船閘超大型人字閘門制造安裝關(guān)健技術(shù)研究及應(yīng)用

梁達(dá)寧, 周翔輝

(廣東江海機(jī)電工程有限公司，廣東 廣州 510500)

1 研究背景

廣東省北江航道擴(kuò)能升級(jí)工程飛來峽二、三線船閘工程的人字閘門上閘首孔口尺寸為34 m×19.67 m，下閘首孔口尺寸為34 m×18.9 m，單扇人字閘門最大重量為914.357 t，屬于超大型人字閘門，上閘首人字閘門兼作防洪閘門。該人字閘門是廣東省內(nèi)已建和在建項(xiàng)目中最大的人字閘門(目前為止)。

門葉結(jié)構(gòu)整體制造焊接變形積累控制、整體拼裝尺寸誤差控制、H型梁焊接、背拉桿安裝調(diào)整、環(huán)氧樹脂灌注是超大型人字閘門制造安裝的關(guān)健技術(shù)，需要進(jìn)行深入的研究。

2 門葉采用大組件的制作技術(shù)

2.1 制造工藝

參考船舶分節(jié)制造組裝技術(shù)[1]，人字閘門門葉制造從散件、部件到分段組件逐步成型，在分步成型過程可通過翻身工序?qū)⒄w制造中立焊、仰焊等復(fù)雜焊接工位轉(zhuǎn)換成組件焊接工藝中的平焊等簡(jiǎn)單工位；最后將組件與面板組合成整體門葉，再進(jìn)行整體門葉焊接，最后分體的制造工藝順序[2-4]。

首先將人字門按制造結(jié)構(gòu)大小、焊縫分類及工藝角度將人字門門葉結(jié)構(gòu)分解為工字型(H型)主梁、T型豎向隔板及其他散件等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)零部件，在制造時(shí)根據(jù)場(chǎng)地布置分散制造。在散件制造時(shí)可很方便的翻身轉(zhuǎn)換成平焊等簡(jiǎn)單工位，也可將類似形狀工件甚至其他人字閘門的相同零件歸類在相同的胎架上制造，形成一定批量的半流水線生產(chǎn)流程。散件制造完成后在露天堆放場(chǎng)地堆放備用，根據(jù)堆放場(chǎng)地堆放能力，將部分后生產(chǎn)閘門的同類購件也同批次制造，減少了專用胎架、摸具的重復(fù)拆裝次數(shù)，為堆放場(chǎng)地合理利用提供條件。

零部件積累一定數(shù)量后，在專用場(chǎng)地上開始進(jìn)行大組件組裝，根據(jù)閘門分節(jié)、起重設(shè)備起重能力將主梁、縱梁、及隔板組拼成大組件。閘門分節(jié)在閘門主梁處分節(jié)，面板分段在主梁腹板對(duì)應(yīng)處，前、后翼緣在上部連接處斷開，縱向腹板如斜接柱門軸柱等連續(xù)板則在隔板在主梁腹板上部200 mm處斷開，縱向隔板上節(jié)隔板與下節(jié)主梁連接處分離，運(yùn)輸最寬度控制在5 150 mm以下。大組件組合原則是有利于組件鋼性的散件，有重要焊縫的組件組合，在組合過程依舊能整件翻身、焊接。但大組件只能在預(yù)拼平臺(tái)上組合，利用整體拼裝平臺(tái)進(jìn)行大組件制造，制造完成后形成分段，只需要簡(jiǎn)單翻身或吊裝直接就位到整體拼裝工位。

