大直徑栓接式鋼堵頭閘門制造工藝淺析

李濤 蘇運(yùn)富

中國水利水電第五工程局有限公司第一水工機(jī)械廠 四川廣元 628003

某國外水利水電改擴(kuò)建工程，擬在原隧洞的上半段上方分別新建豎井和取水塔等結(jié)構(gòu)物，以抬高取水高程。根據(jù)施工需要，在豎井施工完成后，取水塔施工前，需在豎井口EL409m部位安裝臨時(shí)堵頭閘門將豎井臨時(shí)封閉，主要用于堵頭閘門上、下工作面施工時(shí)的隔水、抵擋水壓等作用。

項(xiàng)目取水口豎井直徑為13.72m，豎井混凝土襯砌壁厚1m，豎井頂部設(shè)堵頭鋼閘門，將豎井封堵，相當(dāng)于蓋板蓋住豎井。

大直徑栓接式鋼堵頭閘門為直徑15.84m的圓形閘門，閘門主材材質(zhì)為Q355B，門葉總重415噸，共分為15個(gè)制造單元節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)組拼成整體，最大單元節(jié)重31.932噸；鋼堵頭閘門各制造單元節(jié)段間采用條形橡膠水封、螺栓連接，為保證水封能壓縮，條形水封中間開槽，成“工”字形，安裝時(shí)預(yù)壓縮4mm；閘門與埋件之間采用448顆10.9等級(jí)M64的螺栓連接，螺栓分別布置在?15.62m、?15.22m、?14.62m、?14.22m的圓周上，閘門與埋件一周采用“I”字條形橡膠水封封水，安裝時(shí)預(yù)壓縮5mm，水封設(shè)在埋件上，封水圓直徑13.88m。節(jié)間水封端部與圓周水封設(shè)一橡膠塊現(xiàn)場(chǎng)粘結(jié)[1]。

1 制造工藝難點(diǎn)

鋼堵頭閘門制造過程中，門葉與門槽連接為4個(gè)大圓周圈上448個(gè)連接螺栓，螺栓孔為?90mm，分布于15節(jié)門葉面板上，其每個(gè)螺栓孔均分布在指定圓上，螺栓孔與螺栓孔之間的相對(duì)位置精度、孔的加工精度等要求高，待門葉制造完成后加工、定位困難，效率低下。

鋼堵頭閘門整體外形尺寸大，分15節(jié)制造，分節(jié)處閘門節(jié)間靠面板一側(cè)采用螺栓連接，“工”字型條形水封封水，這種結(jié)構(gòu)必然對(duì)連接螺栓孔的位置精度要求高，才能保證各節(jié)閘門安裝過程中螺栓能夠順利進(jìn)行安裝，封水效果好；同時(shí)門葉節(jié)間配合面的平面度要求也很高，閘門節(jié)間配合面加工寬度230mm，加工長(zhǎng)度最大達(dá)到15.816m，最短達(dá)到10.966m，平面度要求不大于3mm，否則閘門節(jié)間不能滿足封水要求。單節(jié)鋼堵頭閘門節(jié)間加工要求如圖1所示。

圖1 單節(jié)門葉節(jié)間加工要求圖

鋼堵頭閘門門葉主梁結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)，其箱型結(jié)構(gòu)腹板靠面板一側(cè)焊后平面度要求高，否則影響其止水面加工質(zhì)量（存在局部加工不到、局部加工量大的現(xiàn)象）。

2 制造工藝流程及措施

2.1 工裝設(shè)計(jì)、制造

結(jié)合本項(xiàng)目大直徑栓接式鋼堵頭閘門門葉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要研究、設(shè)計(jì)、制造：可調(diào)式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝（見附圖3）、鋼閘門止水面快速加工裝置（見附圖4）、圓孔中心距離快速測(cè)量裝置等。工裝制造、加工過程中，各環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格按各工裝的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行，并在使用過程中針對(duì)使用效果、功能要求進(jìn)行進(jìn)一步的提升、優(yōu)化、改進(jìn)；鋼閘門止水面快速加工裝置制造時(shí)，嚴(yán)格控制行走軌道的平面度≦1mm、直線度≦1mm，嚴(yán)格控制加工設(shè)備與平臺(tái)之間垂直度等。

