大藤峽船閘下閘首巨型人字閘門制造關(guān)鍵技術(shù)

尹紹清，羅文東

（廣西壯族自治區(qū)水利廳，廣西 南寧 530023）

1 研究背景

大藤峽船閘最大水頭40.25 m，通航3000 t級船舶，閘室有效尺寸280 m×34 m×5.8 m（長×寬×檻上水深），最大一次輸水量達(dá)到42×104m3，要求輸水時間小于15 min。與國內(nèi)外已建單級船閘相比，無論是船閘規(guī)模、最大水頭，還是水力指標(biāo)均達(dá)到了國內(nèi)外已建船閘的最高水平。

大藤峽船閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備種類多，技術(shù)參數(shù)指標(biāo)高，其中下閘首人字閘門最大封閉面積1566 m2。該船閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備在總體布置、結(jié)構(gòu)型式、制造工藝等方面技術(shù)復(fù)雜，無直接的經(jīng)驗可循，增加了船閘設(shè)計、施工及運行管理難度。

大藤峽船閘閘門體型巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料多樣、板材厚、焊接量大，不可預(yù)見性因素及不確定性因素均很多，制造難度高。因此有必要對大藤峽下閘首人字閘門制造的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)、分析，為今后類似項目的提供參考。

2 人字閘門結(jié)構(gòu)

大藤峽船閘采用變截面主橫梁結(jié)構(gòu)，面板布置在上游側(cè)，人字閘門兩側(cè)的豎向門縫止水采用剛性止水，門軸柱和斜接柱分別設(shè)有連續(xù)式不銹鋼支撐和墊塊，用以傳遞水壓力并進(jìn)行豎向門縫止水，底檻采用P 形水平橡膠止水。人字閘門主梁間距1.0～2.4 m，從上向下共布置30 根主梁。頂部2 根主橫梁間距縮小并連成整體，以改善啟閉機(jī)拉門點的受力狀態(tài)，增強(qiáng)閘門抗扭剛度以及防撞荷載的傳遞。門葉下部主橫梁原則上按等水壓布置。根據(jù)主梁水壓力變化情況，30 根主梁共分3 組截面設(shè)計，主橫梁按壓彎構(gòu)件進(jìn)行計算。為了控制疲勞和脆性斷裂，適當(dāng)加大門體下部數(shù)根主梁的截面，降低應(yīng)力水平，部分采用Q345GJDZ25鋼材，結(jié)構(gòu)采用圓弧過渡，頂樞A、B桿采用具有良好沖擊韌性的材料。人字閘門門扇下游背面設(shè)有3層預(yù)應(yīng)力背拉桿裝置，用于提高門體抗扭剛度，減小閘門運行時門扇發(fā)生過大的翹曲變形。

人字閘門底樞均采用固定式，由頂蓋、球形軸頭和底座3 部分組成。底樞蘑菇頭不承受水平荷載，頂蓋與門葉底主梁腹板采用絞制孔精制螺栓連接，并用剪力板頂緊。

3 制造過程重點難點分析

3.1 門軸柱與斜接柱的焊接殘余應(yīng)力

人字門門軸柱與斜接柱是兩扇人字閘門形成三角拱支承的直接受力構(gòu)件，傳遞著整扇閘門的水壓力。但該部位空間狹小、板材厚、焊縫多，焊后容易產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，對閘門的受力不利，而且嚴(yán)重影響閘門的疲勞壽命。采用何種焊接變形控制手段和焊后消應(yīng)力及消氫處理是保障閘門安全運行的關(guān)鍵。

3.2 閘門焊后尺寸控制

閘門焊后尺寸控制是大型人字門制造的重點。該人字門總高47.5 m，寬20.2 m，整扇閘門按20 節(jié)分節(jié)制造運輸。由于閘門分節(jié)多，體量大，尺寸要求精度高，不僅單節(jié)閘門制造尺寸須滿足設(shè)計要求，整體拼裝后的尺寸也必須保證。因此有必要制定合理的焊接工藝、工序以及控制手段來保證閘門的制造質(zhì)量。

3.3 蘑菇頭和支枕墊塊的加工

底樞是人字閘門運行過程中最重要運轉(zhuǎn)件之一，也是人字閘門中最關(guān)鍵的部件，承擔(dān)著人字閘門的總體重量，每天需要運轉(zhuǎn)50次，工作十分頻繁。大藤峽下閘首人字閘門底樞蘑菇頭直徑1200 mm。優(yōu)良的加工精度能保證蘑菇頭與球面軸承的良好接觸，改善受力條件，延長使用壽命。該人字閘門連續(xù)式支、枕墊塊均采用圓弧工作面，在閘門工作期間起到傳遞閘門水壓推力及剛性止水的作用，其配合面的加工精度要求很高。如何保證高精度的加工效果是該閘門制造的重點。

