大直徑底軸翻板閘門(mén)底軸現(xiàn)場(chǎng)焊接方法研究與應(yīng)用

周毓 俞駿 方芳

(浙江江能建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051)

1 工程概況

北支江綜合整治工程項(xiàng)目是改善北支江水系綜合環(huán)境、提升富陽(yáng)城區(qū)防洪能力，滿足杭州亞運(yùn)會(huì)水上賽事需求的系統(tǒng)工程。也是杭州三江匯未來(lái)城的重要實(shí)踐區(qū)富陽(yáng)區(qū)打造現(xiàn)代版富春山居圖的卷首示范段。

上游水閘、船閘工程位于杭州市富陽(yáng)區(qū)富春江與北支江交界點(diǎn)下游50m處，工程等級(jí)為Ⅲ級(jí)，水閘為2級(jí)建筑物，水閘洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇設(shè)計(jì)，50年一遇校核。水閘采用3孔設(shè)計(jì)，每孔凈寬60.0m，總寬225.0m。船閘布置在水閘的最右側(cè)，為一線單級(jí)船閘，閘室有效尺度40.0m×16.0m×3.6m，水閘與船閘均采用底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門(mén)。

2 設(shè)計(jì)和技術(shù)要求

2.1 翻板閘門(mén)布置

翻板閘門(mén)布置在主河道，水閘、船閘為底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門(mén)，水閘最大擋水高程6.00m，單套底軸總長(zhǎng)度68.6m，重量約322t，底軸材料選用低合金(Q355B)鋼板卷焊，底軸全長(zhǎng)機(jī)加工，閘門(mén)門(mén)葉采用主縱梁式結(jié)構(gòu)，與底軸焊接連接。底軸管加工后板厚為80mm，最大直徑Φ2010mm，跨中底軸各段之間采用焊接連接。拐臂設(shè)在底軸兩端，啟閉機(jī)通過(guò)拐臂驅(qū)動(dòng)翻板閘門(mén)，啟閉設(shè)備分別布置在閘孔兩側(cè)的閘墩機(jī)房?jī)?nèi)。底軸共設(shè)10個(gè)支點(diǎn)，用以承受徑向荷載，設(shè)計(jì)各支鉸點(diǎn)間的不均勻沉降小于5mm。底軸在閘室的整體布置如圖1所示。

圖1 底軸整體布置

2.2 翻板閘門(mén)主要參數(shù)

1)孔口型式為露頂式，孔口凈寬60.0m ，止水寬度60.0m；2)底檻高程1.5m，門(mén)頂高程6.0m，擋水水位外江6.0/內(nèi)河5.4；外江1.79/內(nèi)河5.4m；3)閘門(mén)型式為底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門(mén)，操作條件為動(dòng)水啟閉(開(kāi)門(mén)：外江6.0/內(nèi)河5.4；關(guān)門(mén)：≤0.5m)；4)孔數(shù)/閘數(shù)為3/3，啟閉機(jī)型式為臥式液壓式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)容量為2×6300kN(壓)/2×4000kN(拉)。

2.3 底軸主要技術(shù)要求

1)底軸采用中空結(jié)構(gòu)，法蘭連接型式；2)底軸采用δ80mm的Q355B鋼板卷制焊接而成，法蘭采用δ100mm的Q390B鋼板。焊縫按一級(jí)焊縫要求，現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫總長(zhǎng)133m，100%焊縫長(zhǎng)度進(jìn)行超聲波探傷及外觀檢查合格，并符合JB 1151《高壓無(wú)縫鋼管超聲波探傷規(guī)定》；3)厚度大于50mm的碳素鋼和厚度大于36mm的低合金鋼，施焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，焊后應(yīng)進(jìn)行后熱。溫度控制應(yīng)按施工圖紙或焊接工藝評(píng)定確定；4)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)，按施工圖紙規(guī)定的焊縫質(zhì)量等級(jí)，并按GB 50205第4.5.12條～第4.5.21條的規(guī)定，對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查和無(wú)損探傷檢驗(yàn)；5)現(xiàn)場(chǎng)安裝精度應(yīng)重點(diǎn)控制底軸及軸承總成的安裝精度，確保底軸安裝后的實(shí)際軸線與理論軸線的同軸度偏差不大于0.2mm/m，全長(zhǎng)同軸度偏差不大于3mm。底軸應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，不得有卡阻現(xiàn)象[1]。

