興隆樞紐船閘人字門安裝變形控制措施研究

□王 超 □彭翔鵬（湖北省南水北調(diào)興隆水利樞紐工程建設(shè)管理處)

1 概述

興隆樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，是南水北調(diào)中線漢江中下游四項(xiàng)治理工程之一，同時(shí)也是漢江中下游水資源梯度開發(fā)的最后一級(jí)。興隆樞紐船閘為單線一級(jí)船閘，通航標(biāo)準(zhǔn)為1000 t級(jí)，其主體段由上、下閘首和閘室組成，總長(zhǎng)256m，航槽凈寬23m，上游通航水位為37.80m/35.90m，下游通航水位為37.80m/29.70m。在上、下閘首部位各布置了左右兩扇平面主橫梁式鋼質(zhì)人字閘門，寬14.00m，厚1.70m。其中上閘首人字門高10.15m，每扇由三節(jié)構(gòu)成，下閘首人字門高17.95m，每扇由六節(jié)構(gòu)成。每扇門葉通過(guò)單節(jié)門體節(jié)間現(xiàn)場(chǎng)組合拼裝、精度調(diào)整、焊接而成。

2 人字門安裝變形分析

人字門在安裝過(guò)程中的變形主要包括兩個(gè)方面，一方面為門葉現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接中的變形；另一方面為門葉焊接安裝完畢拆除支撐后處于自由懸掛狀態(tài)時(shí)由于自重產(chǎn)生的變形。人字門現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接由于空間及設(shè)備限制，一般采用傳統(tǒng)的手工電弧焊施焊，焊接由于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，受室外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響較大，若焊接變形出現(xiàn)超標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)條件很難進(jìn)行變形校正，因此采取合適的措施控制焊接變形是人字門安裝成敗的關(guān)鍵一環(huán)；自由懸掛狀態(tài)時(shí)的變形主要是人字門自重的影響而產(chǎn)生的扭曲變形，給門葉上的主、副背拉桿施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，借以提高人字門的抗扭剛度，實(shí)踐證明可以較好地控制扭曲變形的影響。

3 人字門體焊接變形控制措施

焊接變形在一般意義上可以分為焊縫縱向收縮變形、橫向收縮變形和焊縫回轉(zhuǎn)變形3種。在焊接實(shí)踐時(shí)，分析清楚焊件的主要變形方式，是選擇合適變形控制措施的基礎(chǔ)。由于人字門體自重較大，焊縫回轉(zhuǎn)變形可以通過(guò)門體自身進(jìn)行約束，可以不考慮。人字門的縱向長(zhǎng)焊縫主要是上游面板對(duì)接縫，下游面為空腔支撐結(jié)構(gòu)，縱向焊縫較少，且門體是由左右分段對(duì)稱焊接，因此其縱向收縮變形也可不作考慮。人字門門體結(jié)構(gòu)在橫向上不對(duì)稱，焊接過(guò)程中變形將不可避免地向上游門葉方向偏移，門體的橫向變形將導(dǎo)致門體沿高度方向收縮和向上游方向傾斜，因此橫向收縮變形的控制是人字門焊接時(shí)的主要考慮因素，在興隆樞紐人字門現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中主要采取了以下措施來(lái)控制變形量。

3.1 焊接前控制措施

3.1.1 預(yù)留反變形

門葉焊后的橫向收縮變形主要通過(guò)在單節(jié)門體拼裝過(guò)程中預(yù)留反變形來(lái)加以控制，即在門體拼裝時(shí)，使上節(jié)門體向下游方向作一定的傾斜，這樣焊縫橫向收縮后在理想狀態(tài)下將抵消掉預(yù)留的反變形。預(yù)留反變形數(shù)值合適與否是這項(xiàng)措施成功的關(guān)鍵，興隆船閘人字門采用單節(jié)門體高度的0.60‰～1.00‰，即3m高的單節(jié)門體，預(yù)留量在1.80～3mm之間，主要根據(jù)門體各節(jié)和底節(jié)之間的垂直度偏差在現(xiàn)場(chǎng)加以適當(dāng)調(diào)整。

