阅读说明：本技术 冰冻隔水式带压检修止水装置 (Freezing water-separating type pressurized maintenance water-stopping device ) 是由 李志� 华明 邵春芬 田鸿彬 陆国荣 时勇 薛利君 乔天平 沈强 姚瑜嘉 付瑞婷 于 2019-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了冰冻隔水式带压检修止水装置,用于在更换填料盒内的软填料止水时,以冰冻方式形成隔水带；包括冷冻换热器、冷冻机和测温装置；冷冻机向冷冻换热器输冷冻液；冷冻换热器与填料盒连接,且连接的位置设有温度采集孔槽和工作孔槽；冷冻换热器呈内部中空的环形套在待更换软填料止水的轴上,从外到内依次包括外壳、隔热层、内腔和封板；内腔和封板围成容纳冷冻液的热交换区,封板用金属材料制成,且凹入冷冻换热器的内环面形成一环形的冷冻槽。本发明能够为更换损坏软填料止水创造无水安全的作业环境,且发明装置也可适用于类似密封结构,成本低、作业时间短、安全可靠且操作方便。(The invention discloses a frozen water-stop type pressurized maintenance water stopping device which is used for forming a water stopping strip in a freezing mode when a soft filler in a filler box is replaced for stopping water; comprises a refrigeration heat exchanger, a refrigerator and a temperature measuring device; the refrigerator conveys refrigerating fluid to the refrigerating heat exchanger; the freezing heat exchanger is connected with the stuffing box, and a temperature acquisition hole groove and a working hole groove are arranged at the connecting position; the refrigeration heat exchanger is annularly sleeved on a shaft for stopping water of the soft filler to be replaced in a hollow manner, and sequentially comprises a shell, a heat insulation layer, an inner cavity and a sealing plate from outside to inside; the inner cavity and the sealing plate enclose a heat exchange area for accommodating refrigerating fluid, and the sealing plate is made of metal materials and is recessed into the inner annular surface of the refrigerating heat exchanger to form an annular refrigerating groove. The invention can create a waterless safe operation environment for replacing the damaged soft packing to stop water, and the device can also be suitable for similar sealing structures, and has the advantages of low cost, short operation time, safety, reliability and convenient operation.)

冰冻隔水式带压检修止水装置

技术领域

本发明涉及水利工程更换维修技术领域，特别涉及冰冻隔水式带压检修止水装置。

背景技术

在现有技术中，水利工程中若需要对软填料止水进行更换维修，通常先拆除原止水(如盘根填料)，再装入新的止水材料，在拆除原止水过程中及安装完新的止水材料前会出现大量漏水甚至喷水，一方面不便于拆装施工作业，影响安装质量，严重的还可能危及作业人员的人身安全，另一方面大量漏水会引发水淹机房危险。

为避免上述事件影响，水利工程中软填料(如盘根)止水的损坏更换，现有技术通常在河道内做围堰断流或利用检修闸门断流，随后抽干作业空间水体，创造无水作业环境，施工作业期间还要采取一些安全措施维持无水环境(如断流防渗、持续排水等)，但断流作业时间长、难度和风险相对大、影响大，而且费用较高(措施成本远大于更换填料的费用)，尤其是在某些工况下还不具备断流作业条件。

因此，如何为更换损坏软填料止水创造无水安全的作业环境成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供冰冻隔水式带压检修止水装置，实现的目的是为更换损坏软填料止水创造无水安全的作业环境；软填料止水更换前，采用本发明装置，利用冷冻机制冷将软填料止水前端(河水侧)局部水体结冰，形成冰冻带隔水，软填料止水更换结束后，停止冷冻机制冷，软填料止水前端(河水侧)的冰冻带会慢慢升温后融化成水，恢复至检修前的完好状态，且发明装置也可适用于类似密封结构(不限于软填料止水)，其成本低、作业时间短、安全可靠且操作方便。

为实现上述目的，本发明公开了冰冻隔水式带压检修止水装置，用于在更换填料盒内的软填料止水时，以冰冻方式形成隔水带；包括冷冻换热器、冷冻机和测温装置；所述冷冻机向所述冷冻换热器输冷冻液。

