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摘要：本文首先介绍了南水北調中线工程邯邢段的工程概况和弧形闸门的冬季运行，然后分析了闸门槽液压热油融冰设备和融冰设备的结构及布置，最后探讨了融冰设备的组装与试验和融冰设备的保温。
关键词：南水北调；邯邢段；弧形闸门；埋件；融冰设计
中图分类号：S611文献标识码： A
弧形工作闸门是大、中型水利水电枢纽工程中不可缺少的组成部分，主要担负着水利水电枢纽工程的调度任务。弧形钢闸门埋件分一期埋件和二期埋件。一期埋件主要有油缸托架及支铰锚栓；二期埋件为常规埋件和重量达60%的支铰调整装置、支铰底座。
1工程概况
南水北调中线工程邯邢段作为总干渠漳河北至古运河南渠段的一部分，起点位于河北省与河南省交界处的漳河北岸，终点位于邢台与石家庄市交界的梁村村西，途经磁县、邯郸、邢台等市县，该段渠线总长172.751km，设计流量230m3/s，加大流量250m3/s，担负着向北京、天津及邯邢地区供水的任务。为了调节总干渠水位及倒虹吸进口的淹没度，倒虹吸出口均设置弧形闸门。
2弧形闸门的冬季运行
本渠段位于河北省南部，属温带半湿润地带，东亚季风气候区，四季分明。 冬季寒冷少雪；春季干旱少雨；夏季湿润多雨；秋季降雨渐少。多年平均气温12.6℃～13.3℃，全年1月份温度最低，月平均气温-2.6℃～-3.5℃，月平均最低气温-7.5℃～-9.0℃，极端最低气温-18.5℃～-25.3℃；该渠段所在地区1月份平均气温低于-3℃，但高于-10℃，抗冻设计气候类型属于寒冷气候区。如冬季渠道结冰后产生的冰压力作用在闸门上会使闸门受到破坏和变形，门槽埋件工作表面结冰，当提升闸门时，闸门止水会被撕裂。由于南水北调中线总干渠采用定水位运行的方式，弧形工作闸门需经常启闭，若弧门两侧止水橡皮与其埋件冻结影响了弧门的启闭，渠道很容易产生冰害，影响总干渠的正常输水。因此，为防止闸门止水部分与冰盖层冻结在一起，弧门埋件在冬季冰期输水时应采取融冰措施。
3 闸门槽液压热油融冰设备
3.1闸门槽液压热油融冰设备的组成
设备包括:电器控制柜、液压热油泵站、导热油、弧形工作闸门侧埋件共4部分。
液压热油泵站包括:油箱、电机-泵组、控制阀组、外管路4部分。油箱设有油位限制器和报警机关、液位液温计、温度传感器、注油滤油器、防潮式空气滤清器、带压力开关的回油滤油器、放油阀、检修入孔、电加热器等。每套泵站配备2台电机-泵组，一备一用。
电器控制柜内装有:音响报警器、保护装置、电流表、电压表等设备； PLC接口，智能入机界面等设备。
弧形工作闸门侧埋件:除了具备普通弧形工作闸门侧埋件的结构和功能外，侧埋件再增加设置进油腔和回油腔；油腔外设保温层。闸门槽材料为不锈钢。
3.2闸门槽液压热油融冰设备工作原理
电器控制柜、液压热油泵站布置在操作室内，弧形工作闸门侧埋件安装在室外的闸墩上。冬季低温季节需要启闭闸门时，液压热油泵站的导热油经过管路，进入弧形闸门侧埋件的进油腔、回油腔，导热油经过管路返回油箱。通过导热油的循环提高弧形工作闸门侧埋件的温度，融化侧埋件与闸门橡胶止水之间的冰，保证闸门正常运行。
电器控制柜有手动/自动/远控3种运行方式，通常采用自动方式操作。设备安装调试时，暂时设置的温度如下:闸门槽需要融冰时，油箱内油温小于40℃，电加热器启动，加热导热油，泵-电机组启动，导热油在油箱内循环；油温达到45℃，电磁阀得电打开外循环通路，泵-电机组继续运转，导热油流向闸门槽，闸门槽开始融冰；油箱的油温达到65℃，电加热器停止工作；油箱的油温小于40℃，电加热器又开始工作。
设备的电加热器、温度检测装置均安装在室内的油箱上，对油箱内的导热油加热，并测量导热油温度；闸门槽融冰发生在室外的闸门槽上。设备是通过设置室内的油温来控制室外的闸门槽融冰情况，为了保证闸门槽的融冰效果，需要根据设备安装的地理位置气候条件和实际运用情况，探索出合理的温度设置，对出厂设置的温度重新设置。
