曹 峽 榮， 李 友 明

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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溪洛渡水電站8 000 kN/160 kN雙向門(mén)機(jī)門(mén)架制造工藝

曹 峽 榮， 李 友 明

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

溪洛渡水電站壩頂8 000kN/160kN雙向門(mén)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)制造的水電站最大啟閉容量的門(mén)機(jī)。其門(mén)架結(jié)構(gòu)具有外形尺寸大、自重大、制造工藝復(fù)雜等特點(diǎn)。在制造過(guò)程中，采用了合理的拼焊工藝及特定的預(yù)組拼方法，使該門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)制造達(dá)到了各項(xiàng)技術(shù)要求，為大型門(mén)機(jī)的制造提供了技術(shù)參考。

溪洛渡水電站；特大型門(mén)機(jī)；拼焊；預(yù)組拼

1 概 述

金沙江溪洛渡水電站壩頂8 000kN/160kN雙向門(mén)機(jī)額定起重量為800t，是目前國(guó)內(nèi)水電站用最大啟閉容量的門(mén)機(jī)，使用工況為斜拉受載;小車(chē)行走采用液壓系統(tǒng)控制的兩根油缸同步驅(qū)動(dòng)，安裝在溪洛渡水電站混凝土雙曲拱壩頂621.6m高程近300m圓弧半徑的弧形軌道上，總重量為860t。大車(chē)軌道跨距為12.5m，同軌臺(tái)車(chē)跨距為13m，主要用于溪洛渡水電站深孔弧門(mén)的吊裝。該門(mén)機(jī)門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)具有外形尺寸大、結(jié)構(gòu)重、拼焊工藝復(fù)雜、預(yù)組拼安全風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。

2 門(mén)機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、難點(diǎn)分析

溪洛渡水電站壩頂8 000kN/160kN雙向門(mén)機(jī)的門(mén)架結(jié)構(gòu)由上部結(jié)構(gòu)、H形門(mén)腿、下橫梁1、下橫梁2、立柱及外伸梁、懸臂梁等組成，各梁體之間采用連接板高強(qiáng)螺栓連接，總重量為352t，高度為25.5m，主材為Q345C。門(mén)架結(jié)構(gòu)制作依據(jù)在滿(mǎn)足DL/T5019-94的同時(shí)，還須滿(mǎn)足圖紙技術(shù)要求與合同技術(shù)條款。門(mén)架結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)表1。

門(mén)架的主要技術(shù)要求：

(1)主梁跨中上拱度為11.5～17.5mm；

(2)兩主梁同一截面水平高差≤5mm；

(3)上部結(jié)構(gòu)四個(gè)對(duì)角頂點(diǎn)的標(biāo)高相對(duì)差≤5mm；

(4)小車(chē)軌道中心相對(duì)主梁腹板中心相對(duì)偏差≤6mm；

表1 門(mén)架結(jié)構(gòu)組成表

(5)H形門(mén)腿的上下開(kāi)檔尺寸為13 500±2mm；

(6)門(mén)腿的高度為16 700±2mm；

(7)所有加工結(jié)合面間隙≤0.3mm。

溪洛渡水電站8 000kN/160kN門(mén)機(jī)的門(mén)架制作難點(diǎn)集中于上部結(jié)構(gòu)中主梁、門(mén)腿的單件制作以及制作廠(chǎng)內(nèi)的預(yù)組拼。

3 上部結(jié)構(gòu)采用的制造工藝

3.1 主梁采用的制作工藝

上部結(jié)構(gòu)中主梁為偏軌箱形梁。經(jīng)有限元分析對(duì)腹板應(yīng)力狀態(tài)不同的地方采用了薄厚板對(duì)接，主梁整體為為變截面箱形結(jié)構(gòu)，主腹板與上翼板采用的是T型鋼與Q345鋼板的對(duì)接形式。主梁外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為19 500mm×1 800mm×4 850mm。單件腹板由5種不同厚度的鋼板組成，零件板厚差異較大，一、二類(lèi)全熔透焊縫多，焊接變形不易控制。主梁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 主梁結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 單件主梁上拱值的預(yù)留及焊接坡口設(shè)置