3.4 高強(qiáng)鋼Q390GJDZ25焊接難度大

下閘首人字門最大板厚為100 mm，推力隔板厚度為50 mm，材質(zhì)為Q390GJDZ25，焊接難度為C（較難）級別，為首次運用在水工閘門上，焊接難度大。

3.5 巨型船閘人字門門體組裝難度大

大藤峽下閘首人字閘門制造成周期緊、整體尺寸大、制造流程多、分段多、各段制造進(jìn)度不一。同時，整體組裝不但需要大面積的廠房，且要求極高，難度大。

4 焊接

4.1 選擇合適的焊接工藝

人字閘門是焊接結(jié)構(gòu)件，而焊接是一個不均勻加熱和冷卻的過程，在焊后會出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力作為內(nèi)應(yīng)力，對疲勞強(qiáng)度有一定的影響。

4.2 焊接工藝

（1）采用同步對稱、分段、退步等焊接方法，工位安排要求對稱、速度基本保持一致；采用小電流、短弧、多層多道焊，以減少熱量的輸入。

（2）對于大間隙的焊縫，要求在焊縫坡口兩側(cè)進(jìn)行堆焊，然后再進(jìn)行正常焊接。

4.3 焊接順序

部件焊接需嚴(yán)格遵守焊接規(guī)范，焊接過程中按工藝要求的次序和道數(shù)適時翻身，控制好焊接變形。原則：第一次翻身前，大坡口側(cè)焊平，第一次翻身，小坡口清根，焊平，第二次翻身，大坡口側(cè)蓋面，第三次翻身，小坡口側(cè)蓋面。

4.3.1 工字梁組合焊縫焊接程序

將工字梁的腹板平鋪在專用制造胎架上，再將兩翼緣板裝上，在專用胎架上進(jìn)行船型焊接，組合焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊蓋面的焊接方法。焊接流程為：翼緣板與腹板一側(cè)的組合縫焊接→結(jié)構(gòu)翻身→翼緣板與腹板另一側(cè)的組合縫焊接；焊接程序如圖1（焊接方向必須同向）。

圖1 焊接程序圖

4.3.2 邊單元焊接順序

端部主梁腹板與主梁后翼緣板的組合焊縫—推力隔板與端部主梁腹板的組合焊縫—邊隔板腹板與推力隔板的組合焊縫—邊隔板腹板與端部主梁腹板的組合焊縫—端部主梁腹板與端板的組合焊縫。通過這個焊接順序可有效降低邊單元焊接內(nèi)應(yīng)力；后期再經(jīng)過邊單元熱處理退火，可大大降低邊單元焊接應(yīng)力。

4.3.3 門體中部單元焊接順序

從門高方向的中主梁開始同時向門頂、底施焊，門寬方向從門體中心線向兩邊柱同時施焊。

4.4 消應(yīng)、消氫措施

4.4.1 主要焊接構(gòu)件消氫措施

（1）構(gòu)件焊接完成以后，焊縫尚未冷卻到100℃以下時利用履帶式電加熱板進(jìn)行消氫處理。

（2）升溫：升溫到300℃～350℃之間停止升溫。在升溫過程中測溫點溫差不得大于60℃。

（3）保溫：保溫時所有熱電偶溫差±30℃。保溫時間2～3 h后，在空氣中冷卻。

4.5 局部退火技術(shù)措施

（1）在推力隔板、端板部件（推力隔板與端板的組合焊縫為一類焊縫，焊接量較大）制造階段，其焊縫采用局部退火的工藝措施。整個邊單元構(gòu)件制造完畢后，再對其主要焊縫（推力隔板與主梁腹板的組合焊縫，焊接量大）再進(jìn)行局部退火。

（2）焊縫加熱區(qū)域開始升溫?zé)崽幚頃r起始溫度不高于350℃。

（3）升溫速度：升溫過程中300℃以后升溫速度為50～100℃/h。在升溫過程中測溫點溫差不得大于60℃。

（4）保溫：保溫時所有熱電偶溫差±30℃。

（5）降溫速度：高于350℃時降溫速度為50～100℃/h。在350℃以下時可以在空氣中冷卻。

（6）保溫溫度及時間：根據(jù)所用材料及防止焊件表面過度氧化、變形等綜合考慮選用溫度550℃，保溫時間5 h。

（7）保溫層外表面溫度不大于60℃。

（8）熱處理工藝曲線見圖2。

圖2 熱處理工藝曲線圖

4.6 振動消應(yīng)措施

減小總裝焊接工作量，將焊接變形、焊接殘余應(yīng)力分解在各零部件的制作中去。人字門門軸柱與斜接柱是兩扇人字閘門形成三角拱支承的直接受力構(gòu)件，傳遞著整扇閘門的水壓力。在人字門邊單元施工工藝設(shè)計階段，技術(shù)人員將邊單元分為零件、部件，實現(xiàn)“化整為零”，將散件零件再分為推力隔板部件、T型小梁部件及其它散件。