3 翻板閘門(mén)施工計(jì)劃

翻板閘門(mén)底軸既是門(mén)葉的支撐構(gòu)件，也是閘門(mén)的傳力構(gòu)件，部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)上還作為底水封的工作座面使用。為降低機(jī)加工難度、節(jié)約工期、保證質(zhì)量、減少后期檢修工作，北支江項(xiàng)目采用焊接式底軸。實(shí)現(xiàn)“底軸安裝后的實(shí)際軸線與理論軸線的同軸度偏差不大于0.2mm/m，全長(zhǎng)同軸度偏差不大于3mm”這一主控指標(biāo)，翻板閘門(mén)底軸安裝全過(guò)程控制成為技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。

3.1 底軸分節(jié)與預(yù)總裝

3.1.1 工期和現(xiàn)場(chǎng)條件

遵循工程總工期和水工建筑物的施工節(jié)點(diǎn)安排，分析底軸驅(qū)動(dòng)翻板門(mén)安裝場(chǎng)地利用率和吊裝場(chǎng)地，確定安裝工期為125d。

3.1.2 底軸分節(jié)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地情況、加工設(shè)備能力、交通運(yùn)輸能力、現(xiàn)場(chǎng)吊裝范圍和起重極限，優(yōu)化閘門(mén)特別是底軸的分節(jié)方案。編制《閘門(mén)運(yùn)輸、吊裝施工方案》《翻板閘門(mén)底軸焊接方案研究專題報(bào)告》等，完整、系統(tǒng)的施工方案保障了安裝質(zhì)量，降低現(xiàn)場(chǎng)安裝強(qiáng)度，加快施工工期，減少現(xiàn)場(chǎng)焊縫和焊接工作量。

水閘底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門(mén)為3套，單套底軸總長(zhǎng)度68.6m，重量約322t，經(jīng)充分論證，確定底軸分為10節(jié)制造，最大管徑2010mm，最重安裝管節(jié)重65t。

3.1.3 底軸廠內(nèi)預(yù)總裝

底軸在制造廠內(nèi)的總裝是對(duì)底軸制造質(zhì)量的整體檢驗(yàn)，也是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量的重要保障。底軸廠內(nèi)總裝將門(mén)葉、底軸、拐臂、軸承座(含軸承)、防水套管等全部無(wú)約束總拼，門(mén)葉水平或垂直布置，拐臂與門(mén)葉達(dá)到設(shè)計(jì)角度。

總裝后主要檢查底軸全長(zhǎng)同軸度、直線度；拐臂與門(mén)葉工作角度；軸承座、穿墻套管與底軸組合情況；門(mén)葉與底軸的外形尺寸；各連接部位的間隙等。并在組合處打上明顯的標(biāo)記、編號(hào)，并設(shè)置可靠的定位裝置。

3.2 底軸現(xiàn)場(chǎng)總裝

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)吊裝

嚴(yán)格按照事前編制的吊裝方案實(shí)施，做好安全防護(hù)措施。每段管節(jié)吊裝按預(yù)留標(biāo)記、編號(hào)和定位裝置進(jìn)行。

3.2.2 總拼與調(diào)整

待底軸全部就位后，以設(shè)計(jì)里程、高程為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整底軸管的軸線；以閘室中心線及各軸承座中心為準(zhǔn)，調(diào)整各軸承座間距；墊實(shí)軸承座底座，調(diào)整各管節(jié)焊縫間隙。

3.3 定位檢測(cè)

