廣西大藤峽水電站主壩泄水低孔弧門的制造與研究

閆 軍

(中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

廣西大藤峽水利樞紐工程左岸泄洪壩段主壩泄水低孔工作弧門是目前我國水電站中弧形閘門曲率半徑最大的弧門，其主框架的結(jié)構(gòu)型式采用雙主縱梁焊接結(jié)構(gòu)，三直支臂支撐?；￠T孔口尺寸為9 m×18 m(寬×高)，曲率半徑為33 m，面板表面機(jī)加工后要求其表面粗糙度Ra=12.5?；￠T面板弧長22.16 m，門葉結(jié)構(gòu)縱向分為3節(jié)，單節(jié)門葉重量達(dá)97 t，單片支臂重約165 t。支承鋼梁整體制作單件重量約為230 t。中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司需完成11套工作弧門的制作。

該弧門面板采用Q345B材質(zhì)且門葉外形尺寸超大。為滿足弧門的各項(xiàng)技術(shù)檢測要求，必須通過加工過程的智能化和數(shù)控化以及新技術(shù)的應(yīng)用來滿足設(shè)計要求。該弧門作業(yè)時調(diào)節(jié)頻繁且局部開啟，洪水全開，孔口數(shù)量多，因此，為滿足設(shè)備運(yùn)行安全、可靠性高的要求，弧門制造精度高。

2 國內(nèi)外弧門制造研究現(xiàn)狀

根據(jù)行業(yè)調(diào)查：國內(nèi)水電站金屬結(jié)構(gòu)件制造公司、工廠很多，但是能進(jìn)行難度高的超大型弧門制造和安裝的公司不多；能開展系統(tǒng)工藝研究并形成文獻(xiàn)資料的則更少；制造過與大藤峽工程類似的水文、地質(zhì)、氣候、環(huán)境條件并完成制作超大型弧門項(xiàng)目的公司根本沒有。

根據(jù)市場調(diào)研：在國內(nèi)工程中，成功應(yīng)用類似超大型弧門的工程尚沒有。

文獻(xiàn)資料查詢結(jié)果：目前還未搜索到與大藤峽水利樞紐低孔弧門工程類似(超大型)的設(shè)計、制造、安裝方面的文章或技術(shù)文獻(xiàn)。

綜上所述：大藤峽水利樞紐低孔弧門為國內(nèi)外首創(chuàng)。

3 主要研究內(nèi)容

該類型弧門的制造與其它弧門具有較大的差異性，需針對項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)及控制重點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真研究：(1)超大型弧形閘門設(shè)備的制造難點(diǎn)分析及質(zhì)量保證措施。(2)應(yīng)用智能化和數(shù)控化技術(shù)以滿足弧形閘門設(shè)備的制造加工要求。

4 研究成果

4.1 弧門及支臂結(jié)構(gòu)制造工藝的研究成果

門葉面板弧長22.16 m，半徑為33 m，門葉縱向分3節(jié)制造。門葉縱主梁及支臂的主要材料為30 mm厚鋼板，其余板材厚度均為30 mm以上，而且需超聲波探傷滿足GB/T14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》要求的一二類焊縫占到全部焊縫總量的95%以上，這一點(diǎn)給焊接質(zhì)量及焊接變形的控制難度造成了很大影響，焊接后會出現(xiàn)較大的變形，焊后數(shù)據(jù)難以滿足技術(shù)要求。該門葉結(jié)構(gòu)制作的主要技術(shù)要求：