2.2 零部件下料

大直徑栓接式鋼堵頭閘門的關(guān)鍵部件“門葉面板”下料前，通過模擬焊接實(shí)驗(yàn)及依據(jù)相似鋼結(jié)構(gòu)焊件的收縮經(jīng)驗(yàn)值，測(cè)算門葉焊接后收縮量對(duì)門葉連接螺栓孔位置控制直徑的影響，并利用連接螺栓與連接孔的允許公差，在下料放樣時(shí)對(duì)門葉連接螺栓孔的位置做工藝性擴(kuò)大，以彌補(bǔ)門葉焊接時(shí)的收縮量，在下料時(shí)利用激光數(shù)控切割機(jī)高精度切割螺栓孔，實(shí)現(xiàn)了門葉連接螺栓孔的直接下料成型，避免了后期門葉制造成型后門葉與門槽的連接螺栓孔難以定位（大圓周上、分散在多節(jié)門葉上）、鉆床加工慢的缺點(diǎn)；門葉其余零部件的下料均按工藝要求嚴(yán)格進(jìn)行。門葉面板的下料控制如下圖“圖2單節(jié)門葉面板激光下料圖”，門葉面板上的連接螺栓孔下料直接激光下料成型，下料時(shí)孔的位置半徑向外擴(kuò)大1mm，門葉面板兩側(cè)面預(yù)留節(jié)間各預(yù)留5mm加工量[2]。

圖2 單節(jié)門葉面板激光下料圖

2.3 門葉組拼、焊接

根據(jù)大直徑栓接式鋼堵頭門葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，門葉結(jié)構(gòu)件主要是由面板、主梁腹板、主梁后翼、邊梁等組成的箱型梁，且門葉位置不一樣受力不一樣，致使箱型梁的寬度尺寸不一。首先，根據(jù)工藝圖紙對(duì)箱梁進(jìn)行組拼、加固；然后利用“可調(diào)式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝”對(duì)箱型梁進(jìn)行焊接，焊接時(shí)通過調(diào)整焊接工裝的液壓缸，實(shí)現(xiàn)門葉多種寬度箱型（工字）主梁可以在同種工裝上的埋弧自動(dòng)焊接，且可調(diào)節(jié)船形焊接角度，提高焊接一次合格率，減少門葉變形；焊后對(duì)門葉上類焊縫根據(jù)規(guī)范、圖紙等要求進(jìn)行無損檢測(cè)，合格后進(jìn)行振動(dòng)效應(yīng)，去除門葉內(nèi)部殘余應(yīng)力。說明：門葉拼裝、焊接過程中，采用“圓孔中心距離快速測(cè)量裝置”配套測(cè)量設(shè)備對(duì)門葉面板連接螺栓孔定期監(jiān)測(cè)，確?？椎奈恢闷钤诠に囈蠓秶鷥?nèi)。箱型梁門葉焊接工裝如下圖“圖3可調(diào)式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝”。

