亭子口水利樞紐升船機(jī)承船廂制作工藝

(嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

嘉陵江亭子口水利樞紐升船機(jī)采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)全平衡垂直提升型式，過(guò)船規(guī)模2×500t級(jí)。承船廂布置在由上、下閘首及塔柱構(gòu)成的船廂室內(nèi)，船廂室長(zhǎng)(順?biāo)鞣较?128.4m，寬(垂直水流方向)18.6m。承船廂為鋼質(zhì)槽型薄壁結(jié)構(gòu)，兩端分別設(shè)一扇臥倒閘門(mén)，閘門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，船廂內(nèi)形成封閉水域，為通航船舶提供濕運(yùn)過(guò)壩條件。承船廂由136根鋼絲繩懸吊，并通過(guò)主提升機(jī)驅(qū)動(dòng)，在船廂室內(nèi)沿埋設(shè)在塔柱墻壁上的軌道豎直升降。船廂有效水域尺寸為116.0m×12.0m×2.5m(長(zhǎng)×寬×水深)，外形尺寸為128.0m×16.6m×9.0m(長(zhǎng)×寬×廂頭高)，船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備加廂內(nèi)水體總重約6250t。

1 承船廂結(jié)構(gòu)概況

亭子口升船機(jī)承船廂由廂體結(jié)構(gòu)和船廂設(shè)備組成，廂體結(jié)構(gòu)包括主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)，船廂設(shè)備包括各種功能的機(jī)械設(shè)備、電氣控制和檢測(cè)設(shè)備等。

(1)廂體結(jié)構(gòu)：包括承船廂廂體、護(hù)舷、系纜裝置、臥倒門(mén)門(mén)槽、檢修門(mén)門(mén)槽、防撞裝置導(dǎo)向槽、交通通道及欄桿、上鎖定結(jié)構(gòu)、電控設(shè)備室、液壓設(shè)備機(jī)房、夾緊結(jié)構(gòu)和頂緊結(jié)構(gòu)等。

(2)船廂設(shè)備：包括船廂工作門(mén)、船廂檢修門(mén)、防撞裝置、夾緊機(jī)構(gòu)、頂緊機(jī)構(gòu)、間隙密封機(jī)構(gòu)、船廂工作門(mén)啟閉機(jī)、檢修門(mén)啟閉設(shè)備、間隙充泄水系統(tǒng)、船廂導(dǎo)向裝置、均衡油缸裝置、船廂液壓系統(tǒng)、船廂供電設(shè)備、船廂消防及火災(zāi)報(bào)警設(shè)施、船廂通風(fēng)除濕設(shè)備、船廂PLC控制子站設(shè)備、照明設(shè)備等。

2 承船廂的結(jié)構(gòu)型式及分塊原則

承船廂本體分為主縱梁分段、底鋪板分段、船廂頭、中部電氣室四個(gè)部分，根據(jù)承船廂結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及運(yùn)輸要求，船廂制作的分塊原則如下：

(1)主縱梁分塊數(shù)量盡量少，單塊重量盡可能不大于50t，分縫避開(kāi)最大應(yīng)力處，且兩側(cè)主縱梁的分段線不得在同一橫剖面上；

(2)底鋪板及橫梁沿橫向劃分，以每?jī)煽鐬橐贿\(yùn)輸、拼裝單元。機(jī)艙底鋪板整體拼裝，船廂頭按實(shí)際構(gòu)造劃分；

(3)船廂結(jié)構(gòu)的具體分塊方案，將根據(jù)運(yùn)輸條件及工地現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際吊運(yùn)、安裝條件等確定。

因此，承船廂兩根主縱梁分為24個(gè)分段、底鋪板17個(gè)分段、廂頭結(jié)構(gòu)8個(gè)分段、中部電氣室鋪板1個(gè)分段，共50個(gè)分段組成。分段后，兩側(cè)主縱梁的分段線相互錯(cuò)開(kāi)250mm，斷面的翼緣與腹板錯(cuò)開(kāi)100mm；主縱梁與底鋪板分段最小錯(cuò)縫550mm；主縱梁與橫梁間最小錯(cuò)縫350mm，具體分段劃分見(jiàn)圖1。