按整體制造工藝將組件與面板組合成整體門葉，先吊裝中間主橫梁，調(diào)整后施定位焊，再依次吊裝相鄰次梁并調(diào)整施定位焊，之后從中間依次向兩邊吊裝豎向隔板并調(diào)整后施定位焊，再吊裝邊柱中隔板及縱隔板，調(diào)整另一根主橫梁后施定位焊，待所有主、次梁及豎向隔板吊裝完成后，最后吊裝底主梁，底主梁是底樞的安裝基準(zhǔn),要保證主梁平面垂直門軸柱平面，待所有主、次梁及豎向隔板吊裝完成、施定位焊合格后，拼裝完畢，隨后進(jìn)行門葉的整體尺寸檢驗(yàn)，主要檢查各構(gòu)件的位置，各主梁的平行度、對(duì)角線等，為防止焊接中產(chǎn)生過大變形，各拼接縫要頂緊，各項(xiàng)檢驗(yàn)合格后，施定位焊，各分節(jié)單元僅施定位焊，按《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)的要求及圖樣要求進(jìn)行1次全面檢驗(yàn)，合格后交焊接工序。

門葉進(jìn)行整體焊接，先焊焊接主橫梁與豎次梁立焊縫，再焊隔板后翼與主梁后翼對(duì)接焊縫，每根主梁由2名焊工從中間向外對(duì)稱分段施焊，根據(jù)角焊縫的焊角高度分層焊接，第1層分段退步焊，其余層次從下而上1次焊成。待主橫梁、次橫梁、豎梁、邊梁等形成剛性固體框架后，首先進(jìn)行1次全面的幾何尺寸檢查，合格后方可進(jìn)行框架與面板的焊接；焊接隔板與面板平角焊縫，焊接小梁與面板平角焊縫，焊接主梁與面板平角焊縫，焊接其余各筋板，可采用分區(qū)，分段退焊。為了控制焊接變形，焊接時(shí)要求嚴(yán)格按規(guī)定的焊接順序和焊接方向進(jìn)行施焊，各操作人員焊接速度、焊接電流應(yīng)保持一致，盡量達(dá)到門葉均勻受熱要求，以減少門體焊接變形及焊接應(yīng)力。

最后閘門分體，在檢查整扇門葉的寬度、高度、對(duì)角線尺寸、縱向隔板的錯(cuò)位等合格后，在門葉組合處進(jìn)行明顯的標(biāo)記、編號(hào)，設(shè)置可靠的定位塊。在門葉上測(cè)量放出門葉的中心線，在頂、底主梁上測(cè)放出門軸柱和斜接柱的支枕承壓連線，并以此為基準(zhǔn)線劃出門軸柱及斜接柱支枕墊位置線，并打樣沖眼標(biāo)記。放出頂、底樞中心位置線，并以此為基準(zhǔn)，確立底樞頂蓋、頂樞架及導(dǎo)卡座與頂、底主橫梁的連接平面。在門軸柱、斜接柱分節(jié)處上下 150 mm 處畫水平檢查線并打樣沖眼標(biāo)記。在門葉頂主梁測(cè)放出頂樞軸位置線及推拉軸位置線，在頂主梁上定出頂樞定位軸的位置線，作好標(biāo)記到現(xiàn)場(chǎng)鏜孔(見圖1～2所示)。

圖1 部件制作示意

2.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

分體后預(yù)拼裝顯示，本方法制造的分體后門葉變形明顯小于傳統(tǒng)工藝，可不經(jīng)過火調(diào)矯正，變形達(dá)到制造質(zhì)量要求，既能發(fā)揮分節(jié)制造工藝難度低、整體焊接變形小優(yōu)點(diǎn)，又能提高整體制造尺寸精度，實(shí)現(xiàn)閘門整體制造效果；通過減少調(diào)整，提高組件批量，減少專用胎架拆裝時(shí)間，節(jié)約了約1/3的工序消耗，直接體現(xiàn)了本方法的效益；在零部件制造時(shí)，將已完成的組件在自然環(huán)境下堆放，由于組件制造與整體拼裝生產(chǎn)間隔周期比較長(zhǎng)，間隔周期長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月以上，組件焊接的應(yīng)力可自然釋放，起到一定的時(shí)效處理作用，有利于釋放應(yīng)力。

圖2 大組件制作示意

3 超大型人字門H梁焊接工藝改進(jìn)

3.1 焊接工藝改進(jìn)

