新型大跨度雙拱曲面閘門形位尺寸控制與檢測(cè)探析

許 衡，高 升，昝圣瑞

（山東省水利工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

威海市南海新區(qū)香水河擋潮閘是一座具有防潮（洪）、水資源開發(fā)利用、改善水環(huán)境等綜合效益的大（2）型水利工程，設(shè)計(jì)等別Ⅱ等。全閘共14 孔，總寬463 m，總凈寬為364 m，單孔凈寬26 m，工作閘門采用露頂式雙拱曲面鋼閘門雙向擋水。閘門門體材質(zhì)采用Q355B，工程塑料合金自潤(rùn)滑滑道支承，止水為雙P 型橡塑復(fù)合水封，埋件使用耐腐蝕合金鑄鐵軌道。

該新型大跨度雙拱曲面鋼閘門是由上弦拱、下弦拱、腹桿、弦桿、面板、拱腳等組成的型鋼拱桁架結(jié)構(gòu)。閘門面板為圓弧拱曲面，弦桿兼作水平次梁，閘門面板與弦桿焊接為一體組成上弦拱，承擔(dān)臨海面荷載；下拱為兩道圓弧拱。下弦拱、弦桿和腹桿均為H 型鋼，端柱為箱型的拱腳結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使得閘門整體結(jié)構(gòu)受力合理，各構(gòu)件焊接方便，但由于閘門結(jié)構(gòu)尺寸龐大且雙面圓弧拱，制作過程中形位尺寸的控制極為重要，這不僅影響閘門上弦拱、下弦拱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對(duì)減輕振動(dòng)、降低噪音、延長(zhǎng)構(gòu)件使用壽命及安全運(yùn)行等都具著重要意義。

1 閘門制造形位尺寸控制措施

1.1 正反向拱的制作

1）面板與弦桿曲率半徑的反變形控制。該閘門的面板與弦桿焊接為一體，組成圓弧形上弦拱，面板厚度12 mm，面板后的上弦桿為H 鋼型號(hào)H500×400。類似于弧形閘門的門葉制造，面板焊縫是在相對(duì)自由狀態(tài)下進(jìn)行焊接，由于焊縫先焊弧度內(nèi)側(cè)，焊接以后的變形特點(diǎn)是面板曲率半徑變小，為保證焊接后圓弧拱的面板曲率半徑，必須采用使面板外張的反變形措施，在拼裝前卷制時(shí)適當(dāng)讓構(gòu)件的圓半徑略大于設(shè)計(jì)圓半徑（一般控制在大于設(shè)計(jì)圓半徑1‰～6‰較為適宜），弧形工作臺(tái)和H 鋼上弦桿也按照放大后的圓拱半徑相應(yīng)調(diào)整。

2）反向拱制作。香水河擋潮閘雙拱曲面鋼閘門為雙拱板桁結(jié)構(gòu)，其反向拱為H 鋼型號(hào)H600×500，圓弧拱幾何尺寸是由H 鋼校正機(jī)滾圓、火焰矯正修弧配合精確的檢查樣板制作完成的。H 鋼上弦桿也采用了同樣的制作方法。

1.2 焊接變形的控制

1.2.1 影響焊接變形的主要因素

1）單構(gòu)件截面形狀。構(gòu)件盡量采用型鋼，以減小焊接量控制變形。構(gòu)件選型是閘門前期設(shè)計(jì)人員考慮的問題，后期生產(chǎn)廠家只能是從制作工藝提出建議。香水河擋潮閘大跨度雙拱曲面鋼閘門的下弦拱、弦桿和腹桿設(shè)計(jì)均采用了H 型鋼，為閘門制作控制焊接變形提供了有利條件。