圖1 承船廂結(jié)構(gòu)分段編號(hào)及示意

3 承船廂結(jié)構(gòu)制作工藝控制措施

承船廂結(jié)構(gòu)具有外形尺寸大，精度要求高，各部分的尺寸關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分結(jié)構(gòu)件剛度大，焊縫內(nèi)部質(zhì)量要求高，焊接量大，焊接殘余應(yīng)力大，焊接變形復(fù)雜等特點(diǎn)。制作工藝控制要求如下：

(1)預(yù)變形的原則：承船廂預(yù)變形控制要求根據(jù)承船廂結(jié)構(gòu)在提升平衡重鋼絲繩、水體、平衡鏈、鎖定、頂緊機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)及自重等載荷作用下將產(chǎn)生變形，承船廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各工況下承船廂整體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，并保證剛度符合技術(shù)要求。制造和安裝過(guò)程中，按設(shè)計(jì)分析計(jì)算的變形值提出承船廂結(jié)構(gòu)預(yù)變形控制要求，在承船廂的制作、拼裝過(guò)程中按該變形值對(duì)承船廂進(jìn)行預(yù)變形制造和安裝，從而滿(mǎn)足運(yùn)行過(guò)程中對(duì)承船廂變形的符合要求；

(2)分段制作和制作場(chǎng)預(yù)拼裝尺寸控制充分考慮分節(jié)焊接收縮量、制作場(chǎng)內(nèi)預(yù)拼裝修整量以及預(yù)留工地焊縫收縮量。承船廂結(jié)構(gòu)的外形尺寸大，采取分段制作時(shí)必須考慮分節(jié)焊接收縮量、制造場(chǎng)內(nèi)預(yù)拼裝修整量，同時(shí)還應(yīng)預(yù)留工地焊縫收縮量；

(3)采用數(shù)控切割機(jī)下料，控制零件尺寸精度，控制部件拼焊尺寸精度和形位公差，預(yù)留反變形，補(bǔ)償拼裝焊接變形，制訂合理焊接工藝，控制焊接變形，發(fā)生變形及時(shí)校正；

(4)進(jìn)行合理的工序分解。通過(guò)小拼、中拼、大拼及總拼將大量的焊接工作進(jìn)行分解，使每次的焊接能更多自由收縮，減少集中焊接相互影響的程度，也使更多的焊縫可以采用雙面坡口，減少了焊縫熔敷金屬量，降低了焊接熱輸入總量；

(5)優(yōu)化焊接工藝，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)調(diào)整焊接順序。優(yōu)化焊縫尺寸和坡口形式，厚板盡量采用雙面坡口及窄間隙坡口，使焊接熔敷量減小，在焊接過(guò)程中，通過(guò)工件的多次翻轉(zhuǎn)，以盡可能的減少焊接變形。另外，增加胎夾具約束控制構(gòu)件變形。焊接過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形及時(shí)調(diào)整焊接順序，有效控制焊接變形；

(6)主縱梁尺寸高，寬度相對(duì)窄，采用臥式拼裝，當(dāng)主縱梁受場(chǎng)地限制分段制造時(shí)，應(yīng)在分段制造的分節(jié)接口處的內(nèi)、外腹板與上、下翼緣板之間的組合焊縫留300mm～500mm不焊，該處將在承船廂工廠預(yù)拼裝或工地拼裝時(shí)調(diào)整并焊接；

(7)承船廂外形尺寸大，各分段的尺寸關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，制造過(guò)程中，對(duì)分段拼裝線、中心線、檢查線進(jìn)行刻劃及復(fù)核，對(duì)焊接收縮及變形值進(jìn)行測(cè)量，使焊接過(guò)程可控，分段制造完成后，必須對(duì)分段結(jié)構(gòu)尺寸線進(jìn)行檢驗(yàn)控制。

4 承船廂制作工藝

4.1 準(zhǔn)備工作

施工平臺(tái)的準(zhǔn)備。準(zhǔn)備組拼平臺(tái)，施工前對(duì)工裝平臺(tái)進(jìn)行檢驗(yàn)，平面度≤1mm/m2，對(duì)施工設(shè)備、工具、胎架進(jìn)行準(zhǔn)備，采用經(jīng)緯儀及鋼卷尺等測(cè)量工具，在胎具上刻劃基準(zhǔn)面、線、點(diǎn)，并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，方能使用。

