老旧水电站闸门自动抓梁创新改造研究

引言

在水电站运行管理体系中，闸门自动抓梁脱钩装置作为实现闸门安全启闭的核心关键设备，其性能优劣直接关系到水库调度、电站防汛度汛安全、汛期和汛末水库排沙拉沙等重要工作的顺利实施，进而对水电站的安全稳定运行以及综合效益的充分发挥产生深远影响。青铜峡水电站作为典型的闸墩式、半露天低水头河床式电站，因其特殊的工程结构和运行环境，长期以来，泄水管工作闸门自动抓梁作为闸门核心启闭设备，自上世纪80 年代投入运行后，因脱钩装置设计缺陷导致故障频发，对水库调度、防汛度汛安全、汛期汛末水库排沙和拉沙以及生态环境稳定构成潜在威胁，制约枢纽安全运行。本文聚焦抓梁脱钩装置技术缺陷机理分析，提出并验证创新改造方案。

二.青铜峡水电站基本情况

2.1 电站概况

青铜峡水利枢纽工程是一座带泄水管的闸墩式、半露天低水头河床式电站，工程于 1958 年 8 月 26 日破土动工， 1978 年 12 月全部机组投产发电。枢纽工程主体由八个闸墩式电站（带泄水管）和七孔溢流坝相间布置组成，孔口多、闸门多为本工程的显著特点之一。

2.2 泄水管与闸门设置

电站在每个机组段设置有 2 个排沙底孔，也叫泄水管，主要用于电站汛期水库泄洪、排沙以及汛末水库拉沙降低水位等关键任务，在电站运行过程中发挥着至关重要的作用，是保障电站安全稳定运行和实现水资源合理调度的重要设施。八个闸墩式电站共布置15 扇潜孔式平板泄水管工作闸门（其中8 号机组1 扇工作闸门为卷扬式启闭机操作），启闭条件为动水启闭。电站运行 50 多年来，闸门启闭均由尾水 7 号（100T）行走门机搭配泄水管自动抓梁进行闸门启闭。抓梁在使用过程中时常出现故障，暴露出一系列问题，亟待进行改造。

三.泄水管自动抓梁改造前存在的问题及技术分析

3.1 结构复杂性导致的积沙与发卡问题

3.1.1 结构设计缺陷分析

改造前的自动抓梁脱钩装置采用复杂的机械联动结构，内部存在众多狭小缝隙与不规则空间（见图一）。在黄河高含沙水流工况下（年均含沙量 35kg/m³ ），泥沙极易侵入装置内部形成淤积，泥沙硬化导致抓爪运动副失效，造成脱钩装置卡阻故障，严重阻碍抓爪的正常开合，导致发卡现象频繁发生。

图一：改造前泄水管自动抓梁机构图（局部）

3.1.2 对运行的影响及案例分析

在历年水库汛期排沙和汛末拉沙作业中，抓梁积沙发卡故障导致卡爪无法自动脱钩，严重干扰水库正常调度。例如，1996 年 10 月水库汛末拉沙时，因抓梁故障，水位未能按照方案保持在 1145 米，而是下降至 1142米，只能采取作业人员乘吊篮进入门槽水下脱钩或拆装抓梁上游侧滑块正反轮（开启闸门装上正反轮，关闭闸门拆除正反轮），向上游行走小车方式进行泄工闸门的启闭操作，这不仅降低了排沙效率，还可能引发下游水位波动，对水利设施和生态环境造成潜在威胁。同时，增加了作业人员的劳动强度和面临高速水流冲击风险。在历年机组检修、水库汛期排沙和汛末拉沙作业中，因抓梁故障造成抓爪自动打不开、脱不了钩的情况屡见不鲜。

3.2 冬季结冰问题的技术机理

3.2.1 结冰原因剖析

从热力学角度分析，在冬季机组检修期间，现场环境温度较低（平均温度可达 -10℃左右），脱钩装置和抓爪等部件由于结构复杂，存在较多缝隙和凹陷部位，这些部位更容易积水，设备从水下提出后脱钩装置和抓爪表面存在的渗水在低温环境下迅速结冰形成冰层，结冰后，冰的硬度和体积变化会阻碍转动部件的正常运动，导致机械锁死设备无法正常工作。从材料学角度分析，原装置金属部件表面粗糙度较高，为水分子附着和冰晶生长提供了有利条件。同时，装置缺乏有效的防冻保温措施，进一步加剧了结冰现象。，

