(中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江，614100)

三主桿斜支臂弧形閘門制造控制技術(shù)

袁永莉

(中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江，614100)

在水電站建設(shè)中，弧形鋼閘門支臂型式一般為兩主桿直支臂或兩主桿斜支臂，主橫梁式弧形多采用雙主梁形式。隨著大型水利水電工程的增多，門高增大，也開始采用三根、四根主橫梁的，支臂相應(yīng)的亦采用三主桿、四主桿，也分別稱為三支臂弧門、四支臂弧門。三主桿、四主桿弧門較為少見，制作難度也較兩主桿大。本文以馬來西亞胡魯水電站PUAH壩溢洪道斜支臂弧形閘門為例，詳細(xì)介紹三主桿斜支臂弧形閘門的制作工藝控制，供類似產(chǎn)品制作參考。

弧形閘門 三主桿 斜支臂 工藝控制

1 引言

水電站弧形鋼閘門主要由門葉、支臂、支鉸和止水裝置四大部分組成。主橫梁式弧形閘門由水平次梁、垂直次梁和主橫梁共同組成梁格。面板支撐在梁格上并與梁格焊成整體，支臂與主橫梁用螺栓連接形成剛性框架，稱為主框架。通常主框架型式有直支臂∏形框架、斜支臂八字形框架和帶懸臂的直支臂∏形框架三種。

由中國水利水電第七工程局有限公司水工機(jī)械廠承建的馬來西亞胡魯水電站，PUAH壩溢洪道斜支臂弧形閘門為露頂式弧形閘門，制造數(shù)量為3扇。單套閘門設(shè)計(jì)重量126.712t(含附件)，孔口寬度為11m，設(shè)計(jì)水頭16.8m，弧門面板內(nèi)弧半徑20000±3mm，支鉸(球鉸)高9.3m，支鉸采用球面自潤滑軸承，支臂為斜支臂，水封為L型水封，封水寬11.0m，閘門操作條件為動(dòng)水啟閉。閘門主要由支鉸、支臂結(jié)構(gòu)、門葉結(jié)構(gòu)、側(cè)輪及水封裝置組成。支臂型式為上、中、下三主桿斜支臂(左右對稱，支腿間采用豎桿和斜拉連接)，活動(dòng)支鉸與支臂連接形式為高強(qiáng)度螺栓連接，吊點(diǎn)型式為雙吊點(diǎn)。閘門門葉結(jié)構(gòu)分七節(jié)制作，主橫梁在第三節(jié)、第五節(jié)、第七節(jié)門葉結(jié)構(gòu)上，主橫梁后翼與支臂間采用斜拉及豎桿連接，工地焊接，均為兩件左右對稱，單套支臂(2件)重25.589t?；⌒伍l門主要材料：門葉及支臂主體為Q345B。

由于弧門為三主桿斜支臂，支臂中間主桿未設(shè)置在支臂后端板的正中心，與后端板及支鉸水平中心線偏移了3mm，上、下兩主桿相對于中間主桿未對稱布置，且設(shè)計(jì)要求閘門所有一、二類焊縫及對接坡口焊縫清根焊透，這就給閘門的對裝、焊接、矯形增加了難度。

1、門葉結(jié)構(gòu) 2、支臂結(jié)構(gòu) 3、支鉸裝置

2 工藝方案

2.1 零部件制備

原材料采購計(jì)劃及工藝文件的準(zhǔn)備→原材料及外協(xié)件、標(biāo)件等進(jìn)廠驗(yàn)證→板、型材矯正門葉→零部件下料及坡口加工→邊梁、主梁、吊耳、支腿和豎桿等構(gòu)件的制作

2.2 門葉結(jié)構(gòu)整體組裝、焊接

弧門面板胎架準(zhǔn)備、門葉面板卷弧→門葉面板在胎架上拼接→面板調(diào)弧后內(nèi)弧焊縫焊接→再次調(diào)整面板弧度→放樣、并在門葉面板上作出中心標(biāo)記及水封螺孔中心線標(biāo)記→門葉整體裝配(控制裝配間隙、主梁跨距、對角線差)→門葉整體焊接(邊梁、底小梁最后調(diào)整后焊接)→門葉翻面→面板背縫清根焊接、其余補(bǔ)充焊接→門葉矯形→門葉周邊余量切割、以面板中心為基準(zhǔn)劃線切制門葉底緣斜面→門葉結(jié)構(gòu)(一)、(三)、(五)、(七)配作側(cè)輪裝置連接螺孔→以門葉中心標(biāo)記為基準(zhǔn)分別用水封壓板配鉆水封螺孔，側(cè)水封壓板按門葉分段配作面板上水封螺孔。