4融冰设备的结构及布置
融冰设备由密闭的无缝方钢、加热装置、导热液、灌液管、传感器及控制系统组成。加热装置固定在密闭的方钢内，加热装置的加热管内放入电加热器，加热装置与方钢之间通过灌液管灌入适量的导热液，传感器系统与方钢固定，然后通过电缆与控制系统连接。
密闭方钢采用6mm×140mm×140mm的冷拔无缝方钢，材料为20钢，既保证了高密封性又保证了强度。加热装置的电加热管材料1Cr18Ni9Ti，规格直径57mm，厚3.5mm的钢管，温度升到一稳定值时，加热管内的加热器加温与放热平衡，不再升温，加热过程中，其表面温度低，没有明火，不会产生燃烧。
传热介质采用超导液，该液体是一种无色透明易挥发的无机化合物，化学性能稳定，高温不分解，其传热速度超过任何已知金属，且和铁、不锈钢、铜等金属容器有很好的相容性，且长期受热不结垢，无毒、无污染、无放射性，对人体无害，-30℃时正常使用，在300℃环境下不自燃。但其见光分解，因此必须放置在真空的密闭容器中。
压力传感器利用MAX1452专用芯片进行温度补偿和非线性校正，在-25℃～80℃温度区间测量精度在1%以内，输出0.5～2.5V电压信号或4～20mA电流信号。
温度传感器由陶瓷基片和薄层的激光烧刻的铂金层构成，其核心组成部分 热电阻采用PT100EN60751标准，在进行严格工艺的封装后，用以直接测量液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。灌液管的套管、温度传感器及压力传感器的套管材料均为1Cr18Ni9Ti。
控制系统可控制弧门埋件的全部6路加热器，采用西门子S7-300可编程序控制器作为主控制器，监控由传感器输送的温度、电流、压力等信号，自动对输出功率进行调节，环境温度较低时加大加热量，环境温度较高时减少加热量，从而使闸门系统维持在稳定的温度之上，控制温度可精确到0.1℃，并具有故障自动报警功能。故障时可切换为手动方式，保障使用安全。
每孔埋件设置1套融冰设备，每套融冰设备配2套加热装置，2套加热装置分别布置在两侧埋件的空腔内，所有加热设备共用1个控制柜，控制柜与弧门液压启闭机共用1个启闭机室；通过电缆埋管与融冰设备连接。具体布置：①将需要加热的埋件设计成密封空腔，融冰设备固定在空腔内，融冰设备与埋件间的空腔填充保温介质；②埋件空腔的顶部用封板封死，融冰设备顶部的压力传感器管、加热管、滴液管及融冰设备侧面的温度传感器管均穿过封板并与封板焊接牢固； ③从控制柜引动力电缆与加热管中的电加热器连接，引控制电缆分别与温度传感器和压力传感器连接。
5融冰设备的组装与试验
弧门埋件分为两节，其中顶节埋件装配有融冰设备。融冰设备在制造厂内整体制造，经打压试验合格后在制造厂内与顶节埋件进行整体组装。加热装置装配时可适当施压使其紧贴闸门埋件，两侧采用角焊缝间断焊接，焊长20mm，间断100mm，焊高4mm。连接后进行打压试验，试验合格后在其周围填充保温材料。
弧门埋件与三周封板焊接形成保温腔，在保温材料填充保温腔后，再焊接顶封板，顶封板应根据融冰装置加热套管的尺寸开孔，并与套管焊接牢固。最后在保温腔焊缝刷1层密封胶。埋件验收合格后，加热装置上端传感器及加热器接口用堵头拧紧并涂油保护。装配有融冰装置的闸门埋件整体运输。
融冰裝置的加热容器在与闸门埋件装配前后都要进行压力试验，安装好压力传感器并拧紧密封，然后灌注适量传热介质，抽真空使传热介质成负压状态，试验压力为2.0MPa，保压2h，不得有任何泄漏现象。压力试验后，安装导热液温度传感器、闸门埋件温度传感器和加热装置，再用电缆将加热装置、传感器和控制柜相连接。启动控制柜并按下相应加热管的加热按钮，当不需要加热时，按下停止按钮。根据初始温度和停止加热温度，确定每套加热管的功率6kW，每孔埋件的加热功率12kW。通过试验，模拟弧门埋件融冰设备运行工况，对其工作原理和保护功能进行验证，为以后埋件融冰设备现场安装、调试提供先期的基础性试验数据和经验，并检验加热管的热传导速率及均匀性、传感器的可靠性和准确性、电加热器和电控系统的安全可靠性。