傳統(tǒng)人字閘門主梁H型梁的焊接工藝采用船型焊接焊縫的工藝，由于傳統(tǒng)船型焊接存在焊接缺陷可能、焊材和能源損耗高、工裝胎架制作成本高、傾斜支撐工裝安全風(fēng)險(xiǎn)高及施工效率較低等問題；通過調(diào)查研究，決定對(duì)超大型人字閘門H型梁焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)[5]，以提高 H型梁的焊接質(zhì)量及人字門的整體制作水平，解決H型梁施工過程中的安全問題。

H型梁拼裝完成后置于平臥位置，先用CO2保護(hù)焊打底，再用可變角度的自動(dòng)埋弧焊接小車焊接。焊接小車直接布置在主梁上，該焊接小車具有激光焊縫位置指示，能自動(dòng)側(cè)向定位焊接；2條焊縫采用同樣工藝焊接，焊接時(shí)可單工位2條焊縫按順序焊接或布置雙工位2條焊縫同時(shí)焊接，工字型主梁無需翻身直到2條焊縫完成焊接。第1面的兩條焊縫焊完后，進(jìn)行翻身操作，用起重設(shè)備將主梁翻身，反面向上平臥在原工位上。工件反轉(zhuǎn)后省去反面清根工序，采用埋弧焊直接焊接對(duì)應(yīng)焊縫，焊接工藝與焊接參數(shù)與上述埋弧焊接參數(shù)相同，直到當(dāng)側(cè)焊縫焊接完成(見圖3所示)。

圖3 超大型人字門H梁焊接示意

3.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

打底焊采用CO2保護(hù)焊，可不經(jīng)過清根直接用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行下道焊縫焊接施工，在保證質(zhì)量合格的前提，減少清根工序，減少了焊材和電能損耗。省除搭建工裝胎架，節(jié)省了搭建工裝胎架成本，降低了工裝操作安全風(fēng)險(xiǎn)。場(chǎng)地可靈活使用，節(jié)省了場(chǎng)地占用時(shí)間。對(duì)比傳統(tǒng)人字閘門工字主梁的焊接工藝，采用船型焊接工藝在保證焊接質(zhì)量情況下主梁需翻轉(zhuǎn)5次，按本技術(shù)降低為只需要翻轉(zhuǎn)1次，大大提高了焊接施工效率，降低了制造成本。

4 平衡梁式預(yù)應(yīng)力拉桿拉伸調(diào)節(jié)裝置的研制與應(yīng)用

4.1 平衡梁式預(yù)應(yīng)力拉桿拉伸調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)

人字閘門安裝中需要對(duì)人字閘門背拉桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，目前常規(guī)做法是通過對(duì)每條拉桿單獨(dú)拉伸，增大拉桿的拉應(yīng)力[6-9]。這種做法每次只能拉單獨(dú)1條拉桿，而且在旋擰某一個(gè)鎖定螺母的時(shí)候還會(huì)使得同組其他拉桿的拉應(yīng)力發(fā)生變化，需要不斷重復(fù)調(diào)節(jié)不同拉桿，操作周期長(zhǎng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作困難、工人需要長(zhǎng)時(shí)間高空作業(yè)，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述技術(shù)存在的問題，研制了一套平衡梁式預(yù)應(yīng)力拉桿拉伸調(diào)節(jié)裝置[10-11]，用于多組預(yù)應(yīng)力螺紋桿同時(shí)拉伸。

平衡梁式預(yù)應(yīng)力拉桿拉伸調(diào)節(jié)裝置，包括平衡梁、連接套筒螺母、液壓千斤頂和連接螺母，每條背拉桿通過連接套筒螺母與平衡梁連接，液壓千斤頂布置在平衡梁與背拉桿支撐塊之間，平衡梁與連接套筒螺母的連接螺栓副可根據(jù)情況要求組合使用，根據(jù)背拉桿的數(shù)量可布置多個(gè)千斤頂(見圖4所示)。