(1) 非加工面組合處的錯位≤2 mm。加工面組合處的錯位≤0.5 mm。

(2) 縱向隔板錯位≤2 mm。

(3) 面板與梁組合的局部間隙≤1 mm。

(4) 門葉底緣直線度≤1 mm。

(5) 門葉底緣傾斜度≤2 mm。

(6) 門葉橫向直線度≤2 mm。

(7) 支鉸軸孔中心至面板外緣的半徑R=

33 000 mm±3 mm，兩側(cè)相對差不大于 2 mm。

為保證各技術(shù)難題滿足合同技術(shù)要求，弧門變形控制成為實(shí)現(xiàn)滿足合同和技術(shù)要求的關(guān)鍵。

4.1.1 門葉及支臂結(jié)構(gòu)拼焊的變形控制

(1) 優(yōu)化面板對接坡口。門葉面板外形尺寸為38 mm×9 050 mm×22 180 mm。為提高材料的利用率，面板采用定尺板縱向分三段、弧長方向分兩段下料。通常在面板制作分段下料起弧后在弧臺上對接拼焊，對接坡口均為K型45°，焊接時先焊接面板內(nèi)側(cè)焊縫，門葉下弧臺后，在面板背后對焊縫進(jìn)行清根后再焊接，但因清根較深、背縫焊接量大，將造成面板變形較大，焊縫會向門葉內(nèi)側(cè)凹陷過深，最多可達(dá)10余mm，從而使面板弧度、直線度超標(biāo)，修校很困難。針對面板對接焊變形大的情況，我們采取將38 mm厚的面板改為不對稱K型坡口，內(nèi)側(cè)深23 mm，25°，外側(cè)深13 mm，30°，2 mm鈍邊，以達(dá)到消除背后清根較深、焊接填充量大且不對稱的目的。通過面板焊接試驗(yàn)的檢測，焊接后門葉面板對接處的平面度為2 mm左右，不需修校即可滿足技術(shù)要求。

(2)優(yōu)化小縱梁小拼。門葉小縱梁為T型結(jié)構(gòu)，腹板高度為745 mm，翼板寬300 mm，為細(xì)長構(gòu)件，焊接變形不均衡易產(chǎn)生正向彎曲，對面板弧度影響大。針對上述情況，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式對小縱梁腹板弧度變形進(jìn)行了計算，根據(jù)計算結(jié)果，在小縱梁腹板下料編程時進(jìn)行了反變形處理。經(jīng)試驗(yàn)得知效果較好，減少了構(gòu)件焊后的修校工作量，有效地防止了門葉面板弧度焊后的變形。

(3)優(yōu)化焊接工藝。為減少門葉整體及支臂焊接變形，最終采取小規(guī)范、小電流焊接。焊接參數(shù)：立焊電流120～140 A，電壓22～24 V , 平焊電流180～220 A，電壓25～27 V。焊接時只允許2名焊工同時焊接，采用由中間向兩端對稱跳躍焊接，先立焊、再平焊，先橫向焊接、再縱向焊接的焊接順序，嚴(yán)格控制焊接順序，采用焊接過程中監(jiān)控變形、穿插修校等多種焊接方式。

(4)殘余應(yīng)力消減措施：為消減構(gòu)件焊接后的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸，門葉完成拼焊后進(jìn)行了振動時效消應(yīng)處理。

通過以上控制優(yōu)化措施，有效地控制了弧門的焊接變形，使各項(xiàng)焊后數(shù)據(jù)檢測滿足要求，為今后類似弧門的制作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4.1.2 門葉結(jié)構(gòu)加工工藝研究

最終確定的門葉制造工藝流程為：門葉拼焊→振動時效→復(fù)拼劃線→面板加工→大拼→后翼板加工→大拼→驗(yàn)收合格后按編號拆解門葉，點(diǎn)焊加固側(cè)水封壓板→鉆孔→拆解打磨按編號收尾→防腐。

門葉加工分兩步，第一步：加工門葉面板及側(cè)水封座板、側(cè)輪座板，劃門葉面板加工線及檢查線，劃門葉水平找正線，劃側(cè)水封座板加工線及檢查線。第二步：加工門葉主梁后翼板及吊耳孔，配沖主梁后翼板螺栓孔，在主梁后翼板四周筋板處劃加工檢查線，配沖螺栓孔并標(biāo)注螺孔位移尺寸，劃吊耳十字中心線。