6融冰设备的保温
本渠段位于河北省南部，属温带半湿润地带，东亚季风气候区，四季分明。 全年1月份温度最低，最冷月平均气温为－2．6℃～－3．5℃，抗冻设计属于寒冷气候区。
鉴于南水北调中线总干渠有冬季运行要求，为了保证金属结构在冰冻期正常运行， 需针对金属结构的设置部位、布置形式、运行工况，以及气温和冰情采取不同的防冰冻措施，防止金属结构物承受静冰压力；防止闸门活动部分与冰盖层冻结在一起，门槽埋件工作表面结冰等。由于南水北调中线总干渠采用定水位运行的方式，本渠段的节制闸和工作闸的弧型工作闸门需经常启闭，因此，这些闸的闸门在冬季冰期输水时应采取融冰措施。根据国内已建工程的实际运行经验，针对本工程的实际运行情况，采取保温及电加热融冰方案。该方案结合闸门启闭机室将弧型工作闸门布置在闸门室内，对整个闸室进行全封闭。根据本段实际气象条件分析，一般年份冬季闸室内水面不会结冰。在寒冷年份，当遇到强寒流持续降温时，闸室内有可能出现冰冻，影响闸门和液压启闭机的操作。此时可采取电加热的方式：将需要加热的埋件设计成密封空腔，并充装传热介质，把加热装置布置于密封空腔的一端，通过加热控制柜手动或电动控制加热装置，使附着在埋件和水封上的冰融化，确保闸门冰期操作时水封不被破坏，从而满足闸门的启闭要求。排冰闸挡水闸门和退水闸的工作闸门在冬季排冰时运行，采取保温及电加热融冰方案。分水闸为潜孔闸门，检修闸的检修闸门经常处于全开状态，不采取防冰冻措施。
参考文献
[1]常谢梅.南水北调工程新型弧形门埋件制作技术[J].水科学与工程技术，2011，（1）．
[2]吕传亮，崔海涛．弧形工作闸门冬季运行埋件加热系统设计[J]．水利与建筑工程学报，2012，（6）．
关键词：南水北调；邯邢段；弧形闸门；埋件；融冰设计
中图分类号：S611文献标识码： A
弧形工作闸门是大、中型水利水电枢纽工程中不可缺少的组成部分，主要担负着水利水电枢纽工程的调度任务。弧形钢闸门埋件分一期埋件和二期埋件。一期埋件主要有油缸托架及支铰锚栓；二期埋件为常规埋件和重量达60%的支铰调整装置、支铰底座。
1工程概况
南水北调中线工程邯邢段作为总干渠漳河北至古运河南渠段的一部分，起点位于河北省与河南省交界处的漳河北岸，终点位于邢台与石家庄市交界的梁村村西，途经磁县、邯郸、邢台等市县，该段渠线总长172.751km，设计流量230m3/s，加大流量250m3/s，担负着向北京、天津及邯邢地区供水的任务。为了调节总干渠水位及倒虹吸进口的淹没度，倒虹吸出口均设置弧形闸门。
2弧形闸门的冬季运行
本渠段位于河北省南部，属温带半湿润地带，东亚季风气候区，四季分明。 冬季寒冷少雪；春季干旱少雨；夏季湿润多雨；秋季降雨渐少。多年平均气温12.6℃～13.3℃，全年1月份温度最低，月平均气温-2.6℃～-3.5℃，月平均最低气温-7.5℃～-9.0℃，极端最低气温-18.5℃～-25.3℃；该渠段所在地区1月份平均气温低于-3℃，但高于-10℃，抗冻设计气候类型属于寒冷气候区。如冬季渠道结冰后产生的冰压力作用在闸门上会使闸门受到破坏和变形，门槽埋件工作表面结冰，当提升闸门时，闸门止水会被撕裂。由于南水北调中线总干渠采用定水位运行的方式，弧形工作闸门需经常启闭，若弧门两侧止水橡皮与其埋件冻结影响了弧门的启闭，渠道很容易产生冰害，影响总干渠的正常输水。因此，为防止闸门止水部分与冰盖层冻结在一起，弧门埋件在冬季冰期输水时应采取融冰措施。
3 闸门槽液压热油融冰设备