門(mén)機(jī)在吊裝工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生下?lián)?，為保證門(mén)架結(jié)構(gòu)的安全性，主梁制作完成后需有一定的起拱值。DL/T5019-94規(guī)范要求主梁制作完成后跨中上拱度范圍為F=(0.9～1.4)L/1 000，式中F為起拱值；L為主梁跨度。單件主 梁 的 跨 度 為12.5m，故跨中上拱度應(yīng)控制在11.5～17.5mm范圍內(nèi)。制作時(shí)主梁跨中上拱值的確定除需考慮焊接變形外，還要考慮主梁自重及小車(chē)軌道壓板焊接后的主梁產(chǎn)生的下?lián)希虼?，在?jì)算的最大上拱值基礎(chǔ)上還需再加3～4mm進(jìn)行預(yù)起拱，并在主梁腹板下料時(shí)即放樣出起拱的形狀。

主梁腹板下料時(shí)采用整體預(yù)起拱，采用二次拋物線(xiàn)法計(jì)算。以跨距中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算出跨度中任意點(diǎn)(一般取隔板處)的拱度，這些點(diǎn)為二次拋物線(xiàn)上的點(diǎn)，其方程式為：

y=F×(1-4a2/L2)

(1)

式中 y為主梁跨度中任意點(diǎn)的上拱度；a為主梁跨中任意點(diǎn)坐標(biāo)到跨中心坐標(biāo)的水平距離。

由此得到主梁腹板下料時(shí)的上拱度拋物線(xiàn)。

由于主梁的焊縫多、等級(jí)高，對(duì)焊接變形控制要求高，因此，焊接坡口的設(shè)置尤為重要。主梁中T型梁采用的是對(duì)稱(chēng)剖開(kāi)的HW414×405×18×28的H型鋼，T形梁與主梁主腹板、主梁上翼板對(duì)接處、主腹板與下翼板的連接處均開(kāi)制為K45°、2mm鈍邊的焊接坡口，副腹板與上、下翼板的連接處開(kāi)制為V45°/2mm鈍邊坡口。

3.3 主梁的拼裝流程

由于主梁較長(zhǎng)，故翼板、腹板下料后需先對(duì)接成整板，再進(jìn)行主梁梁體的拼焊。

(1)主梁翼板先對(duì)接后再與T型梁對(duì)接。對(duì)接時(shí)按主梁腹板的上拱坐標(biāo)值進(jìn)行支墊，誤差≤2mm，控制T型梁的翼板與主梁上翼板的同一截面的平面度≤1mm。

(2)主梁腹板按照上拱度拋物線(xiàn)進(jìn)行對(duì)接，焊接后距離腹板上拱的零點(diǎn)(端梁中線(xiàn)對(duì)應(yīng)主梁的位置)做一條基準(zhǔn)線(xiàn)。

(3)在放樣后的主梁上翼板上拼裝隔板、縱向加勁筋，吊裝主梁的腹板，按腹板上的基準(zhǔn)線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值控制拼裝尺寸。

(4)主梁的主、副腹板拼裝后，拼裝其余的零件。檢測(cè)、調(diào)整各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求后，拼裝下翼板成箱梁。交檢轉(zhuǎn)入焊接工序。

3.4 主梁的焊接流程

焊接方式、規(guī)范、順序?qū)刂浦髁旱暮附幼冃沃陵P(guān)重要，單件主梁的焊接還需考慮梁體內(nèi)通風(fēng)等安全問(wèn)題。因此，主梁內(nèi)的焊接采用焊接線(xiàn)能量較小的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，由4名焊工同時(shí)焊接，控制立焊焊接電流為160～180A，電壓為21～22V，平焊焊接電流為240～260A，電壓為26～28V。對(duì)于主梁外側(cè)的焊縫，充分利用埋弧焊熔深大、效率高、焊縫成型美觀(guān)的特點(diǎn)進(jìn)行埋弧焊接。埋弧焊焊接參數(shù)如下：打底焊接電流采用500～550A,電壓33～35V;層間及蓋面采用650～670A，電壓38～39V。在確定好焊接方式、人員、參數(shù)后，按以下焊接順序焊接：

(1)焊接隔板與主梁腹板、T型梁、上翼板連接形成的L形焊縫，每條焊縫長(zhǎng)度約為400mm。

(2)焊接主腹板側(cè)與T型梁連接的筋板焊縫。

(3)焊接隔板與腹板、翼板的連接焊縫。

(4)焊接主梁縱向加勁筋與翼板、腹板的連接焊縫。

(5)焊接腹板與翼板、T型梁的對(duì)接焊縫。

(6)焊接主梁梁體內(nèi)其余焊縫。

主梁梁體內(nèi)側(cè)焊縫焊接完后，采用埋弧焊首先焊接外側(cè)主腹板與T型梁的對(duì)接焊縫，再焊接主腹板與下翼板的焊縫，然后翻身焊接梁體另一邊腹板與翼板的焊縫，最后焊接主梁翼板與T型梁翼板的對(duì)接焊縫。

