，月平均氣溫-2.6℃～-3.5℃，月平均最低氣溫-7.5℃～-9.0℃，極端最低氣溫-18.5℃～-25.3℃；該渠段所在地區(qū)1月份平均氣溫低于-3℃，但高于-10℃，抗凍設(shè)計氣候類型屬于寒冷氣候區(qū)。如冬季渠道結(jié)冰后產(chǎn)生的冰壓力作用在閘門上會使閘門受到破壞和變形，門槽埋件工作表面結(jié)冰，當(dāng)提升閘門時，閘門止水會被撕裂。由于南水北調(diào)中線總干渠采用定水位運(yùn)行的方式，弧形工作閘門需經(jīng)常啟閉，若弧門兩側(cè)止水橡皮與其埋件凍結(jié)影響了弧門的啟閉，渠道很容易產(chǎn)生冰害，影響總干渠的正常輸水。因此，為防止閘門止水部分與冰蓋層凍結(jié)在一起，弧門埋件在冬季冰期輸水時應(yīng)采取融冰措施。

3 融冰設(shè)備的工作原理

融冰設(shè)備就是利用熱管快速均勻傳熱原理，給埋件迎水面進(jìn)行加熱，即在密封的方管容器內(nèi)充裝適量的傳熱介質(zhì)，容器的一端為加熱段，另一端為放熱段，把加熱裝置布置于容器的加熱段，通過加熱控制柜手動或電動控制加熱裝置，當(dāng)該端被加熱時，傳熱介質(zhì)吸收能量，迅速傳遞到另一端，放出熱量后回到加熱段，如此循環(huán)不停，使附著在埋件和水封上的冰融化，確保閘門冰期操作時水封不被破壞，從而滿足閘門的啟閉要求。

4 融冰設(shè)備的結(jié)構(gòu)及布置

融冰設(shè)備由密閉的無縫方鋼、加熱裝置、導(dǎo)熱液、灌液管、傳感器及控制系統(tǒng)組成。加熱裝置固定在密閉的方鋼內(nèi)，加熱裝置的加熱管內(nèi)放入電加熱器，加熱裝置與方鋼之間通過灌液管灌入適量的導(dǎo)熱液，傳感器系統(tǒng)與方鋼固定，然后通過電纜與控制系統(tǒng)連接。

密閉方鋼采用6mm×140mm×140mm的冷拔無縫方鋼，材料為20鋼，既保證了高密封性又保證了強(qiáng)度。加熱裝置的電加熱管材料1Cr18Ni9Ti，規(guī)格直徑57mm，厚3.5mm的鋼管，溫度升到一穩(wěn)定值時，加熱管內(nèi)的加熱器加溫與放熱平衡，不再升溫，加熱過程中，其表面溫度低，沒有明火，不會產(chǎn)生燃燒。

傳熱介質(zhì)采用超導(dǎo)液，該液體是一種無色透明易揮發(fā)的無機(jī)化合物，化學(xué)性能穩(wěn)定，高溫不分解，其傳熱速度超過任何已知金屬，且和鐵、不銹鋼、銅等金屬容器有很好的相容性，且長期受熱不結(jié)垢，無毒、無污染、無放射性，對人體無害，-30℃時正常使用，在300℃環(huán)境下不自燃。但其見光分解，因此必須放置在真空的密閉容器中。

壓力傳感器利用MAX1452專用芯片進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性校正，在-25℃～80℃溫度區(qū)間測量精度在1%以內(nèi)，輸出0.5～2.5V電壓信號或4～20mA電流信號。

溫度傳感器由陶瓷基片和薄層的激光燒刻的鉑金層構(gòu)成，其核心組成部分熱電阻采用PT100EN60751標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行嚴(yán)格工藝的封裝后，用以直接測量液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及固體表面的溫度。

灌液管的套管、溫度傳感器及壓力傳感器的套管材料均為1Cr18Ni9Ti。

控制系統(tǒng)可控制弧門埋件的全部6路加熱器，采用西門子S7-300可編程序控制器作為主控制器，監(jiān)控由傳感器輸送的溫度、電流、壓力等信號，自動對輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，環(huán)境溫度較低時加大加熱量，環(huán)境溫度較高時減少加熱量，從而使閘門系統(tǒng)維持在穩(wěn)定的溫度之上，控制溫度可精確到0.1℃，并具有故障自動報警功能。故障時可切換為手動方式，保障使用安全。

每孔埋件設(shè)置1套融冰設(shè)備，每套融冰設(shè)備配2套加熱裝置，2套加熱裝置分別布置在兩側(cè)埋件的空腔內(nèi)，所有加熱設(shè)備共用1個控制柜，控制柜與弧門液壓啟閉機(jī)共用1個啟閉機(jī)室；通過電纜埋管與融冰設(shè)備連接。具體布置：①將需要加熱的埋件設(shè)計成密封空腔，融冰設(shè)備固定在空腔內(nèi)，融冰設(shè)備與埋件間的空腔填充保溫介質(zhì)；②埋件空腔的頂部用封板封死，融冰設(shè)備頂部的壓力傳感器管、加熱管、滴液管及融冰設(shè)備側(cè)面的溫度傳感器管均穿過封板并與封板焊接牢固；③從控制柜引動力電纜與加熱管中的電加熱器連接，引控制電纜分別與溫度傳感器和壓力傳感器連接。

5 融冰設(shè)備的組裝與試驗(yàn)

