雙拱空間網(wǎng)架平面鋼閘門的制造工藝

江 舸,徐海娜

(浙江寶業(yè)鋼結(jié)構(gòu)有限公司,浙江 紹興 312030)

1 前 言

曹娥江大閘樞紐工程是浙江省重點工程,也是我國在強涌潮河口建設(shè)的第一大閘,位于紹興市錢塘江下游右岸主要支流曹娥江河口。擋潮泄洪閘位于曹娥江左側(cè)河床上,總凈寬 560m,共設(shè) 28孔,每孔凈寬 20m。

擋潮泄洪閘工作閘門為雙拱空間網(wǎng)架平面鋼閘門。這是我國首次應(yīng)用于強涌潮河口地區(qū)的一種新型擋潮鋼閘門,不僅能有效解決潮涌沖擊力對閘門的影響,消除共振,提高閘門的使用壽命,還容易從涌潮帶來的淤沙中提升,降低閘門啟閉力;此外還具有自重輕、剛度好等優(yōu)點。閘門寬 21.74m,高5.5m,拱頂至面板距離 3.8m,重達 118t。目前,國內(nèi)外尚無此類閘門的制作經(jīng)驗可以借鑒。閘門結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 雙拱空間網(wǎng)架平面鋼閘門

2 主要結(jié)構(gòu)特點和制作難點

雙拱空間網(wǎng)架平面鋼閘門由空間管桁架和平面鋼結(jié)構(gòu)組成,結(jié)構(gòu)比較特殊,在制作過程中,應(yīng)注意以下特點和技術(shù)難點:

(1)材料成本控制。該閘門結(jié)構(gòu)形式特殊,構(gòu)件規(guī)格多,形狀不規(guī)則,需進行合理的排料,有效提高材料利用率,降低制作成本。

(2)雙拱鋼管彎制質(zhì)量控制。閘門空間管桁架雙拱鋼管的彎曲曲線為拋物線 +多次方的函數(shù),制作要求鋼管彎曲成型的外徑不得大于 ±2mm設(shè)計外徑及設(shè)計外徑的 0.5%中的較小值,壁厚與設(shè)計壁厚的差值不得大于 ±1mm及設(shè)計壁厚的 10%中的較小值。彎制鋼管的規(guī)格主要有 φ530×18和φ402×14,直徑大,管壁厚,彎制質(zhì)量較難控制。

(3)拼裝累計誤差控制。閘門由空間管桁架和平面鋼結(jié)構(gòu)兩部分組成,外形尺寸大,結(jié)構(gòu)特殊,制作精度要求高,因此需對每道工序進行嚴格的質(zhì)量控制,保證閘門整體尺寸的準確性。

(4)焊縫質(zhì)量及焊接變形控制。閘門與面板連接的焊縫占閘門整體焊縫的五分之四,且大多構(gòu)件需在空間位置進行拼裝焊接,焊縫多且分布極不均勻,焊縫質(zhì)量及焊接變形控制難度大。

(5)安全及進度控制。閘門外形尺寸大,重量大,制作過程中應(yīng)在保證安全的前提下,采取合理的措施加快制作進度。

3 技術(shù)工藝措施

鋼管彎制、單榀桁架制作、閘門總拼裝焊接、閘門翻身是該閘門制作過程中的主要難點。針對這些特點,結(jié)合傳統(tǒng)水工類閘門的制作經(jīng)驗,經(jīng)過多次局部模擬實驗和專家論證會的充分論證,研究制定了相應(yīng)的方案措施,并在生產(chǎn)過程中對工藝方案加以改進完善,保證了制造質(zhì)量,閘門順利通過驗收。采取的主要措施如下:

3.1 鋼管彎制

(1)制作曲線靠模:鋼管冷彎后容易出現(xiàn)折皺、橢圓等現(xiàn)象,難以滿足設(shè)計要求。為解決此難題,用型材和鋼板特別制作了一個長 4.8m的曲線頂推靠模,靠模的弧度考慮適當?shù)姆磸椨嗔?有效地控制了鋼管彎制的精確度?？磕＝Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 鋼管彎制工裝示意

