三主桿斜支臂弧形閘門制造控制技術

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江，614100)

三主桿斜支臂弧形閘門制造控制技術

袁永莉

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江，614100)

在水電站建設中，弧形鋼閘門支臂型式一般為兩主桿直支臂或兩主桿斜支臂，主橫梁式弧形多采用雙主梁形式。隨著大型水利水電工程的增多，門高增大，也開始采用三根、四根主橫梁的，支臂相應的亦采用三主桿、四主桿，也分別稱為三支臂弧門、四支臂弧門。三主桿、四主桿弧門較為少見，制作難度也較兩主桿大。本文以馬來西亞胡魯水電站PUAH壩溢洪道斜支臂弧形閘門為例，詳細介紹三主桿斜支臂弧形閘門的制作工藝控制，供類似產(chǎn)品制作參考。

弧形閘門 三主桿 斜支臂 工藝控制

1 引言

水電站弧形鋼閘門主要由門葉、支臂、支鉸和止水裝置四大部分組成。主橫梁式弧形閘門由水平次梁、垂直次梁和主橫梁共同組成梁格。面板支撐在梁格上并與梁格焊成整體，支臂與主橫梁用螺栓連接形成剛性框架，稱為主框架。通常主框架型式有直支臂∏形框架、斜支臂八字形框架和帶懸臂的直支臂∏形框架三種。

由中國水利水電第七工程局有限公司水工機械廠承建的馬來西亞胡魯水電站，PUAH壩溢洪道斜支臂弧形閘門為露頂式弧形閘門，制造數(shù)量為3扇。單套閘門設計重量126.712t(含附件)，孔口寬度為11m，設計水頭16.8m，弧門面板內(nèi)弧半徑20000±3mm，支鉸(球鉸)高9.3m，支鉸采用球面自潤滑軸承，支臂為斜支臂，水封為L型水封，封水寬11.0m，閘門操作條件為動水啟閉。閘門主要由支鉸、支臂結(jié)構(gòu)、門葉結(jié)構(gòu)、側(cè)輪及水封裝置組成。支臂型式為上、中、下三主桿斜支臂(左右對稱，支腿間采用豎桿和斜拉連接)，活動支鉸與支臂連接形式為高強度螺栓連接，吊點型式為雙吊點。閘門門葉結(jié)構(gòu)分七節(jié)制作，主橫梁在第三節(jié)、第五節(jié)、第七節(jié)門葉結(jié)構(gòu)上，主橫梁后翼與支臂間采用斜拉及豎桿連接，工地焊接，均為兩件左右對稱，單套支臂(2件)重25.589t?；⌒伍l門主要材料：門葉及支臂主體為Q345B。

由于弧門為三主桿斜支臂，支臂中間主桿未設置在支臂后端板的正中心，與后端板及支鉸水平中心線偏移了3mm，上、下兩主桿相對于中間主桿未對稱布置，且設計要求閘門所有一、二類焊縫及對接坡口焊縫清根焊透，這就給閘門的對裝、焊接、矯形增加了難度。

1、門葉結(jié)構(gòu) 2、支臂結(jié)構(gòu) 3、支鉸裝置

2 工藝方案

2.1 零部件制備

原材料采購計劃及工藝文件的準備→原材料及外協(xié)件、標件等進廠驗證→板、型材矯正門葉→零部件下料及坡口加工→邊梁、主梁、吊耳、支腿和豎桿等構(gòu)件的制作

2.2 門葉結(jié)構(gòu)整體組裝、焊接

弧門面板胎架準備、門葉面板卷弧→門葉面板在胎架上拼接→面板調(diào)弧后內(nèi)弧焊縫焊接→再次調(diào)整面板弧度→放樣、并在門葉面板上作出中心標記及水封螺孔中心線標記→門葉整體裝配(控制裝配間隙、主梁跨距、對角線差)→門葉整體焊接(邊梁、底小梁最后調(diào)整后焊接)→門葉翻面→面板背縫清根焊接、其余補充焊接→門葉矯形→門葉周邊余量切割、以面板中心為基準劃線切制門葉底緣斜面→門葉結(jié)構(gòu)(一)、(三)、(五)、(七)配作側(cè)輪裝置連接螺孔→以門葉中心標記為基準分別用水封壓板配鉆水封螺孔，側(cè)水封壓板按門葉分段配作面板上水封螺孔。