3.1.2 剛性固定

人字門焊縫多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為達(dá)到焊縫變形小和焊接應(yīng)力盡量小的目的，本項(xiàng)目采用下節(jié)剛性固定，上節(jié)加柔性支撐的固定方法。在上節(jié)門體拼裝、調(diào)整達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，用型鋼將門體與閘墻預(yù)埋的鐵板凳連接，上節(jié)門體的連接型鋼數(shù)量須小于下節(jié)門體，使上節(jié)門體相對(duì)于下節(jié)門體來(lái)說(shuō)是柔性支撐結(jié)構(gòu)，這樣既約束了部分焊縫橫向收縮變形，又不至于使焊接應(yīng)力過(guò)大。

3.2 焊接中控制措施

3.2.1 合理的焊接順序

確定人字門焊接順序的總體原則是先定位焊端板和邊柱，橫向收縮大的焊縫先焊。具體焊接中應(yīng)先焊斜接柱端和門軸柱端，在保證人字門安裝精度的前提下由兩端到中間、由內(nèi)到外進(jìn)行施焊。因門體上游面的焊縫多于下游面，應(yīng)先焊下游面焊縫，這樣在面板焊接之前能夠增大門體抗焊剛度。

3.2.2 加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)

單節(jié)門體施焊完成后，應(yīng)給予充分的時(shí)間來(lái)釋放變形和應(yīng)力，待觀測(cè)穩(wěn)定后方可進(jìn)行下節(jié)門體的安裝。焊接中應(yīng)有專人實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形量，若焊接變形較大，應(yīng)及時(shí)停止施焊，分析失控原因，可以采取微調(diào)焊接參數(shù)或焊接順序方向等措施來(lái)進(jìn)行調(diào)控。

3.2.3 采用良好的施焊工藝

焊接時(shí)采用小電流多層多道焊、對(duì)稱、分段退步焊、焊接速度基本保持一致等措施；在門體面板焊縫對(duì)接焊接時(shí)，若調(diào)整后間隙較大，應(yīng)在焊縫坡口兩側(cè)堆焊至間隙<5mm左右后再進(jìn)行正常焊接；在焊接過(guò)程中，焊工應(yīng)及時(shí)錘擊焊縫以抵消掉部分焊接應(yīng)力的影響，減小焊縫變形。

3.3 焊接后控制措施

厚度>30mm的板材，焊縫焊接完成后進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，若達(dá)不到規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行返修，焊縫同一部位的返修不得超過(guò)兩次。其中對(duì)于厚度>36mm的板材，焊接后要立即進(jìn)行后熱消氫處理，后熱溫度為250~350℃，焊后立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理的焊縫可不作后熱消氫處理。斜接柱端和門軸柱端的焊縫焊后要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

4 人字門自由狀態(tài)下的變形控制措施

人字門屬于懸掛型薄壁結(jié)構(gòu)，沿水流方向結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，當(dāng)門葉焊接完成拆除各種外在約束后，門葉的實(shí)際重心將向上游面傾斜，將產(chǎn)生很大的扭曲變形，使門葉的斜接柱和門軸柱的直線度變大，影響了人字門的止水和受力情況。興隆船閘人字門采取在門葉的下游面上設(shè)置背拉桿，并施加合適預(yù)應(yīng)力的方法來(lái)克服門葉的扭曲變形，使門葉在拆除各種外在約束后，斜接柱和門軸柱直線度調(diào)整至滿足規(guī)范要求。

4.1 背拉桿的調(diào)整依據(jù)