3.1闸门槽液压热油融冰设备的组成
设备包括:电器控制柜、液压热油泵站、导热油、弧形工作闸门侧埋件共4部分。
液压热油泵站包括:油箱、电机-泵组、控制阀组、外管路4部分。油箱设有油位限制器和报警机关、液位液温计、温度传感器、注油滤油器、防潮式空气滤清器、带压力开关的回油滤油器、放油阀、检修入孔、电加热器等。每套泵站配备2台电机-泵组，一备一用。
电器控制柜内装有:音响报警器、保护装置、电流表、电压表等设备； PLC接口，智能入机界面等设备。
弧形工作闸门侧埋件:除了具备普通弧形工作闸门侧埋件的结构和功能外，侧埋件再增加设置进油腔和回油腔；油腔外设保温层。闸门槽材料为不锈钢。
3.2闸门槽液压热油融冰设备工作原理
电器控制柜、液压热油泵站布置在操作室内，弧形工作闸门侧埋件安装在室外的闸墩上。冬季低温季节需要启闭闸门时，液压热油泵站的导热油经过管路，进入弧形闸门侧埋件的进油腔、回油腔，导热油经过管路返回油箱。通过导热油的循环提高弧形工作闸门侧埋件的温度，融化侧埋件与闸门橡胶止水之间的冰，保证闸门正常运行。
电器控制柜有手动/自动/远控3种运行方式，通常采用自动方式操作。设备安装调试时，暂时设置的温度如下:闸门槽需要融冰时，油箱内油温小于40℃，电加热器启动，加热导热油，泵-电机组启动，导热油在油箱内循环；油温达到45℃，电磁阀得电打开外循环通路，泵-电机组继续运转，导热油流向闸门槽，闸门槽开始融冰；油箱的油温达到65℃，电加热器停止工作；油箱的油温小于40℃，电加热器又开始工作。
设备的电加热器、温度检测装置均安装在室内的油箱上，对油箱内的导热油加热，并测量导热油温度；闸门槽融冰发生在室外的闸门槽上。设备是通过设置室内的油温来控制室外的闸门槽融冰情况，为了保证闸门槽的融冰效果，需要根据设备安装的地理位置气候条件和实际运用情况，探索出合理的温度设置，对出厂设置的温度重新设置。
4融冰设备的结构及布置
融冰设备由密闭的无缝方钢、加热装置、导热液、灌液管、传感器及控制系统组成。加热装置固定在密闭的方钢内，加热装置的加热管内放入电加热器，加热装置与方钢之间通过灌液管灌入适量的导热液，传感器系统与方钢固定，然后通过电缆与控制系统连接。
密闭方钢采用6mm×140mm×140mm的冷拔无缝方钢，材料为20钢，既保证了高密封性又保证了强度。加热装置的电加热管材料1Cr18Ni9Ti，规格直径57mm，厚3.5mm的钢管，温度升到一稳定值时，加热管内的加热器加温与放热平衡，不再升温，加热过程中，其表面温度低，没有明火，不会产生燃烧。
传热介质采用超导液，该液体是一种无色透明易挥发的无机化合物，化学性能稳定，高温不分解，其传热速度超过任何已知金属，且和铁、不锈钢、铜等金属容器有很好的相容性，且长期受热不结垢，无毒、无污染、无放射性，对人体无害，-30℃时正常使用，在300℃环境下不自燃。但其见光分解，因此必须放置在真空的密闭容器中。
压力传感器利用MAX1452专用芯片进行温度补偿和非线性校正，在-25℃～80℃温度区间测量精度在1%以内，输出0.5～2.5V电压信号或4～20mA电流信号。
温度传感器由陶瓷基片和薄层的激光烧刻的铂金层构成，其核心组成部分 热电阻采用PT100EN60751标准，在进行严格工艺的封装后，用以直接测量液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。灌液管的套管、温度传感器及压力传感器的套管材料均为1Cr18Ni9Ti。
控制系统可控制弧门埋件的全部6路加热器，采用西门子S7-300可编程序控制器作为主控制器，监控由传感器输送的温度、电流、压力等信号，自动对输出功率进行调节，环境温度较低时加大加热量，环境温度较高时减少加热量，从而使闸门系统维持在稳定的温度之上，控制温度可精确到0.1℃，并具有故障自动报警功能。故障时可切换为手动方式，保障使用安全。