2.3 支臂整體組裝、焊接

在對裝平臺上放出支臂中心線、支腿中心線及支鉸中心→放置支臂連接板、支腿構(gòu)件及支臂后端板(注意調(diào)整后端板的垂直度，支臂腹板與支臂后端板的扭角及開口尺寸)→焊接支臂腹板、翼板與連接板的對接焊縫，最后焊后端板組合焊縫→整體矯形→支臂后端板、段間連接板端板銑削，支臂后端板用鉆模板配鉆螺孔。

2.4 閘門出廠前整體大組

在大組平臺上放地樣，先將支臂、斜拉、豎桿連接加固成一活動支鉸吊裝就位，調(diào)整軸孔同心→支臂就位，按地樣調(diào)整跨度、垂直度等并加固→再檢測支臂前后端尺寸→門葉側(cè)輪裝置裝配→門葉吊裝就位(從底節(jié)門葉開始、只吊裝門葉結(jié)構(gòu)(三～七)共四節(jié)，其余兩節(jié)與第一節(jié)在胎架上臥組)→門葉、支臂、活動鉸微調(diào)整→支撐加固→檢查驗收→門葉節(jié)間定位板裝配、焊接→支臂前端板裝配在主梁后翼上并與支臂焊接→整體預組檢測→門葉、支臂、活動鉸編號→劃出支臂前端板機加線→支臂、門葉拆除，機加支臂前端板。

3 焊接及變形控制技術

胡魯電站PUAH壩溢洪道斜支臂弧形閘門設計圖構(gòu)件主要材質(zhì)為Q345B，鋼板厚度為10mm～30mm的中厚板。一般國內(nèi)閘門制作按《水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范》(DLT5018-2004)要求：一類焊縫須清根焊透，二類焊縫未焊透深度不應大于板厚的25%，最大不超過4mm。該閘門門葉結(jié)構(gòu)部分設計尺寸，在制作過程中相對較容易控制。但馬來西亞胡魯電站采用DLT5018-2004規(guī)范的同時，還要求一、二類縫及所有對接坡口焊縫清根焊透，制作檢驗要求高于國內(nèi)標準。一、二類縫及所有對接坡口焊縫清根焊透直接導致閘門焊接應力、殘余變形量增大，變形控制難度增加，門葉的整體矯形量增大，且閘門為三主桿，比較二主桿增加了制作難度。我廠通過以下焊接措施有效控制閘門的焊接變形。

3.1 閘門構(gòu)件制作和門葉大組過程控制

由于閘門要求一、二類焊縫及坡口焊縫均清根焊透，為減小焊接變形和應力，在零件下料時，主梁、邊梁、支臂的腹板和翼板拼接、對接坡口由常規(guī)的Ⅴ形或K形切割下料，調(diào)整為U形或J形(有效減少焊縫的填充量，保證焊縫成形)，均采用刨邊機齊邊刨制，嚴格控制了零部件的外形和對裝尺寸；也有利于焊縫的外觀成形；考慮到裝配間隙對焊接變形和收縮的影響，在構(gòu)件制作和門葉結(jié)構(gòu)大組或支臂放地樣對裝時，控制對裝間隙在0mm～2mm，閘門整體焊前要加固，門葉后翼用角鋼(L100×10以上)支撐，各分段間用16mm×100mm×150mm板條長點焊，面板與弧形胎架應按1000mm×1000mm單元進行點焊加固。通過這些措施在一定程度上減小了門葉結(jié)構(gòu)及支臂結(jié)構(gòu)的整體焊接變形。

3.1.1 面板放樣

放樣時，根據(jù)閘門整體的焊接熔敷金屬量，門葉面板高度方向收縮余量按千分之一考慮，各構(gòu)件與面板拼接縫重合時，應將面板上焊縫余高磨平，以減小構(gòu)件與面板的間隙。

面板加固在弧形胎架上進行，普通閘門在制作時也需要鋼性加固，加固的間距通常為1000mm或者為1200mm。如果面板上加固點的間距過大，閘門在焊接過程中面板的局部變形得不到控制，閘門的平面度就無法保證。如果加固過密，焊工要在胎架底部施焊，會給焊接操作時增加難度，影響焊接質(zhì)量。溢洪道弧形閘門由于焊接量大，采用密集型鋼性加固，加固點間距為500mm。加固方式如圖2。