4.2 主縱梁制作工藝

承船廂的主縱梁為箱型梁結(jié)構(gòu)，外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為128m×2.1m×8.5(9.0)m，截面尺寸見(jiàn)圖2。主要包括上下翼板、內(nèi)外腹板、中縱隔板、橫隔板(護(hù)圈)、T型次梁、工型梁以及加筋板等部件。

主縱梁分段制作質(zhì)量要求：根據(jù)主縱梁分段長(zhǎng)度，在部件拼裝時(shí)焊接收縮余量按0.5/1000mm預(yù)留。焊接后，除110(210)分段長(zhǎng)度預(yù)留修割余量30mm～50mm外，其他主梁分段長(zhǎng)度偏差0～+5mm；主縱梁高度偏差±4mm，并且相鄰節(jié)的高度差控制在2mm以?xún)?nèi)；主縱梁寬度偏差±2mm。

4.2.1 下料及部件組裝

(1)下料

上、下翼板和中縱隔板采用整板下料，腹板由4塊鋼板拼裝焊接而成。T型梁、工型梁的零件下料拼焊校正完成后形成合格部件，內(nèi)腹板上的加強(qiáng)T型梁和工型梁先拼焊在內(nèi)腹板上形成大部件，其他橫隔板與護(hù)圈拼焊成部件。

腹板對(duì)接縫坡口型式，采用對(duì)接接頭，對(duì)稱(chēng)X型坡口，見(jiàn)圖2的大樣A和E；腹板與翼板組合焊縫坡口型式，采用T型接頭，單V型坡口，見(jiàn)圖2的大樣B和C。

腹板對(duì)接縫為一類(lèi)焊縫，板對(duì)接采用埋弧自動(dòng)焊，焊絲：H08MnA、φ4mm，焊劑：HJ431，施焊時(shí)，由合格焊工按工藝焊接，背縫采用碳弧氣刨進(jìn)行清根，用砂輪修整無(wú)缺陷后，埋弧自動(dòng)焊焊接。T型次梁、工型梁三類(lèi)焊縫，采用埋弧自動(dòng)焊。

(2)獨(dú)立部件拼裝

T型和工型部件——翼緣板、腹板，在專(zhuān)用胎模上拼裝后，翼緣板加固，腹板對(duì)稱(chēng)雙邊焊，焊后校直；橫隔板部件——橫隔板、筋板，上胎模裝配完成后進(jìn)行焊接，焊后校平。

圖2 主縱梁截面尺寸大樣

4.2.2 主縱梁拼裝

主縱梁拼裝為保證焊接質(zhì)量，設(shè)計(jì)專(zhuān)用拼裝焊接胎架，采用臥式拼裝，見(jiàn)圖3。

拼裝流程：拼裝獨(dú)立部件(T型、工型部件、橫隔板部件)→外側(cè)腹板平鋪在平臺(tái)上→拼裝加強(qiáng)“T”“工”形梁→拼裝上翼緣板(帶加強(qiáng)肋)→拼裝上隔板(帶護(hù)圈)→裝配中縱隔板(帶加強(qiáng)肋)→拼裝下隔板(帶護(hù)圈)→加固→拼裝內(nèi)腹板(帶加強(qiáng)肋)→拼裝內(nèi)部加強(qiáng)板→拼裝下翼緣板(帶加強(qiáng)肋)→焊接→檢驗(yàn)。

外側(cè)腹板鋪在平臺(tái)上，平臺(tái)的平面度按1/1000mm控制，將腹板與平臺(tái)加固，劃線主縱梁中心線、長(zhǎng)度線及定位線等基準(zhǔn)線(主縱梁縱、橫兩個(gè)方向留有焊接收縮補(bǔ)償量，保證焊后主縱梁分段尺寸)。

圖3 主縱梁臥式拼裝示意

4.2.3 主縱梁焊接

外形尺寸檢驗(yàn)合格，并加固后，轉(zhuǎn)入焊接工序。焊接過(guò)程中嚴(yán)格按焊接工藝對(duì)稱(chēng)焊接，對(duì)主縱梁尺寸和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整焊接順序，控制焊接變形。