1)依據(jù)原始測(cè)量點(diǎn)，利用經(jīng)緯儀或全站儀測(cè)量底軸中心(里程)及高程，測(cè)量點(diǎn)為各底軸管節(jié)軸承座位置的不銹鋼加工面，取得原始數(shù)值；2)在底軸X(水平)及Y(垂直)方向設(shè)置兩道鋼琴線，該兩道鋼琴線將作為全過(guò)程測(cè)量點(diǎn)固定在底軸上，使用到閘門(mén)安裝調(diào)試完成。取得原始測(cè)量數(shù)值；3)使用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量，激光跟蹤方法分析取得的數(shù)據(jù)。

經(jīng)局部位置微調(diào)，通過(guò)三個(gè)測(cè)量方法檢測(cè)，底軸軸線和同軸度達(dá)到設(shè)計(jì)的“底軸安裝后的實(shí)際軸線與理論軸線的同軸度偏差不大于0.2mm/m，全長(zhǎng)同軸度偏差不大于3mm”的要求。

4 底軸的焊接

底軸最終的尺寸控制取決于現(xiàn)場(chǎng)焊接的質(zhì)量控制。合理的焊接方法、焊接工藝決定了后期的底軸軸線同軸度控制、焊接質(zhì)量、施工工期、勞動(dòng)強(qiáng)度等各方面。

4.1 焊接方法的確定

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工空間小、環(huán)境差、工期緊；底軸管焊接工作量大、質(zhì)量要求高、變形控制難度大的實(shí)際情況，我公司進(jìn)行底軸管焊接方法的比選，編制《翻板閘門(mén)底軸焊接方案研究專題報(bào)告》，經(jīng)專家評(píng)審落實(shí)實(shí)施。確定了“管道全位置智能焊接方式”作為一個(gè)創(chuàng)新方法應(yīng)用在本工程底軸管焊接上[3]。

管道全位置智能焊接方法特點(diǎn)為：1)采用底軸管固定，焊接小車環(huán)焊縫自動(dòng)行走的方式實(shí)現(xiàn)管道全位置焊接，無(wú)需人工施焊；2)設(shè)備具有自動(dòng)焊接功能，工藝先進(jìn)，效率高，焊接人員勞動(dòng)強(qiáng)度比手工焊接減小70%以上，焊接工時(shí)投入減少60%左右。焊接效率最大化，理論上可以24h作業(yè)；3)質(zhì)量控制簡(jiǎn)單，設(shè)備性能及參數(shù)設(shè)置決定質(zhì)量，大大降低因人為操作因素的影響，不受焊接人員的數(shù)量、技能、體質(zhì)影響；4)設(shè)備焊絲直徑小，焊接電流小，比常規(guī)埋弧焊接、手工電弧焊熱輸入大大減少，使得焊接變形較?。?)底軸管底部與閘室底板間距為450mm，焊接人員操作空間狹小，長(zhǎng)時(shí)間焊接強(qiáng)度大、質(zhì)量難保證。而焊接小車能全位置自由行走，解決焊接空間的難點(diǎn)。

制焊接工藝：確定了“管道全位置智能焊接方式”后，我公司與焊接機(jī)器人制造廠家針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)共同研發(fā)焊接設(shè)備，進(jìn)行了多輪試制、試驗(yàn)，確定了產(chǎn)品型號(hào)和各項(xiàng)設(shè)備基本參數(shù)。研發(fā)、采購(gòu)該焊接設(shè)備，在制造廠進(jìn)行焊接試驗(yàn)，編制焊接工藝。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)焊接施工

4.2.1 焊前準(zhǔn)備

1)焊接之前，清理焊縫及焊縫兩側(cè)10～20mm范圍內(nèi)無(wú)油污、鐵銹、毛刺等雜物，直至露出金屬光澤；2)焊縫的坡口型式與尺寸符合施工總圖的規(guī)定和工藝要求。符合GB 985和GB 986?，F(xiàn)場(chǎng)焊口鋼管內(nèi)壁處采用機(jī)制90°U形外坡口，過(guò)渡到外壁側(cè)采用20°V形外坡口，不留鈍邊，焊縫間隙保持在8mm，內(nèi)襯鋼套管墊焊法焊接；3)定位加固焊要求：長(zhǎng)度50～100mm，間距100～400mm，焊縫高度最大不超過(guò)6mm；4)焊前預(yù)熱及層間溫度控制，底軸材料為Q355B，板厚有80 mm，鋼材類組別為Ⅱ-1，預(yù)熱設(shè)備采用電加熱器及測(cè)溫計(jì)，預(yù)熱溫度為100～120℃。需預(yù)熱焊接的焊縫進(jìn)行定位焊時(shí)，也進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度較正式焊縫預(yù)熱溫度高20～30℃。