主梁焊接完經(jīng)UT檢查合格后，檢查其各項(xiàng)幾何尺寸，主梁1上拱值為19mm，主梁2上拱值為18mm，水平彎曲為3.5mm，其余各項(xiàng)幾何尺寸均滿(mǎn)足技術(shù)要求。由于主梁還需與端梁連接部位焊接并焊接小車(chē)軌道墊板，將會(huì)產(chǎn)生一定的焊接變形，因此，對(duì)主梁的上拱超標(biāo)部位暫不做修校。

3.5 上部結(jié)構(gòu)的組拼焊

(1) 將單件制作好的主梁與端梁按圖紙要求組拼在一起，兩主梁的中心距按理論尺寸預(yù)加6mm的焊接收縮量進(jìn)行拼裝。

(2)焊接完成后對(duì)其上部結(jié)構(gòu)焊前的臨時(shí)連接部位打開(kāi)釋放焊接應(yīng)力，重新組拼復(fù)檢各項(xiàng)尺寸，待其符合技術(shù)要求后，開(kāi)始拼焊小車(chē)軌道墊板。焊接小車(chē)軌道墊板時(shí)采取跳焊、從中間往兩邊對(duì)稱(chēng)施焊的方式，以盡量減小焊接變形。

(3)小車(chē)軌道墊板焊接后檢測(cè)其上部結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，主梁1的跨中上拱值為17mm，主梁2的跨中上拱值為16m，水平彎曲為4mm，上部結(jié)構(gòu)四個(gè)對(duì)角頂點(diǎn)其標(biāo)高相對(duì)差為2mm，各項(xiàng)幾何尺寸均滿(mǎn)足技術(shù)要求。再進(jìn)行主梁與端梁連接處的高強(qiáng)螺栓孔和鉸制孔的鉆制，最后劃出上部結(jié)構(gòu)的各種中心線(xiàn)、對(duì)位線(xiàn)拼焊臨時(shí)爬梯、欄桿后拆解上部結(jié)構(gòu)待門(mén)架整體預(yù)組拼。

4 H形門(mén)腿采用的制作工藝

4.1 門(mén)腿的單件拼焊

門(mén)架中H形門(mén)腿為斜八字形門(mén)腿。門(mén)腿單件圖為投影圖，腹板及翼板不能反映實(shí)長(zhǎng)，需經(jīng)換算、求得實(shí)長(zhǎng)后再進(jìn)行放樣拼焊。在單件門(mén)腿制作時(shí)，門(mén)腿腹板上應(yīng)預(yù)先放出隔板的位置線(xiàn)，以翼板做為底平面進(jìn)行拼裝。在翼板上放出斜頭及隔板位置線(xiàn)，拼裝隔板及腹板，隔板板厚方向?qū)?yīng)的腹板處有垂球差，其垂球上下差值δ由式2求得。

δ=隔板長(zhǎng)×sinα×sinβ

(2)

按式2計(jì)算出門(mén)腿兩端隔板的垂球差值，依據(jù)所計(jì)算出的垂球差值將門(mén)腿箱梁內(nèi)兩端的隔板調(diào)整到位后,再以門(mén)腿兩端隔板為基準(zhǔn)布置鋼絲線(xiàn)檢測(cè)并調(diào)整中間隔板的拼裝位置。控制門(mén)腿腹板的垂球值≤2mm,腹板、翼板的直線(xiàn)度≤2mm。待焊接完成后修校并轉(zhuǎn)入H形門(mén)腿組拼焊工序。

4.2H形門(mén)腿的組拼焊

以?xún)砷T(mén)腿腹板中心線(xiàn)水平放置狀態(tài)組拼焊H形門(mén)腿，在組拼放樣兩門(mén)腿的開(kāi)檔尺寸時(shí)預(yù)留5mm的焊接收縮量拼裝中橫梁。拼裝完成后，用20#工字鋼連接兩門(mén)腿之間的上下開(kāi)口處，防止焊接變形。

焊接中橫梁與門(mén)腿的連接焊縫，對(duì)稱(chēng)施焊，焊接時(shí)控制電流采用220～260A，電壓24～26V。焊接完成并經(jīng)UT檢查合格后，將H形門(mén)腿上下開(kāi)口處的臨時(shí)連接打開(kāi)以釋放應(yīng)力，檢查門(mén)腿的尺寸、修校變形后再將其重新組拼再一起。復(fù)查各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求后，配鉆中橫梁與門(mén)腿連接處的高強(qiáng)螺栓孔與絞制孔。