(1)焊接方法：梁內(nèi)的焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊，外側(cè)焊縫采用埋弧自動(dòng)焊。

(2)焊前準(zhǔn)備：將坡口兩側(cè)10mm～20mm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣、油污、水跡等清除干凈，焊絲在使用前清除鐵銹、油污，焊劑在不低于260℃的烘干箱中干燥1h；在焊縫兩端設(shè)引弧板和熄弧板。

(3)焊接原則：從中間向兩端分散、先立焊后橫焊的焊接原則。

(4)焊接順序：焊接橫隔板與上下翼板及中縱隔板組成的立縫→焊接加強(qiáng)筋與隔板、上下翼板的立焊→焊接隔板與外腹板的平角焊縫→焊接加強(qiáng)筋與外腹板的平角焊縫→焊接中縱隔板與外腹板的平角焊縫→焊接外腹板與上下翼板的內(nèi)部焊縫(即圖3中①和③)→焊接完成后，對(duì)主縱梁進(jìn)行翻身(內(nèi)腹板在平臺(tái)上)→焊接加強(qiáng)筋與內(nèi)腹板的平角焊縫→焊接中縱隔板與內(nèi)腹板的平角焊縫→焊接內(nèi)腹板與上下翼板的內(nèi)部焊縫(即圖3中②和④)→焊接梁外部的焊縫，焊接①和③，再焊接②和④焊縫。

4.2.4 主縱梁檢驗(yàn)

焊縫檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行局部矯正，翼板與腹板的組合縫②③④的變形不做強(qiáng)行矯正，但是①焊縫的變形一定要進(jìn)行矯正，外腹板(吊耳位置)只能是向外側(cè)偏斜。

檢查尺寸合格后劃出主縱梁分段中心線、水平腰線、節(jié)間對(duì)位線等，待承船廂制造場(chǎng)內(nèi)預(yù)拼裝。

4.3 底鋪板制造工藝

底鋪板共24個(gè)單元，單個(gè)鋪板單元由面板、T型橫梁(Π形橫梁)、T型中縱梁、次梁(角鋼)以及加強(qiáng)筋等組成。T型梁部件147個(gè)，Π形梁部件3個(gè)。

4.3.1 下料及部件組裝

(1)下料

面板、T型梁、Π形梁?jiǎn)蝹€(gè)零件下料、拼裝、焊接、校正作為一個(gè)整部件參與分段拼裝。次梁、加強(qiáng)筋下料、矯正后參與分段拼裝。

(2)拼裝獨(dú)立部件

面板、T型梁、Π型梁為獨(dú)立部件。T型、Π型部件——翼緣板、腹板，在專(zhuān)用胎模上拼裝后，翼緣板加固，焊后在型鋼矯正機(jī)上校直。

面板對(duì)接焊縫為一類(lèi)焊縫，板厚10mm，采用埋弧自動(dòng)焊，正反面各焊接一道。

T型梁、Π型梁的零件整板下料，其腹板與翼板的組合焊縫為二類(lèi)，腹板開(kāi)單面坡口，采用船形埋弧焊。

4.3.2 底鋪板節(jié)段拼裝

底鋪板制作時(shí)采用倒拼裝，在胎模平臺(tái)上進(jìn)行分段拼裝。

節(jié)段拼裝順序：底鋪板鋪在弧臺(tái)胎架上→劃出各部件拼裝線→吊裝縱向次梁(角鋼)初步定位→定位基準(zhǔn)端，吊裝第一根橫梁→吊裝第一中縱梁→吊裝第二根橫梁→吊裝第二中縱梁→直到最后一根橫梁→精確調(diào)整橫梁、縱梁進(jìn)行定位→裝配橫梁上筋板、次梁上筋板。

底鋪板鋪在弧臺(tái)胎架上。拼接板、焊后探傷，將底鋪板與弧臺(tái)加固。

4.3.3 底鋪板節(jié)段焊接

檢驗(yàn)合格后整體焊接，嚴(yán)格按焊接工藝進(jìn)行對(duì)稱(chēng)焊接，焊接過(guò)程中對(duì)底鋪板分段尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整焊接順序，控制焊接變形。