弧門埋件分為兩節(jié)，其中頂節(jié)埋件裝配有融冰設(shè)備。融冰設(shè)備在制造廠內(nèi)整體制造，經(jīng)打壓試驗(yàn)合格后在制造廠內(nèi)與頂節(jié)埋件進(jìn)行整體組裝。加熱裝置裝配時可適當(dāng)施壓使其緊貼閘門埋件，兩側(cè)采用角焊縫間斷焊接，焊長20mm，間斷100mm，焊高4mm。連接后進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后在其周圍填充保溫材料。

弧門埋件與三周封板焊接形成保溫腔，在保溫材料填充保溫腔后，再焊接頂封板，頂封板應(yīng)根據(jù)融冰裝置加熱套管的尺寸開孔，并與套管焊接牢固。最后在保溫腔焊縫刷1層密封膠。埋件驗(yàn)收合格后，加熱裝置上端傳感器及加熱器接口用堵頭擰緊并涂油保護(hù)。裝配有融冰裝置的閘門埋件整體運(yùn)輸。

融冰裝置的加熱容器在與閘門埋件裝配前后都要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，安裝好壓力傳感器并擰緊密封，然后灌注適量傳熱介質(zhì)，抽真空使傳熱介質(zhì)成負(fù)壓狀態(tài)，試驗(yàn)壓力為2.0MPa，保壓2h，不得有任何泄漏現(xiàn)象。壓力試驗(yàn)后，安裝導(dǎo)熱液溫度傳感器、閘門埋件溫度傳感器和加熱裝置，再用電纜將加熱裝置、傳感器和控制柜相連接。啟動控制柜并按下相應(yīng)加熱管的加熱按鈕，當(dāng)不需要加熱時，按下停止按鈕。根據(jù)初始溫度和停止加熱溫度，確定每套加熱管的功率6kW，每孔埋件的加熱功率12kW。通過試驗(yàn)，模擬弧門埋件融冰設(shè)備運(yùn)行工況，對其工作原理和保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證，為以后埋件融冰設(shè)備現(xiàn)場安裝、調(diào)試提供先期的基礎(chǔ)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，并檢驗(yàn)加熱管的熱傳導(dǎo)速率及均勻性、傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性、電加熱器和電控系統(tǒng)的安全可靠性。

6 融冰設(shè)備的保溫

頂節(jié)加熱腔與埋件焊好后，需對加熱空腔外側(cè)的封閉空腔內(nèi)填加巖棉保溫材料。保溫材料及制品應(yīng)具有產(chǎn)品質(zhì)量證明書或出廠合格證。保溫材料及其制品的產(chǎn)品質(zhì)量證明書或出廠合格證中所列的指標(biāo)應(yīng)齊全，填加的巖棉保溫材料須密實(shí)，不允許有托空處。

根據(jù)巖棉保溫材料的填加工藝，在保溫腔兩面焊接完成、頂蓋封口焊接之前進(jìn)行。巖棉保溫材料的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

用于充填結(jié)構(gòu)的散裝絕熱材料，不得混有雜物及塵土。巖棉中顆粒直徑大于或等于0.5mm的渣球含量應(yīng)小于6%；長期存放或受潮的保溫材料及制品在使用前應(yīng)進(jìn)行含水率測定，其含水率無機(jī)保溫材料不宜超過5%，否則應(yīng)進(jìn)行干燥處理，且處理后應(yīng)能恢復(fù)原有物理形式及性能。保溫層的施工應(yīng)在加熱腔的強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)已完成并檢測合格后方能進(jìn)行，施工前應(yīng)清除保溫腔內(nèi)的污垢和油灰，并保證表面干燥，保溫腔施工完成后要當(dāng)天封口焊接，以防潮、防雨。室外雨天及風(fēng)力大于5級的氣候條件下不能進(jìn)行保溫層的施工。施工時，選用厚度50mm的巖棉板多層平鋪或立鋪，以巖棉（散）作為縫隙填充，板條走向順弧長方向，拼縫寬度及保溫材料與腔體的貼合間隙不得大于5mm。同層應(yīng)錯縫，上下層應(yīng)壓縫。其搭接的長度不宜小于50mm。拼縫應(yīng)采用性能相近的巖棉填塞嚴(yán)密，填縫前，必須清除縫內(nèi)雜物。巖棉的充填容重，為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)容重的1.5～2.4倍。充填填料時，應(yīng)邊加料邊壓實(shí)，并應(yīng)施壓均勻，使密實(shí)度一致。

7 結(jié)語

（1）電加熱融冰裝置耗能小，操作簡便，安全可靠。

（2）電加熱管外圍方鋼的密封性直接影響到融冰的可靠性，在融冰設(shè)備與埋件組裝前必須進(jìn)行壓力試驗(yàn)，以確保方鋼的高度密封。

（3）傳熱介質(zhì)采用超導(dǎo)液，其傳熱效率超過任何已知金屬。該液體高溫不分解，且和鐵、不銹鋼、銅等金屬容器有很好的相容性。

（4）溫度、壓力傳感器采用高精度傳感器，控制系統(tǒng)采用可編程序控制器作為主控制器，對于融冰設(shè)備的安全可靠和高效運(yùn)行至關(guān)重要。

（5）在融冰設(shè)備與埋件間的空腔填充保溫設(shè)備，提高了熱量的利用效率和密閉方鋼與埋件的熱傳導(dǎo)速度，減少了能源消耗。

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