其中，所述冷冻换热器与所述填料盒连接；所述填料盒与所述冷冻换热器连接的位置设有温度采集孔槽和工作孔槽；

所述温度采集孔槽内设有所述测温装置的温度传感器，用于采集和观测所述冷冻换热器附近水体的温度；

所述工作孔槽与所述冷冻换热器附近水体连通，用于观测所述冷冻换热器附近水体是否结冰密封阻水成功，或者用作泥状填料等类似材料注入填充；

所述冷冻换热器呈内部中空的环形套在待更换所述软填料止水的轴上，从外到内依次包括外壳、隔热层、内腔和封板；

所述内腔和所述封板围成容纳所述冷冻液的热交换区，所述封板用金属材料制成，且凹入所述冷冻换热器的内环面形成一环形的冷冻槽。

优选的，所述软填料止水通过压盖固定于所述填料盒内，所述压盖外侧的下部设有小凹槽。

优选的，所述冷冻换热器与所述填料盒通过焊接方式连接。

优选的，所述冷冻机与所述冷冻换热器之间通过冷冻液输送管连接。

更优选的，所述内腔和所述封板围成的所述热交换区内设有小隔板分隔所述冷冻液输送管的输入口和输出口。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用全新的冰冻技术进行密封隔水堵漏，是概念上的创新；

(2)本发明对防漏介质(水，下同)直接进行降温，利用介质材料的特性达到自密封和自消融的效果，降温时冰冻密封堵漏，升温解冻后形成水体润滑，不影响轴的运转；

(3)本发明冰冻密封堵漏材料为水体，现地取材利用，无需更换，对环境友好；

(4)本发明冷冻换热器主体外部结构采用低导热的不锈钢材质，同时内、外圈之间用聚氨酯发泡剂做保温，减少能量损耗；

(5)本发明旋转轴表面采用导热系数小的材料包裹做隔热层(如聚胺酯弹性体、不锈钢套管(套管与轴之间用环氧树脂粘结)、玻璃钢或碳纤维缠绕、喷涂保温陶瓷等)，减少能耗的同时，保护轴结构不受低温冷脆的影响；

(6)本发明利用常规方法在下游侧(背水侧)临时堵水，如在填料压盖外侧和后侧进行临时堵漏，并还可利用工作孔槽注入泥状填料类软物质，减小冰冻时的漏水量和流速，实际可实现漏水量为0，有效避免了“流水难冻”的难题，提高冰冻效率，减小能量损耗。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明一实施例的结构示意图。

图2示出本发明一实施例中冷冻换热器套在轴上的结构示意图。

图3示出本发明图2中AA向剖面结构示意图。

图4示出本发明图2中I处局部放大结构示意图。

图5示出本发明一实施例的模型装置组装图。

图6示出本发明一实施例的模型装置现场安装示意图。

图7示出本发明一实施例工况一的运行状态示意图。

图8示出本发明一实施例工况二的运行状态示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1至图4所示，冰冻隔水式带压检修止水装置，用于在更换填料盒1内的软填料止水11时，以冰冻方式形成隔水带；包括冷冻换热器3、冷冻机4和测温装置5；冷冻机4向冷冻换热器3输冷冻液。

其中，冷冻换热器3与填料盒1连接；填料盒1与冷冻换热器3连接的位置设有温度采集孔槽和工作孔槽12；

温度采集孔槽内设有测温装置5的温度传感器51，用于采集和观测冷冻换热器3附近水体的温度；

工作孔槽12与冷冻换热器3附近水体连通，用于观测冷冻换热器3附近水体是否结冰密封阻水成功，或者用作泥状填料等类似材料注入填充；

冷冻换热器3呈内部中空的环形套在待更换软填料止水11的轴6上，从外到内依次包括外壳31、隔热层32、内腔33和封板34；

内腔33和封板34围成容纳冷冻液的热交换区，封板34用金属材料制成，且凹入冷冻换热器3的内环面形成一环形的冷冻槽35。

软填料止水11通过压盖2固定于填料盒1内，压盖2外侧的下部设有小凹槽21。

冷冻换热器3与填料盒1通过焊接方式连接。

冷冻机4与冷冻换热器3之间通过冷冻液输送管41连接。

内腔33和封板34围成的热交换区内设有小隔板36分隔冷冻液输送管41的输入口和输出口。

本发明的工作原理如下：本发明是在软填料止水11的前端(河水侧)制作一套冷冻换热器装置；更换维修软填料止水11之前，在压盖2的外侧和后侧采取常规措施临时堵漏(减小渗漏水流速，为冰冻创造条件)，再用冷冻机将-15℃至-10℃冷冻液输入冷冻换热器3中，并不停循环，将冷冻换热器3与轴6之间的局部水体降温，使之结冰，形成冰冻带隔水，从而达到在软填料止水11前端(河水侧)临时密封堵水的作用。