(1)焊接方法：采用CO2氣體保護(hù)焊。

(2)焊接原則：底鋪板單元開(kāi)焊前應(yīng)進(jìn)行加固，焊接采用從中間向兩端對(duì)稱(chēng)分散焊接、先立焊后平焊的焊接原則。

(3)焊接順序：焊接中縱梁與橫梁腹板的立焊縫→焊接次梁與橫梁腹板的立焊縫→焊接橫梁腹板上筋板、次梁上加筋板立焊縫→焊接中縱梁翼板與橫梁翼板的對(duì)接焊縫，不開(kāi)坡口，中縱梁翼板短出6mm～8mm作間隙，貼陶瓷墊板單面焊雙面成形→焊接中縱梁腹板與面板的平角焊縫→焊接橫梁腹板與面板的平角焊縫→焊接次梁、加筋板與面板的平角焊縫。

5 船廂場(chǎng)內(nèi)預(yù)拼裝

船廂分段制造并檢驗(yàn)合格后，在制造廠進(jìn)行預(yù)拼裝。圖4為圖1剖視。

圖4 船廂局部剖視

5.1 船廂結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝的目的

(1)檢驗(yàn)各個(gè)船廂分段的制造質(zhì)量和接口尺寸；

(2)確定并切割分段余量；

(3)檢驗(yàn)承船廂整體外形尺寸；

(4)確定船廂設(shè)備安裝尺寸和吊耳孔加工尺寸。

5.2 拼裝準(zhǔn)備

(1)在總拼裝場(chǎng)地進(jìn)行整體放樣，三條縱向中心線和三條橫向中心線作為檢驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；

(2)搭設(shè)平臺(tái)，要求支撐平臺(tái)牢固可靠。根據(jù)預(yù)變形原則計(jì)算數(shù)據(jù)，平臺(tái)兩端比中間段高度差70mm(±2mm)，檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行船廂整體拼裝。

5.3 船廂總拼裝順序

(1)船廂拼裝采取遞推的方式進(jìn)行拼裝。在搭設(shè)的拼裝平臺(tái)上先將主縱梁101與102節(jié)段拼裝成整體，調(diào)整、檢查、固定；

(2)分別將廂頭機(jī)房底鋪板401、402、403節(jié)段與已拼裝完成的101、102節(jié)段進(jìn)行拼裝，調(diào)整、檢查、固定，合格后進(jìn)行下一步拼裝；

(3)進(jìn)行船廂廂頭701節(jié)段的吊裝，調(diào)整、檢查、固定，合格后進(jìn)行下一步拼裝；

(4)在拼裝完成的401、402、403面板上搭設(shè)支撐，搭設(shè)完成后，進(jìn)行301、302節(jié)段的吊裝，調(diào)整、檢查、固定，合格后進(jìn)行下一步拼裝；

(5)分別將主縱梁201、202節(jié)段進(jìn)行吊裝，調(diào)整、檢查、固定，合格后進(jìn)行下一步拼裝；

(6)后續(xù)拼裝順序按分段依次進(jìn)行，拼裝步驟重復(fù)上述(1)～(5)：主縱梁(左側(cè))

-底鋪板-主縱梁(右側(cè))，調(diào)整、檢查、固定后，合格進(jìn)行下一步拼裝，直至最后一個(gè)廂頭拼裝完成；

(7)整體拼裝完成后，進(jìn)行整體尺寸的檢查，驗(yàn)收合格后，完成預(yù)組裝；

(8)船廂總拼合格后，節(jié)間設(shè)置可靠的定位裝置，主梁設(shè)置4～5對(duì)定位塊，底鋪板的定位塊設(shè)置5～7個(gè)在每節(jié)水流方向的尾端；底鋪板與主縱梁連接部位的定位塊設(shè)置在主梁腹板上；

(9)檢驗(yàn)合格后，做好各標(biāo)示和安裝定位線，并將定位塊焊接牢固。拆分后轉(zhuǎn)防腐。

6 結(jié)語(yǔ)

亭子口升船機(jī)承船廂在制作過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格控制各施工工序的工藝，特別是通過(guò)控制焊接變形和預(yù)變形等手段，使承船廂制造質(zhì)量完全滿(mǎn)足相關(guān)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范及合同技術(shù)條款的技術(shù)要求，為后續(xù)同類(lèi)型船廂制造提供了可借鑒的施工方法。