圖3 可調(diào)式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝圖

2.4 門葉節(jié)間止水面、節(jié)間限位裝置結(jié)合面加工

根據(jù)單節(jié)門葉制造圖紙，待門葉焊接完成無損檢測(cè)合格，應(yīng)力消除后，對(duì)門葉腹板位置節(jié)間水封止水面、限位裝置結(jié)合面進(jìn)行加工。由于門葉分段較多（15個(gè)單元節(jié)），加工面多（單節(jié)門葉左右兩側(cè)都需要加工），工期緊，且根據(jù)門葉風(fēng)水要求：門葉節(jié)間加工精度要求高，平面度要求不大于3mm。因此在門葉加工時(shí)，研發(fā)了“鋼閘門止水面快速加工裝置”進(jìn)行門葉節(jié)間水封止水面、限位裝置結(jié)合面加工，實(shí)現(xiàn)了門葉加工面的快速、流水化、高質(zhì)量的加工。加工過程中，隨時(shí)采用水準(zhǔn)儀檢測(cè)加工面的平面度，及相關(guān)面的相對(duì)高差，確保加工尺寸符合要求。門葉加工裝置見下圖“圖4鋼閘門止水面快速加工裝置圖”[3]。

圖4 鋼閘門止水面快速加工裝置圖

2.5 門葉節(jié)間單側(cè)螺栓孔加工

門葉加工完畢，以圖紙尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，采用磁座鉆先鉆門葉“限位裝置結(jié)合面”一側(cè)的節(jié)間連接螺栓孔，要求孔的間距、位置、加工精度均需符合圖紙及規(guī)范的要求，鉆孔完畢清理毛刺并驗(yàn)收合格。

2.6 預(yù)拼裝、門葉面板側(cè)止水面加工，圓孔測(cè)量裝置快速測(cè)量驗(yàn)收

單節(jié)門葉驗(yàn)收合格后，以門葉面板向上狀態(tài)，搭設(shè)門葉預(yù)拼裝平臺(tái)，以中節(jié)門葉為基準(zhǔn)，拼裝定位、加固后，向兩側(cè)依次拼裝相鄰節(jié)門葉。門葉拼裝過程中，每節(jié)門葉定位、整體門葉驗(yàn)收測(cè)量時(shí)使用“圓孔中心距離快速測(cè)量裝置”、全站儀等對(duì)門葉面板上圓周圈大范圍內(nèi)連接螺栓孔進(jìn)行快速定位、測(cè)量，確保螺栓孔的相對(duì)位置公差及精度。拼裝完成后，加工門葉面板側(cè)止水工作面，整體尺寸驗(yàn)收合格。

2.7 專用鉆頭鎬眼門葉節(jié)間連接處

門葉預(yù)拼裝驗(yàn)收合格后，兩節(jié)門葉的節(jié)間連接為螺栓連接、左右兩節(jié)門葉連接處螺栓孔的位置精度要求高，否則會(huì)引起連接處孔錯(cuò)位、面板錯(cuò)位、封水面錯(cuò)位等系列現(xiàn)象。由于門葉節(jié)間空隙小，無法直接鉆孔，采用先鉆門葉“限位裝置結(jié)合面”一側(cè)節(jié)間連接孔（見工序3.5），然后另一側(cè)門葉連接處在整體拼裝調(diào)整到位后鎬眼定位，門葉解體后單節(jié)門葉鉆孔的方式，從而提高門葉連接處螺栓孔的位置精度，確保穿孔合格率100%。

2.8 完成門葉制造

對(duì)所有門葉及附件進(jìn)行消缺處理，并按防腐作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行防腐蝕，完成門葉的制作。

3 結(jié)語

通過以上系列化工藝措施的實(shí)施，解決了水電工程大直徑栓接式鋼堵頭閘門的制造、加工工藝難點(diǎn)技術(shù)問題。實(shí)現(xiàn)了大直徑栓接式堵頭閘門門葉的快速、流水化、高質(zhì)量加工；實(shí)現(xiàn)了大直徑范圍內(nèi)螺栓孔的快速定位、測(cè)量；解決了閘門連接面螺栓孔的高精度對(duì)正等系列問題，保證閘門高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)制造，實(shí)現(xiàn)了閘門節(jié)間、門葉與門槽之間的安裝一次穿孔合格率100%，封水效果良好。該工藝措施的成功實(shí)施，也為今后類似閘門的制造提供了一條新的工藝思路，具有一定的借鑒意義。