圖4 預(yù)應(yīng)力拉桿拉伸的調(diào)節(jié)裝置示意

4.2 預(yù)應(yīng)力拉桿拉伸調(diào)節(jié)裝置的工作原理

拉伸時(shí)頂升液壓千斤頂，使每條背拉桿同時(shí)拉伸，監(jiān)控每條背拉桿應(yīng)力，通過調(diào)整各液壓千斤頂加力程度、背拉桿與平衡梁間連接螺栓實(shí)現(xiàn)本組多個(gè)背拉桿應(yīng)力均衡，當(dāng)其中某一根背拉桿的拉應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，鎖緊該背拉桿的鎖定螺母，再放松與該背拉桿連接的連接套筒螺母，使該背拉桿脫離拉伸組；當(dāng)每一根背拉桿的拉應(yīng)力都達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，鎖緊拉桿的鎖定螺母，再放松與該背拉桿連接的連接套筒螺母，調(diào)節(jié)完畢。當(dāng)(由于閘門變形等)外界因素影響到已完成背拉桿拉應(yīng)力降低時(shí)，重新鎖緊與該背拉桿連接的連接套筒螺母，使該背拉桿方便的重新加入拉伸組。

本預(yù)應(yīng)力拉桿拉伸的調(diào)節(jié)裝置使用液壓千斤頂增大平衡梁與背拉桿座之間的距離，使得背拉桿伸長(zhǎng)，當(dāng)背拉桿的拉應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值，再用螺母鎖定背拉桿的長(zhǎng)度。

4.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

采用平衡梁配合液壓千斤頂，一組背拉桿同時(shí)均衡拉伸，從而使得同組多個(gè)背拉桿應(yīng)力均衡。該裝置可大大縮短預(yù)應(yīng)力背拉桿調(diào)整周期、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，克服了傳統(tǒng)工藝操作困難、工人需要長(zhǎng)時(shí)間高空作業(yè)的缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性好，平衡梁與連接套筒螺母的螺栓連接副可根據(jù)情況要求組合使用，適用范圍更廣。

5 環(huán)氧樹脂易拆裝封堵技術(shù)

5.1 易拆裝式環(huán)氧樹脂灌注縫封堵裝置工作原理

易拆裝式環(huán)氧樹脂灌注縫封堵裝置[12](見圖5所示)，包括橡皮圓管(1)、杠桿封板組合(2、3)和調(diào)節(jié)螺栓(4)，杠桿封板成對(duì)使用，通過所述調(diào)節(jié)螺栓組合成一體，封板扁平狀側(cè)固定在圓管對(duì)中間成為固定及張緊裝置；封板包括固定螺栓用的孔，封板與帶支點(diǎn)封板孔正對(duì)以讓螺栓穿過且固定。使用時(shí)，先將圓管上端固定在斜接柱一側(cè)，通過使用膠水固定在斜接柱外側(cè)，從上往下在圓管中間使用封板固定，待全部需張緊螺栓全部張緊固定好后，從頂部往下灌注環(huán)氧樹脂，如果出現(xiàn)因張緊不夠?qū)е滦孤兜默F(xiàn)象，可直接在相應(yīng)位置調(diào)節(jié)螺栓以封堵。

圖5 易拆裝封堵裝置示意

5.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

采用橡皮圓管作為封條，配置成對(duì)使用的杠桿封板調(diào)整封條的壓縮量，解決了人字閘門支枕墊環(huán)氧樹脂灌注時(shí)灌注縫的封堵問題，避免了漏漿難以處理的難題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆裝、壓縮量調(diào)節(jié)范圍大等特點(diǎn)。該裝置的使用可降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和提高調(diào)節(jié)效率，降低了閘門施工工序中的危險(xiǎn)步驟，也減少操作難度，降低了施工成本，也可用于其他灌漿處封堵。

6 結(jié)語

上述關(guān)鍵技術(shù)成功應(yīng)用于飛來峽樞紐二、三線船閘、蒙里樞紐二線船閘、白石窯樞紐二線船閘、孟洲壩樞紐二線船閘工程中人字閘門的制造及安裝，并全部驗(yàn)收合格后投入運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

上述關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，可顯著降低成本，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以在水利水電工程、水運(yùn)工程船閘人字閘門制造安裝中推廣使用，對(duì)提升行業(yè)管理水平、促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步將發(fā)揮積極作用。