每孔埋件设置1套融冰设备，每套融冰设备配2套加热装置，2套加热装置分别布置在两侧埋件的空腔内，所有加热设备共用1个控制柜，控制柜与弧门液压启闭机共用1个启闭机室；通过电缆埋管与融冰设备连接。具体布置：①将需要加热的埋件设计成密封空腔，融冰设备固定在空腔内，融冰设备与埋件间的空腔填充保温介质；②埋件空腔的顶部用封板封死，融冰设备顶部的压力传感器管、加热管、滴液管及融冰设备侧面的温度传感器管均穿过封板并与封板焊接牢固； ③从控制柜引动力电缆与加热管中的电加热器连接，引控制电缆分别与温度传感器和压力传感器连接。
5融冰设备的组装与试验
弧门埋件分为两节，其中顶节埋件装配有融冰设备。融冰设备在制造厂内整体制造，经打压试验合格后在制造厂内与顶节埋件进行整体组装。加热装置装配时可适当施压使其紧贴闸门埋件，两侧采用角焊缝间断焊接，焊长20mm，间断100mm，焊高4mm。连接后进行打压试验，试验合格后在其周围填充保温材料。
弧门埋件与三周封板焊接形成保温腔，在保温材料填充保温腔后，再焊接顶封板，顶封板应根据融冰装置加热套管的尺寸开孔，并与套管焊接牢固。最后在保温腔焊缝刷1层密封胶。埋件验收合格后，加热装置上端传感器及加热器接口用堵头拧紧并涂油保护。装配有融冰装置的闸门埋件整体运输。
融冰裝置的加热容器在与闸门埋件装配前后都要进行压力试验，安装好压力传感器并拧紧密封，然后灌注适量传热介质，抽真空使传热介质成负压状态，试验压力为2.0MPa，保压2h，不得有任何泄漏现象。压力试验后，安装导热液温度传感器、闸门埋件温度传感器和加热装置，再用电缆将加热装置、传感器和控制柜相连接。启动控制柜并按下相应加热管的加热按钮，当不需要加热时，按下停止按钮。根据初始温度和停止加热温度，确定每套加热管的功率6kW，每孔埋件的加热功率12kW。通过试验，模拟弧门埋件融冰设备运行工况，对其工作原理和保护功能进行验证，为以后埋件融冰设备现场安装、调试提供先期的基础性试验数据和经验，并检验加热管的热传导速率及均匀性、传感器的可靠性和准确性、电加热器和电控系统的安全可靠性。
6融冰设备的保温
本渠段位于河北省南部，属温带半湿润地带，东亚季风气候区，四季分明。 全年1月份温度最低，最冷月平均气温为－2．6℃～－3．5℃，抗冻设计属于寒冷气候区。
鉴于南水北调中线总干渠有冬季运行要求，为了保证金属结构在冰冻期正常运行， 需针对金属结构的设置部位、布置形式、运行工况，以及气温和冰情采取不同的防冰冻措施，防止金属结构物承受静冰压力；防止闸门活动部分与冰盖层冻结在一起，门槽埋件工作表面结冰等。由于南水北调中线总干渠采用定水位运行的方式，本渠段的节制闸和工作闸的弧型工作闸门需经常启闭，因此，这些闸的闸门在冬季冰期输水时应采取融冰措施。根据国内已建工程的实际运行经验，针对本工程的实际运行情况，采取保温及电加热融冰方案。该方案结合闸门启闭机室将弧型工作闸门布置在闸门室内，对整个闸室进行全封闭。根据本段实际气象条件分析，一般年份冬季闸室内水面不会结冰。在寒冷年份，当遇到强寒流持续降温时，闸室内有可能出现冰冻，影响闸门和液压启闭机的操作。此时可采取电加热的方式：将需要加热的埋件设计成密封空腔，并充装传热介质，把加热装置布置于密封空腔的一端，通过加热控制柜手动或电动控制加热装置，使附着在埋件和水封上的冰融化，确保闸门冰期操作时水封不被破坏，从而满足闸门的启闭要求。排冰闸挡水闸门和退水闸的工作闸门在冬季排冰时运行，采取保温及电加热融冰方案。分水闸为潜孔闸门，检修闸的检修闸门经常处于全开状态，不采取防冰冻措施。
参考文献
[1]常谢梅.南水北调工程新型弧形门埋件制作技术[J].水科学与工程技术，2011，（1）．
[2]吕传亮，崔海涛．弧形工作闸门冬季运行埋件加热系统设计[J]．水利与建筑工程学报，2012，（6）．