興隆樞紐船閘人字門每扇門葉均設(shè)有一組預(yù)應(yīng)力背拉桿，上閘首人字門主背拉桿截面為220 mm×20 mm，副桿為220mm×14mm，下閘首人字門主背拉桿截面為300mm×25mm，副桿為250mm×25mm，均由船用DH36鋼制造，具有良好的力學(xué)性能。根據(jù)背拉桿預(yù)應(yīng)力優(yōu)化原則建立人字門背拉桿預(yù)應(yīng)力優(yōu)化模型，結(jié)合門形的實(shí)際情況擬定預(yù)應(yīng)力目標(biāo)值為：上閘首人字門主桿60~80MPa，副桿40~50MPa；下閘首人字門主桿70~80MPa，副桿55~65MPa。背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整后門形要求達(dá)到：?jiǎn)紊乳T葉自由懸掛狀態(tài)下門軸柱和斜接柱正面直線度小于規(guī)范要求值5mm；無(wú)水調(diào)試關(guān)門工況兩扇門能合攏，斜接柱承壓條接觸良好，兩邊縫間隙小于規(guī)范要求；無(wú)水調(diào)試及開、關(guān)門運(yùn)行狀態(tài)門葉跳動(dòng)量滿足規(guī)范要求。

4.2 背拉桿的調(diào)整過(guò)程

在背拉桿調(diào)整前閘門頂樞的鏜孔工作應(yīng)已完成，其與頂?shù)讟谢鶞?zhǔn)線的誤差應(yīng)在規(guī)定的公差±2mm范圍內(nèi)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)拉桿螺母的方法來(lái)施加預(yù)應(yīng)力，用5 t手拉葫蘆配合特制高強(qiáng)扳手來(lái)旋轉(zhuǎn)拉桿螺母，對(duì)背拉桿施加預(yù)應(yīng)力。加力次序?yàn)椋合戎鞅忱瓧U、后副背拉桿，最后微調(diào)。具體施工程序如下：先對(duì)主背拉桿多次循環(huán)加力，加力過(guò)程中隨時(shí)觀測(cè)并記錄主、副背拉桿應(yīng)力變化和門軸柱、斜接柱各測(cè)點(diǎn)門形的變化情況，以便隨時(shí)調(diào)整各桿施加預(yù)應(yīng)力的大小。對(duì)主桿施加應(yīng)力時(shí)，隨著門葉的變形，副桿預(yù)應(yīng)力自動(dòng)上升到一定值，然后再對(duì)副桿多次循環(huán)加力，直到副桿、主桿預(yù)應(yīng)力均達(dá)到預(yù)應(yīng)力目標(biāo)值的90%左右，最后再對(duì)主、副背拉桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行微調(diào)。

4.3 背拉桿的調(diào)整結(jié)果

施加預(yù)應(yīng)力后門體在自重作用下斜接柱、門軸柱直線度為2~4mm，底主梁下垂度均<5mm，在規(guī)范允許偏差5mm范圍內(nèi)。上閘首人字門主桿預(yù)應(yīng)力為71.70～71.50MPa左右、副桿為51.90～52.80MPa左右；下閘首人字門主桿預(yù)應(yīng)力為64.70～67.90MPa左右、副桿為58.60～60.60MPa左右。人字門背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整結(jié)果及門形滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了興隆樞紐船閘人字門的安裝情況，針對(duì)人字門的變形問題，提出了門葉現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接過(guò)程中的變形控制和門葉焊接完畢后處于自由懸掛狀態(tài)時(shí)的變形控制措施。在采取上述措施進(jìn)行變形控制后，在工程實(shí)踐中取得了良好的效果，人字門的累積變形量符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。但在后期運(yùn)行過(guò)程人字門的工況將更加復(fù)雜，保證人字門的變形量控制在一定的范圍內(nèi)將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作。

[1]劉孟穆.船閘人字門設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[2]孫文勇.興隆船閘人字門安裝技術(shù)剖析[J].黑龍江水利科技,2013(7):34-36.