(1)門葉面板加工工藝?；￠T半徑R=33 m，門葉單節(jié)最大寬度為3.115 m，門葉弧長為22.16 m,面板加工表面粗糙度Ra=12.5,弧門半徑R的偏差小于l mm,局部平面度小于0.3 mm。根據(jù)工件尺寸及加工輪廓的復(fù)雜程度，選用數(shù)控鏜床進(jìn)行加工， 工件在工作平臺上側(cè)臥裝夾(與構(gòu)件劃線狀態(tài)一致)，門葉面板對主軸、弦長方向同設(shè)備軌道平行，根據(jù)構(gòu)件所劃的、與主縱梁縱向中心線等高的水平找正線、門葉弧長方向兩端頭劃出的垂線找正工件。加工步驟如下：

①數(shù)控編程走刀，虛擬加工校核構(gòu)件所劃面板加工線半徑(R=33 m)是否準(zhǔn)確，待其無誤后，根據(jù)該線虛擬走刀，對整體面板橫、縱向進(jìn)行走刀，檢查各處余量是否足夠(數(shù)值差標(biāo)注在未加工的面板上)，最終檢查無誤后方可進(jìn)行后續(xù)加工。

②編程加工基準(zhǔn)邊，加工后檢查面板厚度并與虛擬加工理論數(shù)值進(jìn)行對照，確認(rèn)各處板厚度不小于名義尺寸(即>25 mm)、半徑R=33 m無誤后整體加工面板。

③面板加工完成后在工件不動的狀態(tài)下(同基準(zhǔn))加工下段底緣，按構(gòu)件加工線加工底緣。

(2)門葉后主梁翼板的加工。

①校正構(gòu)件劃線，使主梁后翼板面對主軸，按構(gòu)件所沖孔位(注意：沖孔位置由于需要在第一次沖孔的基礎(chǔ)上挪動以消除后翼板加工厚度后的偏移差，因此，加工該孔前需與構(gòu)件確認(rèn)沖孔位置的準(zhǔn)確性，待確認(rèn)其進(jìn)行了挪孔工作后再加工)加工主梁后翼板上的孔。

②鉆孔后按構(gòu)件劃線加工主梁后翼板。

4.1.3 鉸座、鉸鏈的制造

(1)鉸座、鉸鏈的鑄造。鉸座、鉸鏈各22件，材料為ZG35CrMo，單件重量為20 t,其在水工行業(yè)已屬于超大鑄鋼件，在國內(nèi)無幾家廠家可鑄造。裂紋、縮松、氣孔、夾渣是最常見的鑄造缺陷，而裂紋是鑄鋼件中不允許存在的危害性缺陷。對于批量如此大的鑄件，根據(jù)預(yù)計的技術(shù)難題，技術(shù)人員積極與鑄造專家進(jìn)行技術(shù)研討，研究生產(chǎn)過程中聯(lián)合開爐和澆筑工藝，加強(qiáng)過程控制，制訂科學(xué)合理的操作控制規(guī)程，解決了大型鑄件的澆筑難題。鑄件預(yù)熱處理，割除澆鑄冒口時防止產(chǎn)生裂紋，再進(jìn)行鑄件熱處理以消除鑄造內(nèi)應(yīng)力、均勻內(nèi)部成分及組織。經(jīng)過水工專家及大型鑄造行業(yè)專家的聯(lián)合研討，最終確定了大型鉸鏈、鉸座的鑄造驗(yàn)收要求，給今后的大型鑄件積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(2)鉸座、鉸鏈的機(jī)加工。鉸座加工時，控制單件鉸座兩軸承孔與底面的相對高度為0.l mm，控制兩鉸座的相對高度為l mm。加工時先加工內(nèi)孔，再在鏜床上以內(nèi)孔為基準(zhǔn)進(jìn)行校正，加工底面。鉸鏈采用同樣的加工方法控制兩端面軸孔中心線與底面的相對距離。

5 弧門檢驗(yàn)

弧門檢驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1 弧門檢驗(yàn)內(nèi)容及要求表

6 結(jié) 語

廣西大藤峽水利樞紐工程左岸泄洪壩段主壩泄水低孔工作弧門的成功制造，滿足了大藤峽水利樞紐工程的需要，完善了我公司制造產(chǎn)品的種類，使我公司的技術(shù)水平和影響力得到了進(jìn)一步提升，同時為今后類似水電工程采用該類型弧門提供了充分的技術(shù)保證。