(2)彎制工藝:將鋼管吊至冷彎工裝工作臺上,鋼管兩端鉸接,在中間區(qū)域通過大型油壓機頂推曲線靠模至鋼管拱度符合要求,再將鋼管移位后頂推下一直段,按順序逐步完成整個鋼管的彎制。每次鋼管移位時都應(yīng)保證靠模中心與兩支鉸點的鋼管中心在同一個水平面上,以確保整個彎管的平面度,防止在連續(xù)彎制過程中鋼管發(fā)生扭曲。鋼管彎制成型后經(jīng)校驗若存在誤差,再進行局部頂推修正,直到幾何尺寸完全符合設(shè)計及規(guī)范要求。

3.2 魚腹式單榀桁架制作

每扇閘門由四榀管桁架組成,每榀管桁架由不同規(guī)格的焊接鋼管和無縫鋼管組成。拼裝前搭設(shè)拼裝胎架,胎架平面度控制在 2mm之內(nèi)。拼裝順序:首先在拼裝大樣胎架上就位下弦桿,然后依次拼裝中間最長的直腹桿→中部上弦桿 2→其余直腹桿,最后拼裝外圍上弦桿 1(見圖3)。

圖3 閘門單榀桁架結(jié)構(gòu)示意

組拼過程中應(yīng)注意:相貫口的間隙必須符合規(guī)范要求,尤其是上弦桿與下弦桿的相貫口為手工切割,如間隙過大則應(yīng)進行堆焊,修磨合格后方能組拼,所有鋼管上胎架后必須對準大樣。拼裝完成后,進行桁架的整體焊接,最后切割弦桿兩端與門體連接的相貫口。

3.3 閘門整體拼裝

根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)形式,將閘門分解成獨立的最大構(gòu)件單元單獨制作。如:面板、水平梁系、支承座、雙拱管桁架、邊梁等均先獨立組裝焊接調(diào)形,單件制作完成檢查合格后再參與閘門整體拼裝。這樣既可減少閘門整體焊接時的工作量和焊接變形,又可最大程度地減少累計誤差,保證閘門制作精度,同時也大大加快了制作進度。

閘門整體拼裝采用臥倒式拼裝法,即面板朝下,管桁架朝上。拼裝順序:在拼裝平臺上鋪設(shè)面板→在面板上劃出水平梁系的位置線→拼裝水平梁系→拼裝四榀雙拱管桁架→拼裝兩側(cè)下弦支承座→拼裝兩側(cè)邊梁。閘門整體定位后拼裝完成,檢查整體幾何尺寸,合格后進行整體焊接(見圖1、4)。

圖4 面板梁系布置示意

拼裝過程應(yīng)注意:

(1)面板應(yīng)與拼裝平臺貼實,梁系位置線清晰、準確,以減少閘門拼裝累計誤差,確保拼裝精度;

(2)梁系、隔板以及雙拱空間管桁架拼裝時,均應(yīng)注意控制拼裝間隙和垂直度;

(3)支承座拼裝時,應(yīng)注意其與管桁間的相貫連接間隙。

3.4 閘門整體焊接

焊接是閘門成型的主要工序。由于面板上水平梁系(方箱梁)、隔板較多,焊接量非常大,加上構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式特殊,焊接時如果控制不當,極易引起焊接變形;而一旦發(fā)生整體焊接變形(如面板內(nèi)凹或扭曲過大),將很難補救,意味著整個閘門可能報廢。

經(jīng)過反復(fù)模擬焊接實驗,確定了本閘門的整體焊接原則及順序:電焊工焊位對稱布置,按從中間向四周、從管桁向面板擴散的原則,采用小線能量對稱焊、退步焊、跳焊和氣體保護焊等工藝措施,從而有效控制了閘門整體的焊接變形,閘門幾何尺寸完全符合設(shè)計及相應(yīng)規(guī)范標準的要求。