暴發(fā)性心肌炎患者若存在呼吸功能障礙，需盡早啟用呼吸支持（無(wú)創(chuàng)輔助通氣及氣道插管和人工機(jī)械通氣）治療[1]。使用呼吸機(jī)時(shí)需保持口腔清潔，清理呼吸道分泌物確保呼吸道通暢，呼吸機(jī)內(nèi)濕化水充足且無(wú)菌，以防痰液干結(jié)和呼吸道感染[5]。加強(qiáng)氣道導(dǎo)管的固定，觀察氣管插管是否移位[5]。協(xié)助患者調(diào)整臥位時(shí)，先妥善固定導(dǎo)管，患者煩躁不安時(shí)，需給予安慰，預(yù)防非計(jì)劃性拔管。監(jiān)測(cè)動(dòng)靜脈血氧分壓，協(xié)助醫(yī)生調(diào)節(jié)呼吸機(jī)參數(shù)[7]。

焊縫層間溫度不低于預(yù)熱溫度，且不高于230℃。多層焊時(shí)連續(xù)施焊，每一道焊完后及時(shí)清理焊渣及表面飛濺物，若中斷施焊，采取保溫措施，必要時(shí)進(jìn)行后熱處理，再次焊接時(shí)重新預(yù)熱溫度應(yīng)高于初始預(yù)熱溫度[4]。

環(huán)縫焊接后立即進(jìn)行后熱處理，后熱溫度取200～230℃，保溫時(shí)間2h。后熱的電加熱器的布置和操作方法與預(yù)熱的相同。

整個(gè)底軸安裝工期跨越秋冬季，底軸管焊接未出現(xiàn)焊接裂紋等缺欠，合理的溫控措施有效的保障了底軸管焊接的質(zhì)量。焊接分層如圖2所示。

圖2 焊接分層焊接圖

4.2.2 焊接規(guī)范及參數(shù)選擇

焊接參數(shù)根據(jù)焊接工藝評(píng)定確定。焊接方案經(jīng)專家評(píng)審獲得通過(guò)。

4.2.3 焊接順序及要求

圖3 施工工藝流程表

4.3 焊接質(zhì)量保證

1)分段底軸管聯(lián)接處設(shè)計(jì)采用了滿足強(qiáng)度、剛度和高精度定位要求的定位內(nèi)套管，與底軸管徑向之間配合間隙很小，打底焊接時(shí)又可作為“鋼襯墊”，使根部焊透保證焊接質(zhì)量，在采取合理的焊接方法和焊接工藝下，焊接時(shí)底軸在定位套管作用下，底軸同軸度和彎曲度控制在設(shè)計(jì)和規(guī)范要求范圍內(nèi)。

2)設(shè)計(jì)的分段底軸管聯(lián)接焊縫型式和坡口開(kāi)設(shè)方案，滿足規(guī)范要求，而且焊道面積小，即填充金屬少，相對(duì)焊接熱影響區(qū)范圍小，在焊接過(guò)程熱輸入較小，焊接殘余應(yīng)力降低，此外該焊縫的結(jié)構(gòu)形式焊后焊縫主要產(chǎn)生拉應(yīng)力，產(chǎn)生的壓應(yīng)力可以忽略不計(jì)，焊后只需進(jìn)行消應(yīng)后熱處理，就可以有效避免焊縫中裂紋缺陷的產(chǎn)生。

3)底軸環(huán)縫為一類焊縫，質(zhì)量檢測(cè)分為外觀檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。底軸焊縫總長(zhǎng)132m，探傷長(zhǎng)度132m，探傷比例100%，返修長(zhǎng)度0.16m。焊縫檢測(cè)一次合格率均超過(guò)99%，二次合格率100%。經(jīng)第三方檢測(cè)全部合格。檢測(cè)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

