黃 成 林

(中國水利水電第十工程局有限公司 機電安裝分局結(jié)構(gòu)廠，四川 都江堰 611830)

南康3水電站弧形閘門焊接活動鉸制作工藝的優(yōu)化

黃 成 林

(中國水利水電第十工程局有限公司 機電安裝分局結(jié)構(gòu)廠，四川 都江堰 611830)

在弧形閘門支臂焊接活動鉸的制作中，保證活動鉸結(jié)構(gòu)與鉸套焊縫的焊接質(zhì)量和強度、焊接后活動鉸整體退火消除焊接殘余應力是制造過程的大難題。以老撾南康3水電站弧形閘門焊接活動鉸制作為例，介紹了焊接活動鉸結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化、整體退火爐的設計和應用，可為類似產(chǎn)品生產(chǎn)提供參考。

焊接活動鉸；整體退火爐；工藝優(yōu)化；消除焊接殘余應力

1 工程概述

中國水利水電第十工程局有限公司承擔了老撾南康3水電站3套溢流表孔弧形工作閘門的制作任務。該閘門為露頂式弧形閘門，孔口尺寸為13 m×21 m，設計水頭為21.45 m，弧形閘門面板半徑為22.5 m，門葉垂直高度為21.9 m，支鉸高度為11.5 m，支臂為斜支臂形式，支鉸形式為圓柱鉸，活動鉸與支臂后段結(jié)構(gòu)采用焊接的形式，支臂前段與支臂后段采用高強螺栓連接?；⌒伍l門單套總重為300.7 t，門葉結(jié)構(gòu)分7節(jié)制作，節(jié)間為單V形坡口工地現(xiàn)場焊接，閘門為雙吊點、雙鎖定吊鉤形式。

弧形閘門的主要材料為：門葉結(jié)構(gòu)和支臂結(jié)構(gòu)件為Q345B，活動圓柱鉸鉸套為φ1 080/φ670、壁厚205 mm、材質(zhì)為Q345B的鍛件，支鉸固定鉸為ZG35CrMo材質(zhì)。每套弧形閘門有2件活動支鉸，其外形尺寸為1 600 mm×3 911 mm×5 540 mm，腹板及翼緣板厚度為50 mm，單件總重22.5 t。

在行業(yè)中，弧形閘門支臂活動鉸結(jié)構(gòu)制造、大厚度鍛鋼件焊接質(zhì)量控制均有很成熟的工藝，筆者不再敘述。筆者主要介紹了焊接活動鉸結(jié)構(gòu)形式的局部優(yōu)化、整體退火爐的設計和應用。

2 工藝優(yōu)化要點

2.1 支臂翼緣、加強筋板與支鉸活動鉸鉸套的連接形式局部優(yōu)化

弧形閘門的工作特點是把作用在面板上的水壓力、啟閉時閘門的部分重力等的合力通過支臂傳給支鉸，最后由支鉸把合力傳到閘墩上。老撾南康3水電站溢流表孔弧形閘門活動鉸結(jié)構(gòu)形式見圖1。支臂上傳來的合力全部通過活動鉸結(jié)構(gòu)與圓柱鉸鉸套之間的焊縫傳遞給圓柱鉸套、再傳給固定鉸，活動鉸結(jié)構(gòu)與圓柱鉸鉸套之間的焊縫為主要受力部位，而焊縫與活動鉸結(jié)構(gòu)及圓柱鉸鉸套相比較而言，焊縫位置是相對薄弱的地方。

