淺談三峽水利樞紐深孔弧門水封現(xiàn)場粘結(jié)及安裝工藝

艾緒根 張 易 徐 鑫

（1中國長江電力股份有限公司；2長江三峽水電工程有限公司）

一、引言

三峽水利樞紐工程泄洪壩段共設(shè)23個泄洪深孔，每孔設(shè)置三道閘門：孔道進口上游設(shè)置反鉤式檢修疊梁門；孔道中部設(shè)平板定輪事故閘門；孔道有壓段末端設(shè)弧形工作閘門。閘門水封是水利水電工程中各類鋼閘門止水的關(guān)鍵配件，又稱水閘橡膠密封件(簡稱橡膠水封)，其自身質(zhì)量以及現(xiàn)場安裝工藝等因素直接影響水工閘門的止水效果，進而影響水工建筑物的安全運行。

隨著閘門使用年限的增長，多數(shù)閘門出現(xiàn)不同程度的門體銹蝕、橡膠水封磨損、老化而漏水現(xiàn)象，既影響閘門的正常運行又浪費了寶貴的水資源。閘門止水裝置漏水原因有多種：一是閘門橡膠水封長期浸泡水中深受水中各種化學(xué)物質(zhì)侵蝕和雜物的沖蝕、磨損；二是水封暴露在陽光下受紫外線直接照射而引起的橡膠老化；另外安裝橡膠水封時水封安裝尺寸不準(zhǔn)確、安裝工藝不正確、螺栓擰緊力矩不當(dāng)都會影響閘門止水效果及使用性能。

二、橡膠水封

橡膠水封具有結(jié)構(gòu)簡單、彈性好、封水嚴(yán)密可靠、安裝方便、耐老化、使用壽命長等優(yōu)點。一般采用天然橡膠或氯丁橡膠制造。橡膠水封可分為純橡膠水封和復(fù)合材料水封兩類。純橡膠水封中加入專用防老化劑、補強劑、硫化助劑、硫化促進劑、增塑劑以及工業(yè)碳黑等十多種原料,經(jīng)過煉膠機反復(fù)擠壓混合后制成的半成品，再置入模具中經(jīng)硫化壓機于高溫、高壓條件定型所生產(chǎn)出的止水元件,且又符合水工鋼閘止水技術(shù)性能的稱為普通水封。三峽工程常用的橡膠水封有：加高強尼龍帆布又加增強聚四氟乙烯薄膜的水封稱為夾高強尼龍帆布橡塑復(fù)合水封。工作中為減小低摩阻又耐磨的水封稱為橡塑復(fù)合水封；只加帆布的水封我們稱為高強帆布水封；不加帆布和增強聚四氟乙烯薄膜的稱為普通水封等。

橡膠水封一般采用擠出成型硫化罐硫化或者模具型硫化的方法制造。擠出成型硫化罐硫化的產(chǎn)品和模具壓制的產(chǎn)品是有本質(zhì)的區(qū)別，擠出成型硫化罐硫化的產(chǎn)品生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量高、但密度差、拉伸強度差，使用壽命短。模具壓制硫化的產(chǎn)品因為用50-200噸壓力機壓制，產(chǎn)品密度高，光潔度好，使用壽命長，拉伸強度、抗撕裂強度的物理性能好，缺點是生產(chǎn)速度慢，效率低。水封是水利水電工程中各類鋼閘門止水的關(guān)鍵配件，根據(jù)使用條件和使用部位可以設(shè)計成不同的截面結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)各種閘門的性質(zhì)、運行工況選擇適應(yīng)的水封非常重要。橡膠水封的物理機械性能參見下表：

序號 性能指標(biāo)值ⅠⅡ高水頭橡膠水封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）膠量% ≥60 ≥60 ≥60 ≥60 3 拉伸強度MPa ≥18 ≥13 ≥14 ≥22 4 邵氏硬度A 60±5 60±5 60±5 70±5 5 拉斷伸長率% ≥450 ≥450 ≥400 ≥400 6 拉彈性模量MPa當(dāng)100%當(dāng)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 壓縮彈性模量MPa當(dāng)20%當(dāng)30%當(dāng)40%5.5～7.55.8～8.0 6.0～9.0 8 在-40～+400C溫度環(huán)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不發(fā)生凍裂或硬化