在推力隔板、端板部件（推力隔板與端板的組合焊縫為一類焊縫，焊接量較大）制造階段，將其部件采用退火熱處理的工藝措施，將邊單元的焊接應(yīng)力在制造全周期內(nèi)分階段消除。整個邊單元構(gòu)件制造完畢后，再對其主要焊縫（推力隔板與主梁腹板的組合焊縫，焊接量大）進(jìn)行局部退火，對整個邊單元實施振動消應(yīng)力。

振動時效工藝實施步驟：振前應(yīng)力測試→選擇支撐點、拾振點及第一激振點并掃頻根據(jù)振型選擇第一主振頻率→主振時效共振→分頻共振→振后掃描→振后應(yīng)力測試→效果評定。

4.7 超厚高強(qiáng)鋼板焊接工藝

人字門門葉結(jié)構(gòu)主體材質(zhì)為Q390D、Q390GJD。Q390D 屬于低合金高強(qiáng)度鋼種，Q390GJD 屬于建筑結(jié)構(gòu)用鋼，兩者都屬于Ⅲ類鋼材，焊接難度為C（較難）級別。

結(jié)構(gòu)由10～100 mm低合金高強(qiáng)鋼板構(gòu)成，焊縫多且焊縫要求高，焊縫種類主要有：角焊縫、組合焊縫和對接焊縫；主要的焊接位置有：平、立、仰焊、全位置焊；主要采用國內(nèi)常用的藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊及埋弧焊接方法。

（1）焊前坡口及其兩側(cè)30 mm 范圍應(yīng)無油污、水漬、氧化皮、鐵銹、鍍鋅層等有害物。

（2）焊接過程中，焊道間應(yīng)清除焊渣、焊瘤、飛濺等影響焊接的雜物，收弧時，注意填滿弧坑。

（3）t≤20 mm 時，預(yù)熱溫度不低于20℃；20 mm＜t≤40 mm 時，預(yù)熱溫度不低于60℃，40＜t≤50 mm時，預(yù)熱溫度不低于80℃；層間溫度不得低于預(yù)熱溫度，但不得超過230℃。

（4）焊縫背面焊前清根見白。

（5）風(fēng)速＞2 m/s時，采取防風(fēng)措施。

（6）環(huán)境濕度≤90%。

焊接接頭型式、坡口尺寸見圖3，焊道布置、外觀尺寸見圖4。

圖3 焊接頭型式及坡口尺寸圖

圖4 焊接布置及外觀尺寸圖

5 閘門拼裝關(guān)鍵技術(shù)

5.1 總體拼裝關(guān)鍵技術(shù)

將每節(jié)門葉分解為2 個邊單元和1 個中部單元，各單元由部件和零件組成。邊單元包含門軸柱和斜接柱，中部單元包含面板、主梁、隔板、次梁，連接各單元的零件稱為散件。閘門拼裝流程見圖5。

圖5 閘門拼裝流程圖

焊接收縮量方面，沿門葉的高度方向，在各分節(jié)上預(yù)放焊接收縮量。沿門葉的寬度方向，在主梁兩端頭預(yù)放余量。

制造方法上，以門葉面板為基準(zhǔn)面，在門葉總裝胎架上整體制造，一次性放劃出門葉中心線，半寬線和各分節(jié)的定位基準(zhǔn)線，各分節(jié)間不預(yù)留間隙，在門葉中部單元按一定次序裝焊完工后，再吊裝門葉兩側(cè)邊單元，待同側(cè)的邊單元全部精確調(diào)整定位后，最后焊接邊單元和中部單元的連接焊縫。

5.2 部件拼裝關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 推力隔板“T”型部件組裝（見圖6、圖7）

圖6 推力隔板“T”型部件組裝流程圖

圖7 推力隔板“T”型部件圖

5.2.2 主梁“I”型部件組裝關(guān)鍵技術(shù)（見圖8、圖9）

圖8 主梁“工”型部件組裝流程圖

圖9 主梁“工”型部件圖

5.2.3 中隔板、端隔板部件組裝關(guān)鍵技術(shù)（見圖10、圖11）

圖10 中隔板、端隔板部件組裝流程圖

圖11 中隔板、端隔板部件圖

6 結(jié)語

一流的水利工程大藤峽水利樞紐工程，需一流的設(shè)備制造質(zhì)量?！扒甏笥嫞瑖\所系；質(zhì)量責(zé)任，重于泰山”。在大藤峽水利樞紐人字閘門制造過程中，由于準(zhǔn)備充分，對門體結(jié)構(gòu)制造工藝設(shè)計合理、質(zhì)量保證體系健全、質(zhì)量保證措施到位、人字門的各項制造質(zhì)量指標(biāo)，達(dá)到了一流的設(shè)備質(zhì)量。