劃出門(mén)腿中心線(xiàn)、預(yù)拼裝對(duì)位線(xiàn)后拼焊預(yù)拼裝所需的行走平臺(tái)、欄桿、爬梯、吊裝吊耳等并修割掉門(mén)腿多余的部位，最后拆解H形門(mén)腿待門(mén)機(jī)整體預(yù)拼裝。

5 門(mén)架在工廠(chǎng)內(nèi)的預(yù)組拼工藝

依據(jù)合同技術(shù)條款，該門(mén)機(jī)需在制作廠(chǎng)內(nèi)預(yù)組裝。由于參與門(mén)機(jī)預(yù)組拼結(jié)構(gòu)的重量達(dá)到近400t，故預(yù)組拼前需對(duì)地面基礎(chǔ)進(jìn)行處理，在行走臺(tái)車(chē)以及各支撐部位均需設(shè)置地錨，防止地基下沉。另外，受限于制作廠(chǎng)內(nèi)的起吊能力(制作廠(chǎng)有60t、30t門(mén)座起重機(jī)各一臺(tái)，25t汽車(chē)吊一臺(tái))，且因門(mén)架上部結(jié)構(gòu)重達(dá)114t，單片H形門(mén)腿重約80t，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)和H形門(mén)腿無(wú)法進(jìn)行整體吊裝，因此，只能采取單件分段吊裝、在空中進(jìn)行連接的施工方法。

5.1 預(yù)組拼作業(yè)所采用的吊具、索具

由于溪洛渡水電站8 000kN/160kN雙向門(mén)機(jī)門(mén)架重量重，因此其對(duì)吊具、索具的要求極高。門(mén)架在組裝前必須按照安全施工需要編寫(xiě)《門(mén)架組裝安全技術(shù)方案》，除合理制定部件組裝順序外，對(duì)吊裝使用的吊、索具及風(fēng)繩的選取，必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)及采用科學(xué)的計(jì)算方法進(jìn)行選定。

起重鋼絲繩的選擇須充分考慮吊裝過(guò)程中的不均勻受力，在其使用過(guò)程中，兩繩之間的夾角不得大于60°。根據(jù)GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》規(guī)定，選用6×37，φ26，公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1 770N/mm2，鋼絲繩最小破斷拉力為395kN的纖維芯鋼絲繩進(jìn)行吊裝。

門(mén)架拼裝時(shí)需承受較大的風(fēng)力。因此，纜風(fēng)繩的選擇需考慮門(mén)腿預(yù)拼裝所受到的水平風(fēng)力與防傾覆拉力。按照GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定》規(guī)定，在8級(jí)風(fēng)中應(yīng)繼續(xù)使用的起重機(jī)的最大計(jì)算風(fēng)壓為500N/m2，因此，我們?cè)谟?jì)算水平風(fēng)力時(shí)按上述極限值進(jìn)行計(jì)算。每片H形門(mén)腿最大擋風(fēng)面積約為65m2，每片H形門(mén)腿所受的水平風(fēng)力F1=500N/m2×65m2=32 500N，每片H形門(mén)腿的重心高為16m，H形門(mén)腿橫向偏移最大安全距離為150mm，重量約為83.5t(包括平臺(tái)、走臺(tái)、欄桿、爬梯和加 固 用 料，合 計(jì)3.5t)。纜風(fēng)繩捆綁點(diǎn)高20.5m，則單根纜風(fēng)繩防傾覆最大水平拉力F2=835kN×0.15m/20.5m≈6.1kN；防傾覆需要的水平拉力總F=F1+F2=32.5kN+6.1kN=38.6kN。

該門(mén)架結(jié)構(gòu)的組裝共設(shè)計(jì)了8個(gè)纜風(fēng)繩系結(jié)點(diǎn)，每片門(mén)腿4個(gè)。系結(jié)點(diǎn)焊接在門(mén)腿靠近門(mén)腿上端板位置，離水平基面21.5m，離門(mén)腿上端面約1.5m左右。綱絲繩向H形門(mén)腿兩側(cè)斜向拉牽，纜風(fēng)繩系結(jié)點(diǎn)單件沿纜繩方向允許拉力不小于50kN。