根據(jù)該弧形閘門活動圓柱鉸設計圖紙的形式，通過分析，可以對焊接活動鉸結(jié)構(gòu)形式進行局部的優(yōu)化，對相對薄弱的焊縫位置進行加強。具體為：通過放樣，在不影響活動支鉸與固定支鉸裝配的前提下，把支臂后端翼緣板及中間加強筋板延長，形成包裹支鉸圓柱鉸鉸套的圓環(huán)，所增加的圓環(huán)寬度為120 mm。如此優(yōu)化后具有兩方面的優(yōu)點：①一個活動支鉸增加了后端翼緣板及中間加強筋板與支鉸圓柱鉸鉸套的焊縫長度，共15.5 m，從而增加了焊縫的整體強度。②一個活動鉸增加了翼緣板及中間加強筋板的圓環(huán)受力斷面，為312 cm2。所增加的圓環(huán)可直接參與對合力的傳遞，增強了活動支鉸整體傳力的穩(wěn)定性。具體的建議優(yōu)化形式見圖2。

通過與設計單位進行溝通和聯(lián)系，設計單位同意了我廠的建議，并成功將其應用于南康3水電站溢流表孔弧形工作閘門制作實踐之中，順利地完成了閘門制造并通過了業(yè)主、設計、監(jiān)理單位的出廠驗收，應用效果較好。

2.2 整體退火方案的設計及應用

老撾南康3水電站溢流表孔弧形工作閘門活動鉸結(jié)構(gòu)部分為Q345B材料，腹板、翼緣板厚度為50 mm，隔板及筋板厚度為20～50 mm，板厚均較厚，焊縫非常密集；活動圓柱鉸鉸套為Q345B鍛件，壁厚達205 mm，其均需與活動鉸結(jié)構(gòu)部分進行焊接，根據(jù)規(guī)范、設計圖紙要求，焊前需預熱、焊后需保溫，活動圓柱鉸套與支臂的連接處要求采用整體退火工藝以消除焊接應力。

圖1 原設計三維圖

圖2 優(yōu)化后三維圖

為滿足以上要求，行業(yè)中普遍采用的施工方法為：①采用遠紅外線加熱的方式進行焊前預熱；②焊接結(jié)束后采用石棉被包裹保溫；③因為活動支鉸尺寸太大，活動鉸分成3部分制造，再把需退火部分找外協(xié)廠家進行整體退火處理，退火完成后將3部分組焊成整體。

采用以上施工方法存在以下不足：①采用遠紅外線加熱方式進行焊前預熱時，由于活動鉸結(jié)構(gòu)很復雜，焊縫分布不均，很難保證各焊縫位置受熱均勻，預熱溫度很難保證在要求的范圍內(nèi)；②支臂活動鉸結(jié)構(gòu)復雜，很難對所有焊縫位置鋪設保溫被，焊后保溫溫度及保溫時間很難滿足要求；③支臂活動鉸尺寸大，分段制造增加了工序，另外，需要找外協(xié)廠家進行整體退火，不能在本廠施工，進而將增加很多制造成本和施工工期。

為了解決以上施工方法存在的不足，我廠專門設計、制造了焊接活動鉸整體退火爐。整體退火爐根據(jù)支臂后端的形狀，將需要整體退火的部分放置到一個封閉空腔內(nèi)?？涨粌?nèi)部鋪設100～150 mm厚的保溫被，根據(jù)活動鉸焊縫位置在保溫被上布置加熱片。將退火爐上蓋制作成活動的形式，活動鉸吊裝時，開啟上蓋吊裝進爐；吊裝好后，蓋上上蓋進行加溫退火處理。退火爐采用單片功率為10 kW的加熱片，共布置12片，總功率為120 kW。爐內(nèi)均勻布置多個熱電偶溫度傳感器，用于采集各個測點的溫度信號并將其傳輸給自動溫度控制設備。退火前，根據(jù)確定的活動鉸整體去應力退火控制曲線在自動溫度控制設備上輸入溫度、時間、速度，實現(xiàn)退火過程的自動智能控制。

退火爐結(jié)構(gòu)形式見圖3，主要由箱體、活動上蓋、ZCDK-120KW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)、保溫層、電加熱片、熱電偶溫度傳感器、電源線、信號傳輸控制線、填充保溫層等組成。箱體根據(jù)活動鉸需退火部分的形狀用鋼板制作，在箱體下部設置支承裝置以承受活動鉸的重量，箱體內(nèi)部均勻地布置一層100～150 mm厚的保溫層，保溫層采用固定裝置進行固定和壓緊。