3.2.2 处理方式的弊端

面对结冰问题，传统采用喷灯火烤解冻耗时 2-3 小时/次，这种方法不仅耗费大量人力和时间，而且存在火灾隐患。此外，火焰高温可能导致金属部件局部退火，改变材料力学性能，降低部件强度和使用寿命。同时，燃烧产生的废气对周边环境造成污染，不符合环保要求。

3.2.3 衍生运行风险及结构损伤

拆除正反轮辅助启闭不仅费时费力，还易造成作业人员砸伤。同时，抓梁抓爪上原设计有定位销孔，造成局部应力集中，长时间来回转动磨损造成抓爪打不开和断裂现象，如：2019 年西侧抓爪因疲劳断裂。

四.改造工程实践

4.1 改造目标与可行性论证

本次改造旨在彻底解决原抓梁脱钩装置积沙发卡、冬季结冰不能正常使用问题，提升抓梁运行可靠性与操作便利性，降低运维成本和安全风险。通过对上游水电站同类结构抓梁的考察调研发现，其采用的机械结构已稳定运行数十年，证明该改造技术路线切实可行。同时，本次改造在保持抓梁整体结构、滑块正反轮、端轮、吊点距和抓爪材质不变情况下，仅对自动脱钩装置和抓爪重新进行设计和优化，对闸门自动挂装置局部进行改造，有效控制了改造难度、工作量和改造成本。

4.2 创新改造技术方案

4.2.1 核心技术创新

（1）椭圆支撑块定位与脱钩斜台

摒弃自动抓梁原有结构复杂的脱钩装置，对抓梁抓爪进行重新设计，取消定位销，创新采用在两侧抓爪内增设长轴 120mm 、短轴54mm 椭圆支撑块。同时，在闸门自动挂装置两侧增加脱钩斜台，当抓爪遇到阻碍下滑到一定角度后椭圆支撑块受外力连接手柄旋转变换角度实现 90°（挂钩）与 180°（脱钩）双稳态切换，将运动副数量由12 组减至2 组。

4.2.2 操作流程优化

（1）挂钩过程：挂钩时将脱钩操作手柄固定在抓梁上，使椭圆支撑块保持 90 度不动，落钩时抓爪直接与闸门上的蘑菇头连接，即可实现挂钩实现提门开启泄水管。操作方式简单、便捷，减少了因复杂结构导致的操作失误风险。如图二所示：

图二改造后抓梁挂钩状态

（2）脱钩过程：脱钩时，当抓爪下滑至脱钩斜台一定角度，且开度达到 220mm-240mm 时，支撑块在脱钩操作手柄的作用下由90 度位置转至180 度，阻碍了自动脱钩装置向回闭合，此时直接起钩就实现了闸门脱钩。通过椭圆支撑块的角度转换，巧妙地实现了脱钩功能，避免了卡爪无法打开的问题。如图三所示。

图三 改造后抓梁脱钩状态

4.2.3 改造后抓梁结构总图（如图四所示）

图四改造后泄水管自动抓梁结构图

4.3 方案优势

4.4 改造效果验证（2020 年 10 月∽2025 年 6 月）

4.4.1 可靠性提升

故障率归零：累计 368 次闸门启闭（含汛期高含沙工况），使用过程中无卡阻、脱钩失败记录，大大提升了自动抓梁的运行稳定性。

极端工况适应：-15℃低温下无需解冻操作。

4.4.2 效率与安全增益

彻底消除人工门槽作业风险，通过机械自动化将人工干预率降至 0% ，符合 GB/T 36073-2018 特种设备安全规范要求。同时，保障了电站机组检修和水库拉、排沙水位正常调节正常进行，避免了冬季喷灯火烤带来的环保问题，具有良好的社会效益。

五、结论

青铜峡水电站泄水管工作闸门自动抓梁脱钩装置改造是一次成功的技术实践。通过简化结构（部件减少75% ）、增设椭圆支撑块、触发机制创新（重力-斜面自锁）及防淤设计优化（开放结构）等技术改进措施，有效解决了设备投入运行40 多年以来存在的脱钩装置因积沙发卡、冬季结冰无法操作等问题。经过4 年多的实际检验，在各种复杂工况下，抓梁均未发生卡沙、无法脱钩等故障，充分验证了改造方案的科学性、有效性和可靠性。其技术路线对多泥沙河流水电工程具有普适价值，也为后续电站机组尾水闸门自动抓梁改造成功提供了可靠技术支撑和宝贵经验。

参考文献

[1]黄河青铜峡水利枢纽工程设计文件（1990）.

[2]青铜峡水电站水库运行年报（2020—2024 年）