2）板厚。關(guān)系到焊接參數(shù)及工藝方法。閘門各構(gòu)件的板厚在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐腐蝕和構(gòu)件重要性等因素，閘門制造應(yīng)針對(duì)構(gòu)件不同板厚，實(shí)施不同的焊接參數(shù)及工藝方法。為控制構(gòu)件焊接變形，厚板的焊接應(yīng)當(dāng)采用多層多道焊，并根據(jù)焊絲直徑及焊接位置和板厚選用適當(dāng)?shù)暮附与娏?、電弧電壓和焊接速度?/p>

3）焊縫間隙和坡口。主要反映在下料及拼裝工序?qū)︿摪寤驑?gòu)件形位尺寸精度的控制。隨著數(shù)控設(shè)備的普及，閘門面板等部件的下料尺寸更加精確，拼裝時(shí)形位偏差（垂直度等）、焊縫間隙和坡口均較易滿足設(shè)計(jì)和工藝要求。

4）焊接順序。大跨度雙拱曲面鋼閘門主要采用了先立后平、先內(nèi)后外、由上而下的焊接順序。

5）焊接方法。主要采用手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧自動(dòng)焊3 種焊接方法。面板對(duì)接長(zhǎng)焊縫采用埋弧自動(dòng)焊焊接方法、V 型坡口、坡口鈍邊2 mm，背縫用碳弧氣刨清根后焊接；其余焊縫優(yōu)先采用生產(chǎn)效率高、焊接成本低、焊縫質(zhì)量好、焊后變形較小、適用于各種位置和板厚焊接的CO2氣體保護(hù)焊，減少手工電弧焊焊接。1.2.2 焊接工藝設(shè)計(jì)原則

1）焊接工藝必須符合閘門制造詳圖、GB/T14173 規(guī)范及合同文件的要求。2）閘門焊接工序應(yīng)符合焊接作業(yè)文件、水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件SL36 的要求。3）對(duì)第一次使用的材料和未經(jīng)驗(yàn)證過的焊接工藝進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，以評(píng)定合格的工藝參數(shù)，作為編制焊接工藝規(guī)程的依據(jù)。4）焊工持證上崗，合理規(guī)定焊接設(shè)備、人員，焊接條件及焊接環(huán)境要求。5）選擇與閘門母材材質(zhì)相匹配的焊接材料及輔材。6）根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理確定焊接順序。7）合理選擇焊縫預(yù)熱、后熱等措施。8）明確焊縫質(zhì)量等級(jí)類別、檢測(cè)方法及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等。

1.2.3 焊接變形控制措施

1）根據(jù)雙拱閘門的特點(diǎn)，按工序制定合理的下料、平板、焊接、組裝、反變形方法。對(duì)于一、二類焊縫通過焊接工藝評(píng)定確定焊接參數(shù)、焊接順序及焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)方法。2）嚴(yán)格控制單構(gòu)件制作質(zhì)量，板材采用數(shù)控下料，保證構(gòu)件尺寸的一致性。合理選擇焊接方法，降低單構(gòu)件誤差對(duì)閘門門葉結(jié)構(gòu)整體組裝質(zhì)量精度的影響。3）合理制定焊接順序和方向，利用焊接本身的變形規(guī)律減少焊接變形，達(dá)到控制閘門結(jié)構(gòu)尺寸的目的。對(duì)面板反變形法，以保證門葉組裝焊接收縮后面板的平面度，同時(shí)組裝過程中優(yōu)化各構(gòu)件的拼裝順序，以減少拼裝不當(dāng)引起門葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)制內(nèi)應(yīng)力。4）盡量保證門體均勻收縮，按照焊接工藝評(píng)定確定的焊接參數(shù)和順序，分區(qū)、分段對(duì)稱施焊，保持焊接方向、速度和線能量的一致。5）采取小范圍施焊，增加焊接層次，以此減少焊接變形量，減小構(gòu)件外形尺寸的偏差。6）焊接過程中設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)控門葉結(jié)構(gòu)豎向平直度和圓拱弧度的變形情況，做到變形異常及時(shí)調(diào)整焊接工藝。焊后全部焊縫要進(jìn)行外觀和無損探傷檢驗(yàn)，局部變形用火焰加熱矯正幾何尺寸。