其中，冷冻机4为常规普通机型，由压缩机、水泵、温控器等组成，冷冻液为乙二醇防冻液，冰点温度为-15℃(可更低)，可由温控器设置冷冻温度。

测温装置5主要由温度传感器51和温度巡检仪组成，温度传感器51实时采集冷冻换热器3附近水体温度，并将信号输出到温度巡检仪(实时显示)，温度巡检仪也可外接电脑自动记录温度数据并保存；

其他辅件还包括冷冻换热器3与冷冻机4之间的管路及其保温材料、阀门、工作孔槽的封闭螺栓等，均为常规零件。

采用本装置，事先在下游侧(背水侧)临时堵漏情况下(可实现漏水量为0)，可将冷冻换热器与轴之间很少量的水体在1.5至3小时内快速冰冻密封隔水(冰冻隔水时间长短与冷冻槽深度、渗漏水的情况、轴的保温措施、环境温度等有关)，为更换止水创造无水作业环境，省时省力，成本低、操作方便、安全可靠。

冰冻隔水的原理如下：

原理1、水的三相性能：标准气压下，水的凝固点：0℃，沸点：100℃；

原理2、冰的力学性能：冰的抗压强度0.3至5.5MPa(一定温度范围内，温度越低，强度越高)，抗剪强度约为抗压强度的1/2，冰与钢的粘结强度约为0.7至0.8MPa；

原理3、冰冻密封原理：根据原理2中冰的力学性能，抗剪强度最低，约为抗压强度的1/2，为提高承压能力，可增加剪切面面积，即增大冰圈宽度，使冰圈宽度与承压面(接触面)厚度之比不低于2。

在本发明中，冷冻换热器与轴之间形成的冰圈宽度40mm，冷冻换热器内腔封板与轴之间最大距离4至5mm，即冰圈的最大承压面(接触面)厚度4至5mm，冰圈抗剪面积与受压接触面积之比约为8至10，故从理论上讲冰圈可承受至少0.3MPa的压力，即30m的水头差；

原理4、冰冻过程：冷冻机向冷冻换热器内持续输入-15℃至-10℃冷冻液，透过冷冻换热器内腔封板将轴与冷冻换热器之间(即冷冻槽中)的水体热量带走，水体不断降温，当水体温度降到0℃以下时，水开始变成固态冰，在冷冻槽中形成冰圈密封阻水，隔断软填料止水前端(河水侧)水体。形成冰圈后，至检修完成前，冷冻机持续工作，-15℃至-10℃冷冻液持续不断地输入冷冻换热器，冰圈周围环境传入的热量与冷冻机输入的制冷量会达到平衡，维持冰圈始终处于结冰状态，以达到持续阻水的效果，确保无水安全作业条件；

原理5、保温提效：冷冻换热器外壳与内腔之间填充聚氨酯发泡剂保温(导热系数约为0.023w/m.k)，轴的表面做隔热处理，如采用聚胺酯弹性体(聚四氢呋喃)包覆(导热系数约为0.06w/m.k)，冷冻换热器内腔封板截面厚度较小(向两侧的导热面积较小)，可有效隔热保温，提高冰冻效率；

原理6、制冷功率：通过上述原理5的隔热保温措施，冰冻过程中的传热方式主要是：热传导和对流传热。

热传导：冷冻槽内的水体透过封板与冷冻换热器内腔-15℃至-10℃冷冻液之间的热传导，冷冻换热器前端内圈与轴的间隙1至2mm(或更小)，冷冻槽深1至3mm、宽40mm，需要降温结冰的水体体积量很小(例如：水圈带厚h＝2至5mm、宽b＝40mm，轴半径为r＝265mm，水圈体积V＝π((r+h)²-r²)b，水圈体积V≈133至336ml)。

对流传热：内腔内侧冷冻槽内水体降温后与两侧水体存在温差，水会通过冷冻槽两侧仅1至2mm(或更小)缝隙形成对流传热，因靠近冷冻槽封板水体结冰后，冰将冷冻槽封板表面覆盖，内侧未结冰水体制冷需经过此结冰层，冰的导热系数约2.23w/m.k，故降温结冰过程相对缓慢，且水的对流通道缝隙又很小，对流传热相对也较小。