三、水封接頭現(xiàn)場硫化粘結(jié)

大型水工閘門的橡膠水封受形狀、尺寸所限不便于整體運輸，所以橡膠水封生產(chǎn)廠家一般在工廠先將水封分段制造，然后運至安裝現(xiàn)場進行現(xiàn)場粘結(jié)，將水封按照所需形狀、尺寸粘結(jié)成整體。通過實踐證明橡膠與橡膠之間采取冷粘接（涂粘結(jié)劑），其粘合力、抗拉強度不能滿足使用要求，而加熱硫化粘結(jié)的水封接頭其各項力學(xué)性能明顯優(yōu)于冷粘接。

（一）熱粘結(jié)（橡膠硫化）所需的主要材料和工具

1.粘結(jié)材料：熱粘結(jié)所需的主要材料為純天然生橡膠片（含膠量≥60%），膠片厚度根據(jù)使用需要確定，一般選用3mm。生橡膠片日常應(yīng)常溫保存（15℃左右），避免日曬雨淋，存放時間不宜過長，最多不超過十個月。為確保生橡膠片的質(zhì)量，最好由橡膠水封生產(chǎn)廠家在水封現(xiàn)場粘結(jié)前直接供貨。

2.粘結(jié)工具：a模具：與橡膠水封截面形狀相同的模具；b夾具:模具的夾緊裝置；c其他工具：手錘2把、12寸活動扳手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噸千斤頂1個。

（二）橡膠水封粘結(jié)工藝

工藝流程：橡膠水封端面切平→挫毛→清洗→涂膠漿→模具預(yù)熱→加生膠片對接→加壓→加熱硫化→卸模。

其每道工序分述為：

1.橡膠水封端部應(yīng)垂直切割，按圖紙所需的尺寸將端部切平,切除時要扣減加生橡膠片對接的厚度,尺寸偏差取負(fù)值為宜。對于截面形狀較復(fù)雜的水封，如P型水封，其接頭制作方法為：先將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處劃一直線，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處劃一直線，用刀沿直線水平切入5mm深，切割后斷面成一個臺階狀,見下圖1。（下料結(jié)束后，還需將P形水封端頭圓孔，用直徑略大于該孔的圓柱橡膠條，將該園孔填滿、塞緊并切平，目的是防止在加熱硫化時，膠料流入圓孔內(nèi)，導(dǎo)致粘結(jié)失?。?/p>

圖1 水封切割后的斷面形狀

2.橡膠水封端面挫毛，這道工序主要是去除接頭部位的油污及雜質(zhì)。挫毛能增加水封端面的接觸面積，增強水封結(jié)合部位的粘結(jié)力，從而增加抗拉強度。

3.制作膠漿：制作膠漿的原材料為純天然生橡膠片，制作工序為：首先用剪刀將純天然生橡膠片剪成小碎片（或顆粒），放到潔凈干燥的玻璃容器內(nèi)，用汽油或二甲苯作為溶劑，按照膠料:溶劑為1:3的比例混合，即50g膠料配150g二甲苯。經(jīng)過一定時間的膨脹（約2小時），充分?jǐn)嚢璩蓾{糊狀。如果膠漿太濃可加入溶劑攪拌稀釋；如果膠漿太稀，可在涂刷時多刷兩遍。

4.涂膠漿：在涂刷膠漿前先用汽油將接頭挫毛的部位清洗、晾干。涂膠漿的目的是浸潤接頭端面，增加其接觸面的活性，獲得良好的粘結(jié)效果。涂刷膠漿一般為兩遍，每涂一遍要充分涼干，涼干的時間根據(jù)氣候、溫度和通風(fēng)條件而定,一般為10分鐘左右。晾干過程中應(yīng)保護好水封端面不被水、油污等其他雜質(zhì)污染。見下圖2。