按照以上計(jì)算值及GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》規(guī)定，選用6×37，φ16，公 稱(chēng) 抗 拉 強(qiáng) 度1 770N/mm2，鋼絲破斷拉力總和為153kN的纖維繩芯鋼絲繩，選取3.5倍安全系數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核。同向兩根φ16纜風(fēng)繩的允許拉力：153kN×2/3.5=87.4kN。以?shī)A角60°計(jì)算水平拉力：87.4kN×cos60°=43.7kN，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。每片H形門(mén)腿每側(cè)選用2個(gè)5t手動(dòng)葫蘆。拉力之和為F=50kN×2=100kN，滿(mǎn)足要求。同時(shí)要求纜風(fēng)繩地錨承載能力不小于220kN/m2，風(fēng)繩錨點(diǎn)承載內(nèi)力不小于50kN/個(gè)點(diǎn)。

5.2 門(mén)架廠(chǎng)內(nèi)預(yù)組拼流程

在預(yù)設(shè)的地錨上鋪設(shè)軌道，吊裝行走臺(tái)車(chē)、下橫梁安裝到位后用鋼性支撐加固。要求預(yù)先將門(mén)腿下端板用螺栓緊固于下橫梁上。

門(mén)腿預(yù)組拼時(shí)采用分片組拼，采取由項(xiàng)目部現(xiàn)場(chǎng)30t與60t門(mén)座起重機(jī)分別吊裝1件門(mén)腿、25t汽車(chē)吊吊裝中橫梁的方式進(jìn)行吊裝。組拼第1片門(mén)腿到位后，檢測(cè)門(mén)腿各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足技術(shù)要求后張緊纜風(fēng)繩后再進(jìn)行門(mén)腿箱梁與門(mén)腿下端板連接處的焊接。依照上述吊裝方式組拼另一片門(mén)腿。要求在調(diào)整第2片門(mén)腿時(shí)需檢測(cè)兩片門(mén)腿的中心跨距、對(duì)角線(xiàn)差值符合技術(shù)要求后用型鋼連接兩片門(mén)腿。在焊接門(mén)腿箱梁與門(mén)腿下端板連接處的焊縫后需采用鉚槍錘擊的方式釋放應(yīng)力以控制該連接處的間隙≤0.3mm。為保證預(yù)拼裝的安全性，要求兩片門(mén)腿的預(yù)組拼必須在一個(gè)工作日內(nèi)完成。

為了在空中能安全、快速地成功組拼上部結(jié)構(gòu)并滿(mǎn)足各項(xiàng)技術(shù)要求，需預(yù)先在主梁與端梁的連接處搭設(shè)臨時(shí)爬梯并裝上50%的連接板。正式吊裝時(shí)，先利用60t門(mén)座機(jī)吊裝距該起重機(jī)遠(yuǎn)端的主梁。檢查主梁各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足技術(shù)要求后焊接主梁與門(mén)腿連接處的加固焊縫并保持吊車(chē)不松鉤的狀態(tài)直到加固焊縫焊接完成；再采用同樣的方法吊裝第2件主梁。檢測(cè)調(diào)整兩件主梁的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與上部結(jié)構(gòu)組拼焊時(shí)的數(shù)據(jù)一致；再利用30t門(mén)座起重機(jī)吊裝兩件端梁，并用工裝螺栓連接主梁與端梁，要求螺栓數(shù)量應(yīng)達(dá)到35%～40%。最后組裝梯子、平臺(tái)、立柱、回轉(zhuǎn)吊等部件后，整體復(fù)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)交檢待驗(yàn)收。

6 結(jié) 語(yǔ)

溪洛渡水電站8 000kN/160kN雙向門(mén)機(jī)門(mén)架通過(guò)采用筆者以上所述的制造工藝，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)作業(yè)，于2014年8月29日成功完成了空載試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)(額定起重量的125%)和動(dòng)載試驗(yàn)(額定起重量的70%、100%、110%)，并持續(xù)通過(guò)了荷重試驗(yàn)以及靜載斜拉起吊1 000t工況試驗(yàn)，正常運(yùn)行至今。

[1] 王先文，等.焊接結(jié)構(gòu)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 李亞江，等.焊接原理及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-28

TV7;TV547;TV

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1001-2184(2016)06-0055-04

曹峽榮(1964-)，男，四川宜賓人，金結(jié)分廠(chǎng)廠(chǎng)長(zhǎng)，工程師，從事金屬結(jié)構(gòu)制造生產(chǎn)技術(shù)與管理工作；

李友明(1983-)，男，四川中江人，助理工程師 ，學(xué)士，從事金屬結(jié)構(gòu)制造生產(chǎn)技術(shù)與管理工作.