5 軸線同軸度檢測(cè)

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，我公司自始自終將底軸線同軸度的保證作為最根本的要求，底軸的分節(jié)方案、焊接專項(xiàng)方案、閘門(mén)安裝方案、質(zhì)量保證措施等都是圍繞著這一中心展開(kāi)。合理、有效、可驗(yàn)證的檢測(cè)方法和檢測(cè)頻次是底軸軸線同軸度的最后保證措施。

5.1 張拉鋼琴線測(cè)量

底軸在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝總拼后，立刻在底軸X(水平)及Y(垂直)方向設(shè)置兩道鋼琴線，利用等距鋼琴線人工手動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)固定在底軸不銹鋼加工面。在取得原始測(cè)量數(shù)值后，每天兩次由測(cè)量人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析數(shù)據(jù)變化，判斷底軸變形原因，有針對(duì)性的對(duì)底軸進(jìn)行尺寸微調(diào)或焊接措施調(diào)整。該兩道鋼琴線將作為施工全過(guò)程測(cè)量點(diǎn)固定在底軸上，并進(jìn)行有效保護(hù)，使用到閘門(mén)安裝調(diào)試完成。

5.2 全站儀測(cè)量

利用全站儀測(cè)量底軸中心(里程)及高程，測(cè)量點(diǎn)為各底軸管節(jié)軸承座位置的不銹鋼加工面。取得原始數(shù)值后，每道焊縫焊接前及焊接后進(jìn)行復(fù)測(cè)，每個(gè)階段對(duì)比全站儀及鋼琴線測(cè)量數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)變化，判斷底軸軸線變形原因，采取有效措施進(jìn)行調(diào)整。

5.3 激光跟蹤儀測(cè)量

激光跟蹤儀對(duì)每孔底軸分兩次檢測(cè)：底軸現(xiàn)場(chǎng)總裝完成及底軸與整體焊接完成后進(jìn)行，有效的控制底軸安裝時(shí)的起始質(zhì)量和最終質(zhì)量。激光跟蹤方法檢測(cè)時(shí)，靶球在軸承座兩側(cè)的加工法蘭面移動(dòng)確定檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)激光跟蹤儀確定靶球坐標(biāo)，將每個(gè)法蘭面的點(diǎn)擬合成圓(圓柱)，進(jìn)而測(cè)量同軸度和同軸度偏差[5]。

利用兩端法蘭面擬合圓柱，中間法蘭面圓心Y向(水流)、Z向(豎直)的同軸度偏差結(jié)果均符合要求，其中個(gè)別法蘭面Z向超標(biāo)，經(jīng)施工單位調(diào)整后滿足要求。其中1#底軸的同軸度焊接前后檢測(cè)結(jié)果分別如圖4所示。

(a)焊接前

(b)焊接后

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)幾種方式檢測(cè)，取得數(shù)據(jù)后相互校核，北支江綜合整治工程翻板閘門(mén)3套水閘底軸和2套船閘底軸的同軸度偏差均小于3mm，符合設(shè)計(jì)要求。

底軸軸線同軸度多方式檢測(cè)的實(shí)施也有效保障了底軸主要指標(biāo)的完成。

6 工程實(shí)施評(píng)價(jià)與技術(shù)成果

北支江綜合整治工程項(xiàng)目上游水閘、船閘工程大直徑底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門(mén)底軸焊接方法的研究與應(yīng)用，利用了當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，研發(fā)了有效的焊接設(shè)備，探索出了大直徑厚壁底軸焊接的新工藝，解決了對(duì)大直徑底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門(mén)安裝的關(guān)鍵性難點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)了水工金屬結(jié)構(gòu)厚壁管道焊接的新途徑，有較大的推廣價(jià)值。以全過(guò)程質(zhì)量控制為依托，多方協(xié)作、共同創(chuàng)新，解決了施工難題，體現(xiàn)了新時(shí)代的工匠精神，為國(guó)家水利事業(yè)添磚加瓦。