1-支臂；2-退火爐箱體；3-退火爐上蓋；4-ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)；5-電源線；6-信號傳輸控制線；7-保溫層；8-端頭四周及內(nèi)腔塞填保溫層；9-電加熱片圖3 退火爐結(jié)構(gòu)圖

上蓋制作成活動的結(jié)構(gòu)，以方便活動鉸的吊裝，其下表面鋪設一層100～150 mm厚的保溫層。加熱片均勻分布在箱體內(nèi)部保溫層上，單片加熱片的功率為10 kW，共布置12片。ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)能根據(jù)各熱電偶溫度傳感器采集的溫度值自動控制各組加熱片的接通和斷開，保證箱體內(nèi)部的溫度按照控制曲線所設定的溫度和時間運行；ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)具有自動打印功能，能實現(xiàn)各測點實際溫度曲線的自動記錄?；顒鱼q吊進退火爐就位后，需要在活動鉸露出兩端與退火爐箱體之間的間隙處以及活動鉸兩端的空腔內(nèi)填充好保溫層，使退火爐空腔密閉，阻止熱能散發(fā)到空氣中，減少能量損失并保證空腔內(nèi)部溫度的恒定可控。

該活動鉸整體退火爐具有的優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)非常簡單，操作方便，溫度智能控制、制作成本和應用成本低，可長期使用。

活動鉸整體退火爐的應用：

(1)活動鉸焊前預熱。

活動鉸組裝完成后，采用退火爐對活動鉸焊縫密集位置進行焊接前預熱，利用ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)設定預熱溫度為100 ℃～120 ℃，并設定升溫的速度，能很好地保證各焊縫位置受熱均勻，預熱溫度在要求的范圍內(nèi)，有利于提高活動鉸的焊接質(zhì)量。

(2)活動鉸焊后的后熱保溫。

活動鉸焊接完成后，采用退火爐對活動鉸進行焊接后的后熱保溫，利用ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)把保溫溫度控制在200 ℃～300 ℃，保溫時間為4～5 h。利用退火爐能有效地保證保溫溫度和保溫時間，能使焊縫中的氫擴散出來，防止冷裂紋的產(chǎn)生。

(3)活動鉸整體去應力退火熱處理。

對后熱保溫后的活動鉸進行超聲波探傷檢查并合格后，采用退火爐進行活動鉸整體去應力退火熱處理。活動鉸吊裝進退火爐后，蓋上上蓋，塞

填好活動鉸兩個端頭及空腔內(nèi)的保溫被。按圖4所示的去應力退火控制曲線圖輸入ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)退火過程的智能控制。退火過程中，作業(yè)人員定期對各個儀表進行檢查，并檢查打印記錄系統(tǒng)是否正常工作。

圖4 去應力退火控制曲線圖

3 結(jié) 語

在焊接活動鉸制作過程中，通過以上工藝優(yōu)化，增強了活動鉸結(jié)構(gòu)與鍛鋼圓柱鉸套之間的連接強度，解決了在工廠內(nèi)進行活動鉸去應力整體退火熱處理的難題，降低了焊接活動鉸制作的生產(chǎn)成本。按照以上工藝進行優(yōu)化，本廠完成了老撾南康3水電站3套溢流表孔弧形工作閘門共6件焊接活動支鉸的制作，目前已全部通過了出廠驗收，且已順利安裝并投入運行。該工藝優(yōu)化方案的成功應用，為類似產(chǎn)品的制作提供了很好的借鑒作用。

[1] GB/T 14173-2008，水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規(guī)范[S].

[2] 范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)設計[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[3] 張 政.金屬結(jié)構(gòu)制造與安裝[M].北京：中國水利水電出版社，1995.

TV7;TV52

B

1001-2184(2017)05-0051-03

2017-08-20

黃成林(1977-)，男，四川宜賓人，工程師，從事金屬結(jié)構(gòu)制造安裝技術與管理工作.

(責任編輯李燕輝)