圖2 弧形閘門胎架上面板加固示意

加固時使用50mm～100mm寬的鋼板條把面板和弧形胎架連接在一起，加固點位置的焊縫要焊接牢固，防止在閘門焊接過程中加固點崩脫，影響質(zhì)量。

3.1.2 部件制備

閘門在制作時采取部件裝配法：將閘門總體分成若干個部分，將部件進行分散作業(yè)，部件的體積相對較小，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，制作時也相對容易，不受場地限制，對設備和工藝裝備的要求也可降低。如：在閘門主梁的制作中，將閘門主梁從整體制作中分開，先完成主梁的對裝、焊接及矯形，減少了主梁在閘門整體焊接時的變形量。在主梁單件制作完成后，及時進行主梁與支臂連接部位的機加工，避免了閘門在焊接完成后，主梁后端板受設備條件限制、機加工難度加大，影響后期面板加工質(zhì)量。便于對零部件進行準確定位和采取反變形等減少焊接變形的措施。即使產(chǎn)生焊后變形，由于部件較小，矯正起來也較容易。

3.1.3 拼裝

門葉結(jié)構(gòu)及支臂結(jié)構(gòu)是各個零部件通過焊接的方式連接成的整體，是相互聯(lián)系而又相互制約的一個有機體，因此在拼裝時，為保證弧門的質(zhì)量、減少變形，采取了以下措施：

(1)各拼接縫應結(jié)合緊密，局部間隙應控制在0mm～2mm以內(nèi)。如果構(gòu)件對裝間隙過大，必須先將部件補焊完成，用砂輪機打磨完成后進行對裝；

(2)各構(gòu)件需在自由狀態(tài)下拼裝，不允許強行頂和拉。因強行頂、拉會造成過大的內(nèi)應力，影響焊接質(zhì)量；如果發(fā)現(xiàn)部件錯位較大，應取下部件用火焰或者機械矯形達到要求后再進行裝配；

(3)各隔板、筋板在拼裝時，采用線錘吊線檢查的方法，保證其垂直度。

3.2 焊接工藝控制

3.2.1 焊接方法

閘門制造采用CO2氣體保護焊、埋弧自動焊和手工焊條電弧焊。

(1)埋弧自動焊用于閘門主、邊梁翼板與腹板組合焊縫的焊接；

(2)手工焊條電弧焊主要用于閘門拼裝過程中的定位焊接及部分主、邊梁一、二類焊縫焊接；

(3)CO2氣體保護焊用于埋弧自動焊、手工焊條電弧焊以外的其余焊縫焊接。

3.2.2 焊接基本程序

門葉焊接應遵循對稱施焊，按先立焊、再仰焊、最后平焊的原則進行。長焊縫(長于1000mm)焊接時應采取分段退步焊法(或分中退步焊法)。

3.2.3 構(gòu)件焊接

主梁、支腿工字梁焊接在“H”型鋼焊接生產(chǎn)線上完成。工字梁組裝完成，驗收合格后，加臨時支撐(每間隔1.5m左右一根，除最先焊的一側(cè)外)；支撐用不小于40的角鋼或余料切割；工字梁焊縫焊到相應的部位時再將支撐去除并打磨，注意不能傷及母材。

圖3 構(gòu)件焊接順序示意

圖3中1、2、3、4表示焊接順序，焊接時先焊主梁腹板與后翼板焊縫，然后焊主梁腹板與前翼板焊縫。注意焊縫焊接方向須保持一致，不得往返焊接。

焊接前在焊縫兩端設置引弧板和熄弧板，并在引弧板上起弧，熄弧板上收?。缓附油瓿珊?，應用砂輪機或火焰切割將其去除，嚴禁用錘擊法去除，切除時不得傷及母材，切后用砂輪機磨平，并認真檢查有無微裂紋。

表1 焊接工藝參數(shù)