上述两种传热方式需要的制冷量较小，相应普通冷冻机就能满足要求，制冷冰冻时间也相对较短；

原理7、冻胀问题：由于冰冻区域为局部范围，冰冻过程是由冷冻槽向轴方向慢慢结冰，冰冻范围的两侧水体是处于自由扩张状态，而非密闭环境，因此不会发生冻胀问题。

实施例2

本发明在实际工程中暂无应用，但为了验证冰冻堵漏的可行性，获取更多有效数据，参照水利工程中底轴驱动翻板门(俗称钢坝)的穿墙止水结构，进行了一系列的模型试验。

由于测试数据较多，本文不再赘述，仅摘取其中两次试验内容和数据进行说明。两次试验的情况为：工况一：临时堵漏，使漏水量为0后再冰冻；工况二：模拟少量漏水状态冰冻，即一边少量漏水一边冰冻。

1、模型结构(如图5)

(1)冷冻换热器：冷冻槽深度为3mm，内宽40mm。

(2)底轴：底轴钢管壁厚10mm，外径510mm，外部用10mm厚聚胺酯弹性体(聚四氢呋喃)封套包裹保温，底轴的总外径530mm；

(3)冷冻机：型号为ICA-3L，制冷量3.1KW，最低冷冻温度-15℃，冷冻液流量8.8L/min；

(4)测温装置：温度传感器(Pt100)共4只，一周上均匀分布，量程为-15℃～+100℃，4～20mA信号输出，温度巡检仪(图中未示)1台，外接电脑(图中未示)保存温度数据；

(5)底轴内侧安装8只M8螺丝，用于调节底轴与填料盒之间的间隙。

2、模型现场安装情况

(1)水头差模拟：装置前端(图5中左侧)制作一个圆柱形水箱，外接自来水(自来水龙头位置标高约2.00m)，装置整体放置在一座泵闸的水泵层(标高-3.40m)，利用位置的高低差和自来水的压力模拟水头差，具体见图6；

(2)模型装置下部用支架支撑固定(图中未示)，模型装置本身结构同前，不再描述。

3、工况一具体操作步骤如下：

(1)在压盖与填料盒外侧用“橡胶+抱箍”①、压盖后侧(图7中右侧)用挡圈②和“橡胶+抱箍”③等进行“抱紧挤压”常规方法临时在下游侧(背水侧)封堵，使漏水量为0，见图7；

(2)连接冷冻机与冷冻换热器的管路，连接温度传感器与温度巡检仪之间的线路，设置冷冻机温度为-15℃，启动冷冻机并向冷冻换热器输入冷冻液，并不停循环；

(3)冰冻过程中，实测水箱水压为0.22MPa，环境温度为13.4℃～13.8℃，自来水温度为16.2℃，冷冻换热器周边的4个测温点温度开始下降较快，后期温度下降较慢，当4个点的温度在-0.9℃～+2.4℃时(测温点离冰冻圈有一定距离)，打开工作孔槽上的观察孔螺丝，无漏水，冰冻密封阻水成功；

(4)拆除“橡胶+抱箍”①、挡圈②和“橡胶+抱箍”③等常规临时堵水零件，拆除压盖，拆除盘根，安装新盘根，安装压盖(未完全压紧)；在拆换盘根止水过程中，4个测温点的温度还在缓慢下降；

(5)盘根更换完毕，关闭冷冻机，拧上工作孔槽上观察孔螺丝，4个测温点的温度慢慢上升，填料压盖处有水漏出，当恢复至检修前的状态后收紧压盖；

(6)整个过程中底轴内表面最低温度+5.8℃，冰冻密封阻水耗时2.5小时，冰冻密封阻水后，在拆换盘根止水过程中无漏水情况。

4、工况二具体操作步骤如下：

(1)在工况一的原型上，调松“橡胶+抱箍”①、下游侧挡圈②和“橡胶+抱箍”③，调节盘根压盖松紧，见图8，调节水水龙头开度，控制水箱水压为0.12MPa，测定漏水量为5.2mL/s，呈流水状(远超过规范允许的滴水不成线要求)；

(2)启动冷冻机向冷冻换热器供冷，同工况一(2)；

(3)冰冻过程中，环境温度为12.4℃～13.2℃，自来水温度为15.9℃，冷冻换热器周边的4个测温点温度开始下降较快，后期下降较慢，当4个点的温度在-2.8℃～+0.8℃时(测温点离冰冻圈有一定距离)，漏水停止，打开工作孔槽上的观察孔螺丝，无漏水，冰冻密封阻水成功；

(4)拆换止水过程与工况一的(4)、(5)相同；

(5)整个过程中底轴内表面最低温度+4.0℃，冰冻密封阻水耗时4.3小时，冰冻密封阻水后，在拆换盘根止水过程中无漏水情况。

注：工况二还可采取在工作孔槽观察孔注入适当软填料，实现减小漏水量或完全无漏水，可进一步缩短冰冻时长。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。