圖2 涂刷膠漿

5.對接加壓：橡膠水封硫化粘結(jié)有三個重要的控制指標(biāo)為；壓力、溫度和時間。水封接頭對接前，先將生膠片剪成水封截面的形狀，外形尺寸放大2～3mm，然后將剪好的膠片放到兩條要對接的水封中間，將對接的兩條水封用力向接頭處頂緊，以防止缺膠料的情況發(fā)生，再將模具合上，并用千斤頂在事先準(zhǔn)備好的工裝內(nèi)加壓。見圖3、圖4。

圖3 模具內(nèi)水封接頭對接

圖4 水封接頭處添加生膠片

6.加熱硫化：

（1）使用便攜式硫化機硫化橡膠水封時，采用噴燈、氧氣乙炔火焰對水封模具加熱進行橡膠硫化，加熱溫度一般控制在130-160℃。溫度檢測可采用以下簡易的方法：當(dāng)模具加熱5分鐘后，用小毛刷蘸水灑在模具上，若水珠蒸發(fā)的較慢，說明加熱溫度不夠，需要繼續(xù)加熱。以后每隔2分鐘用小毛刷灑水一次進行觀察，若水珠快速蒸發(fā)，說明加熱溫度達(dá)到要求，此時停止加熱。待水封硫化15分鐘后，再加熱一次，待又一個硫化反應(yīng)15分鐘后卸模。加熱時應(yīng)防止模具溫度過高,溫度過高會導(dǎo)致橡膠水封表面碳化。當(dāng)水灑在模具上,水珠在模具上跳濺,說明加熱溫度過高, 需停止加熱。

在條件允許的情況下檢測硫化溫度，采用紅外點溫計來測量橡膠硫化加熱溫度,可避免因經(jīng)驗觀察造成溫度偏差。

（2）使用硫化機硫化水封，模具加壓設(shè)置為10MPa,溫度設(shè)定在150℃以內(nèi),不用擔(dān)心溫度變化，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時硫化機會自動斷電保溫。

7.硫化時間：根據(jù)模具的大小、橡膠水封的外形尺寸來控制加熱時間。如20m m厚的橡膠水封，一般硫化30分鐘即可；P60的橡膠水封硫化時間控制在60分鐘以內(nèi)。加熱硫化粘結(jié)后接頭部位應(yīng)粘接牢固，無裂口，無海綿，凸起、凹面不得超過0.5mm。

四、橡膠水封吊運、安裝

（一）橡膠水封按照圖紙技術(shù)要求并參照現(xiàn)場實物進行放樣，以水封壓板為模板對水封及水封墊板進行螺栓孔定位，然后采用橡皮沖在水封及水封墊板上鉆孔，鉆孔直徑比緊固螺栓直徑小1m m。水封放樣時，一般水封長度尺寸要比圖紙尺寸放大2～3mm。在夏季溫度較高的情況下，水封長度尺寸還應(yīng)根據(jù)其收縮率加大預(yù)留量，否則在冬季溫度較低時，水封隨氣溫下降而收縮，從而導(dǎo)致水封止水壓縮量不夠而出現(xiàn)閘門射水。

（二）水封吊裝、搬運。三峽深孔弧門和排漂孔弧門水封都是將頂水封及側(cè)水封粘結(jié)成一個整體后，用平板貨車運送到施工現(xiàn)場（運輸過程中能保持直條運輸?shù)膽?yīng)盡量滿足，橡塑復(fù)合水封必須直條運輸）。在搬運過程中，水封所有熱粘結(jié)接頭部位均不可受較大的拉力和扭力，在起吊時水封彎曲半徑至少不小于1m。水封在吊運前，采用?14mm的尼龍繩做捆綁繩，分段綁在水封上。吊運過程中，使水封成S形，保持等距排列，繩子成直線形，確保繩子受力水封不受力。通過門機回轉(zhuǎn)吊將水封落到深孔閘室底部，再通過人工將水封提升到弧門的相應(yīng)位置。在安裝側(cè)水封前，為避免水封因自重而導(dǎo)致長度拉伸，應(yīng)將兩側(cè)水封自然擺放到弧門兩側(cè)的支臂上。