3.2.4 門葉總體焊接

門葉總體順序為：主梁腹板與隔梁腹板立角焊縫→主梁翼板與隔梁腹板仰角焊縫→主梁翼板與隔梁翼板仰角焊縫→小梁與隔梁腹板立角焊縫→筋板與隔梁立角焊縫、仰角焊縫→主梁后翼與隔梁后翼間翼筋板焊縫→隔梁腹板與面板平角焊縫→主梁前翼板與面板平角焊縫→小梁與面板平角焊縫→邊梁腹板與主梁腹板組合焊縫→主梁腹板與邊梁翼板組合焊縫→邊梁腹板與面板組合焊縫→邊梁翼板與主梁翼板對接焊縫→門葉其余附件焊縫。

3.3 焊接基本條件

焊接設備必須具有參數(shù)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活和安全可靠性能，并能滿足焊接規(guī)范要求。

焊接材料應放置于通風、干燥、室內(nèi)溫度不低于5℃和相對濕度不超過60%的專設庫房內(nèi)，有專人保管、烘干和發(fā)放。使用前進行外觀檢查，并嚴格按照使用說明書規(guī)定進行烘焙。焊絲使用前必須清除表面油污和銹斑。

門葉零部件或整體組裝結(jié)束，必須經(jīng)廠質(zhì)量檢驗部門檢驗合格后方可施焊。

3.3.1 定位焊的一般要求

定位焊的質(zhì)量要求及工藝措施應與正式焊縫相同；定位焊應有一定的強度，但其厚度不應超過正式焊縫的1/2，通常為4mm～6mm；定位焊長度為30mm～60mm，定位焊間距不超過400mm。

3.3.2 焊接前準備

(1)焊接技術人員根據(jù)實際情況配備合理的施焊人員；

(2)焊接技術人員完成焊接前的技術交底，焊工全面了解并熟悉焊接工藝要求；

(3)焊接前根據(jù)焊接基本程序，在工件上明確標識焊接順序；

(4)焊工工具準備齊全，包括：焊鉗、面罩、焊條保溫筒、扁鏟、鋼絲刷、毛刷等；

(5)烘干后的焊條、焊劑應放于100℃～150℃恒溫箱內(nèi)，隨用隨取，烘干后的焊條置于保溫筒內(nèi)超過4h應重新烘干，重新烘干次數(shù)不宜超過兩次。

3.4 施焊過程中的基本要求

(1)雨天和雪天的露天施焊，手工焊條電弧焊施焊場地風速不大于8m/s，CO2氣體保護焊施焊場地風速不大于2m/s。環(huán)境溫度低于-10℃或相對濕度大于90%時，應采取有效的防護措施后方可施焊；

(2)施焊前焊工應對焊件的坡口進行清理及對質(zhì)量進行檢查，如發(fā)現(xiàn)尺寸超差或坡口及其附近有缺陷應及時提出，并進行修復；

(3)嚴禁在非焊接部位的母材上引弧、試電流及焊接臨時支架；

(4)多層多道焊時，應將每道的熔渣、飛濺物仔細清理，自檢合格后進行下層焊接；層間接頭應錯開30mm以上；

(5)除第一層和最后一層焊縫外，允許對中間焊縫進行錘擊，以降低焊接應力，防止產(chǎn)生焊接裂紋；

(6)電弧焊焊條擺動寬度應小于焊芯直徑的3倍。

3.5 焊縫質(zhì)量檢查

所有焊縫進行外觀質(zhì)量檢查，參照質(zhì)量標準：DL/T5018-2004；一、二類焊縫按DL/T5018-2004的規(guī)定作無損探傷檢驗。

馬來西亞胡魯電站工地現(xiàn)場在門槽口處對閘門進行了組裝，并將門葉吊至門槽工作位置。經(jīng)現(xiàn)場工程師檢驗試運行合格，閘門投入了正式使用。

4 結(jié)論

通過以上制作工藝方案及措施，成功地控制好了馬來西亞胡魯電站溢流壩弧形閘門制造的各項質(zhì)量指標，滿足了設計要求，目前已運行了近一年未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題。為類似產(chǎn)品的制作提供了很好的借鑒作用，值得在行業(yè)推廣。

〔1〕DL/T5018-2004，水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范[S].

〔2〕GB9448-88，焊接與切割安全[S].

〔3〕GB11345-89，鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級[S].

〔4〕陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

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2095-1809(2017)05-0038-05

袁永莉(1967-)，女，四川內(nèi)江人，工程師，大學本科，主要從事水電站金屬結(jié)構(gòu)制作技術工作。

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