2 閘門制造質(zhì)量檢測(cè)

2.1 閘門幾何尺寸和形位公差檢測(cè)

2.1.1 檢測(cè)方法

根據(jù)雙拱曲面閘門設(shè)計(jì)圖樣，采用Leica AT402 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的幾何尺寸和形位公差進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)控制參數(shù)：

1）閘門的外形幾何尺寸，包括寬度、高度等。

2）門體主要構(gòu)件形位公差，包括前后雙曲拱面的曲率、吊耳形位公差、主梁與邊梁的形位公差等。雙拱曲面閘門門體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸龐大，門體結(jié)構(gòu)尺寸和形位公差必須嚴(yán)格控制，否則易導(dǎo)致閘門啟閉困難，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)閘門的安全運(yùn)行極為不利。本次采用Leica AT402 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)閘門制造質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，具有精度高、速度快、空間三維、自動(dòng)跟蹤測(cè)量等特點(diǎn)，尤其對(duì)該閘門的大型曲面結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可精確構(gòu)建出閘門的前后雙曲拱面。

2.1.2 檢測(cè)儀器

Leica AT402 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是一種便攜式高精度的空間幾何量測(cè)量與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，能對(duì)大型工件、工具和構(gòu)件進(jìn)行尺寸測(cè)量與誤差評(píng)價(jià)、形位誤差計(jì)算與評(píng)價(jià)；能根據(jù)CAD 模型進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，并完成空間位置測(cè)量；測(cè)量結(jié)果與分析報(bào)告能圖形化顯示與輸出；測(cè)量的原始數(shù)據(jù)和分析報(bào)告皆能按通用的幾何和文本格式輸出，能夠輸出AUTOCAD 圖形，能夠生成數(shù)控加工程序；能夠進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量編程與自動(dòng)測(cè)量功能。

2.1.3 檢測(cè)結(jié)論

依據(jù)閘門制造詳圖及《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》GB/T 14173—2008，對(duì)威海市南海新區(qū)香水河擋潮閘工程編號(hào)為1#的雙拱曲面鋼閘門主要幾何尺寸進(jìn)行了檢測(cè)（抽檢），所檢項(xiàng)目全部合格。

2.2 閘門焊接質(zhì)量檢測(cè)

2.2.1 檢測(cè)方法

根據(jù)《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》GB/T14173-2008、《水工金屬結(jié)構(gòu)制造安裝質(zhì)量檢驗(yàn)通則》SL582-2012、《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》SL36-2007、《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級(jí)》GB11345-2013 等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備制造焊縫的外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。相應(yīng)的檢測(cè)方法和檢測(cè)比例按上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。

2.2.2 檢測(cè)儀器

焊縫外觀采用焊縫檢驗(yàn)尺進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)焊縫表面質(zhì)量有懷疑時(shí)，用磁粉探傷機(jī)檢測(cè)。焊縫內(nèi)部質(zhì)量采用全數(shù)字智能超聲波探傷儀PXUT-320C 進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.3 檢測(cè)結(jié)論

依據(jù)有關(guān)規(guī)范，對(duì)編號(hào)為1#的閘門主梁翼板對(duì)接焊縫與腹板對(duì)接焊縫進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超過驗(yàn)收等級(jí)的缺欠反射回波信號(hào)，檢測(cè)質(zhì)量評(píng)定為合格。

3 結(jié) 論

威海市南海新區(qū)香水河擋潮閘大跨度雙拱曲面閘門為原創(chuàng)性新型閘門，根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備制造監(jiān)理重點(diǎn)對(duì)正反向拱的制作、焊接變形控制和檢測(cè)方法等進(jìn)行了過程控制，取得了較好的效果。工程自2018 年汛前投入運(yùn)用至今，閘門啟閉靈活、止水嚴(yán)密、運(yùn)行狀況良好，大幅提高了當(dāng)?shù)胤里L(fēng)暴潮能力，對(duì)保障區(qū)域供水安全、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。