（三）水封安裝：三峽深孔弧門水封安裝施工空間小、高空作業(yè)難度大。深孔弧門水封安裝工序為：

1.將弧門各部位的水封壓板按原拆除時的編號順序分別擺放。先安裝頂水封，安裝時螺栓擰緊力矩不可過大，過大會造成水封過度擠壓而變形，上下啟動弧形閘門時由于擠壓變形后，凸起地方便會刮卡弧形孔口上的門梅，造成水封變形撕裂而漏水，通常先采用電動搬手旋緊，再使用搬手依次手工擰一遍，確保每顆螺栓擰緊力矩一致，確保頂水封的整體為直線，達(dá)到圖紙裝配要求。

圖5 水封搬運

2.側(cè)水封安裝：安裝人員站在弧門兩側(cè)活動導(dǎo)軌處，做好一切安全措施（弧門檢修前兩側(cè)活動側(cè)軌板需拆掉或往內(nèi)側(cè)平移動200mm以上并固定），將598機械平面密封膠充分填入頂止水拐角內(nèi)，然后隨著弧門提升上行，安裝人員在弧門左右兩側(cè)自上而下依次安裝水封壓板，穿入M20沉頭不銹鋼螺栓，此時螺栓均為初擰。隨著側(cè)水封安裝逐步上升的同時，弧門支臂上的水封也隨之一點一點釋放，千萬不可將側(cè)水封一次性釋放讓其自然垂墜。待所有水封安裝完成后，安裝人員自下而上依次擰緊螺栓。螺栓擰緊力矩的大小以水封受壓后，水封有微微凸起為準(zhǔn)。

3.底水封安裝：下料時兩端預(yù)留量為5～7mm，水封兩端多余部分應(yīng)切除并打磨修平，底水封拐角部位凃抹598機械平面密封膠，底水封預(yù)置壓縮量不低于8m m，局部凸出部分割除并用角磨機磨平。

4.在整個安裝過程中應(yīng)注意對水封橡塑層的保護，防止機械、鋼筋損傷橡膠水封?；￠T水封全部安裝完成后弧門必須試運行一次，運行過程中應(yīng)給水封澆水潤滑，防止橡膠水封干摩擦。待填充的598密封膠完全固化（約48小時）后, 弧門方可落到零位投入運行。

五、橡膠水封的存放

1.橡膠水封不得長時間露天曝曬，避免雨淋以及與污染性強的化學(xué)物質(zhì)接觸。

2.橡膠水封在現(xiàn)場存放的時間應(yīng)盡量短，原則上不超個十二個月。

3.貯存室相對濕度不應(yīng)大80%，溫度不超過30度，最好15度以下。

4、應(yīng)避免不同配方橡膠制品相互接觸。

六、結(jié)束語

水閘橡膠水封的止水效果與橡膠水封本身外觀質(zhì)量、尺寸偏差、物理性能以及熱粘結(jié)工藝、現(xiàn)場安裝工藝和安裝人員的檢修技能、熟練程度等諸多因素有關(guān)。因此應(yīng)從橡膠水封的質(zhì)量驗收、現(xiàn)場熱粘結(jié)的質(zhì)量控制、水封安裝工藝的流程和關(guān)鍵點控制等方面嚴(yán)格把關(guān)，從而提升橡膠水封的安裝質(zhì)量，延續(xù)其使用壽命，以達(dá)到在降低生產(chǎn)成本的同時節(jié)水發(fā)電。

[1]DL/T 5018-2004 水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范.

[2]HG/T 3096-2011 水閘橡膠密封件.

[3]GB/T 5721-1993 橡膠密封制品標(biāo)志、包裝、運輸、貯存的一般規(guī)定.