3.5 閘門翻身及總預(yù)拼

閘門根據(jù)起重、運輸條件分二節(jié)制作,最重單節(jié)重約 62t。為順利實現(xiàn)閘門多次翻身,同時確保廠內(nèi)32t吊車的運行安全,設(shè)計了一個專門用于閘門旋轉(zhuǎn)的翻身機構(gòu)。該機構(gòu)操作簡單、安全、高效快捷(見圖5)。

圖5 閘門翻身機構(gòu)

在單節(jié)閘門兩側(cè)邊梁上焊接臨時翻轉(zhuǎn)用的軸承,軸承設(shè)置在旋轉(zhuǎn)半徑最小、受力最合理的位置。單節(jié)閘門用兩臺 32t的吊車水平抬吊至翻身機構(gòu)上,將閘門邊梁兩側(cè)的臨時轉(zhuǎn)軸卡入機構(gòu)的半圓承托上,吊車慢慢松鉤,單節(jié)閘門通過轉(zhuǎn)軸自然旋轉(zhuǎn)成一定的角度,然后吊車從另一側(cè)吊起閘門,旋轉(zhuǎn)至180°,面板朝上,完成翻身。

閘門翻身后,在預(yù)拼馬凳上進行面板調(diào)形、總預(yù)拼裝和止水座等構(gòu)件的拼裝。閘門翻身工裝和預(yù)拼馬凳的結(jié)構(gòu)形式及截面尺寸,根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)形式及分節(jié)后閘門的重心位置確定。閘門拆分前,在面板及邊梁上焊接現(xiàn)場安裝定位塊;總預(yù)拼時采用油尼龍滑塊使閘門合攏,然后進行面板劃線、邊緣切割以及止水座、滑塊座、閘門吊耳等構(gòu)件的拼裝焊接。

3.6 止水座安裝

將止水座工作面銑平后裝配到閘門上,再通過高削低補的方法來調(diào)整止水座與閘門的間隙,從而確保整個閘門止水座平整度達到要求,提高了效率,節(jié)約了成本。

3.7 閘門防腐

為確保閘門噴涂時溫度、濕度和無風(fēng)的要求,建造了兩座全封閉式專用廠房,分別進行閘門表面預(yù)處理和涂裝,并在防腐過程中采用強排風(fēng)和水吸除塵法,既保證了涂裝質(zhì)量,也消除了浮塵對環(huán)境的污染。

3.8 其 他

除上以外,對整個閘門的單件下料、拼裝、焊接、調(diào)形、劃線、整體組裝等一系列工藝流程都制定了專門的工藝指導(dǎo)書和控制焊接變形的工藝措施。

4 檢驗依據(jù)及結(jié)果

因閘門結(jié)構(gòu)形式特殊,根據(jù)設(shè)計圖紙要求,閘門平面部分的結(jié)構(gòu)尺寸、整體焊縫質(zhì)量及防腐質(zhì)量,按《水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范》進行檢查。閘門空間網(wǎng)架部分的制作按GB50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》和 JGJ81-2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》檢查。鋼管彎制及對接,則按 SY/T5257-2004《油氣輸送用鋼制彎管》和 DL/T5017-93《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》進行檢查。經(jīng)監(jiān)理、業(yè)主、設(shè)計和安裝單位對閘門進行整體結(jié)構(gòu)驗收,閘門制作質(zhì)量滿足使用功能和規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

通過對產(chǎn)品全過程的質(zhì)量控制,并不斷優(yōu)化改進技術(shù)工藝,成功地完成了閘門制作任務(wù)。目前,28扇雙拱空間網(wǎng)架平面鋼閘門已全部順利安裝完成。閘門與門槽配合嚴密,雙拱鋼管曲線光滑流暢,閘門底緣平直如線,整體結(jié)構(gòu)美觀大方。并已順利通過了專家組的通水驗收,被評為優(yōu)良工程,整體工程將申報魯班獎。

[1]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊[M].第 2版.北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[2]北京鋼鐵設(shè)計研究總院.GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[S].北京:中國計劃出版社.2003.