2.3 支臂整體組裝、焊接

在對裝平臺(tái)上放出支臂中心線、支腿中心線及支鉸中心→放置支臂連接板、支腿構(gòu)件及支臂后端板(注意調(diào)整后端板的垂直度，支臂腹板與支臂后端板的扭角及開口尺寸)→焊接支臂腹板、翼板與連接板的對接焊縫，最后焊后端板組合焊縫→整體矯形→支臂后端板、段間連接板端板銑削，支臂后端板用鉆模板配鉆螺孔。

2.4 閘門出廠前整體大組

在大組平臺(tái)上放地樣，先將支臂、斜拉、豎桿連接加固成一活動(dòng)支鉸吊裝就位，調(diào)整軸孔同心→支臂就位，按地樣調(diào)整跨度、垂直度等并加固→再檢測支臂前后端尺寸→門葉側(cè)輪裝置裝配→門葉吊裝就位(從底節(jié)門葉開始、只吊裝門葉結(jié)構(gòu)(三～七)共四節(jié)，其余兩節(jié)與第一節(jié)在胎架上臥組)→門葉、支臂、活動(dòng)鉸微調(diào)整→支撐加固→檢查驗(yàn)收→門葉節(jié)間定位板裝配、焊接→支臂前端板裝配在主梁后翼上并與支臂焊接→整體預(yù)組檢測→門葉、支臂、活動(dòng)鉸編號(hào)→劃出支臂前端板機(jī)加線→支臂、門葉拆除，機(jī)加支臂前端板。

3 焊接及變形控制技術(shù)

胡魯電站PUAH壩溢洪道斜支臂弧形閘門設(shè)計(jì)圖構(gòu)件主要材質(zhì)為Q345B，鋼板厚度為10mm～30mm的中厚板。一般國內(nèi)閘門制作按《水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(DLT5018-2004)要求：一類焊縫須清根焊透，二類焊縫未焊透深度不應(yīng)大于板厚的25%，最大不超過4mm。該閘門門葉結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)尺寸，在制作過程中相對較容易控制。但馬來西亞胡魯電站采用DLT5018-2004規(guī)范的同時(shí)，還要求一、二類縫及所有對接坡口焊縫清根焊透，制作檢驗(yàn)要求高于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。一、二類縫及所有對接坡口焊縫清根焊透直接導(dǎo)致閘門焊接應(yīng)力、殘余變形量增大，變形控制難度增加，門葉的整體矯形量增大，且閘門為三主桿，比較二主桿增加了制作難度。我廠通過以下焊接措施有效控制閘門的焊接變形。

3.1 閘門構(gòu)件制作和門葉大組過程控制

由于閘門要求一、二類焊縫及坡口焊縫均清根焊透，為減小焊接變形和應(yīng)力，在零件下料時(shí)，主梁、邊梁、支臂的腹板和翼板拼接、對接坡口由常規(guī)的Ⅴ形或K形切割下料，調(diào)整為U形或J形(有效減少焊縫的填充量，保證焊縫成形)，均采用刨邊機(jī)齊邊刨制，嚴(yán)格控制了零部件的外形和對裝尺寸；也有利于焊縫的外觀成形；考慮到裝配間隙對焊接變形和收縮的影響，在構(gòu)件制作和門葉結(jié)構(gòu)大組或支臂放地樣對裝時(shí)，控制對裝間隙在0mm～2mm，閘門整體焊前要加固，門葉后翼用角鋼(L100×10以上)支撐，各分段間用16mm×100mm×150mm板條長點(diǎn)焊，面板與弧形胎架應(yīng)按1000mm×1000mm單元進(jìn)行點(diǎn)焊加固。通過這些措施在一定程度上減小了門葉結(jié)構(gòu)及支臂結(jié)構(gòu)的整體焊接變形。

3.1.1 面板放樣

放樣時(shí)，根據(jù)閘門整體的焊接熔敷金屬量，門葉面板高度方向收縮余量按千分之一考慮，各構(gòu)件與面板拼接縫重合時(shí)，應(yīng)將面板上焊縫余高磨平，以減小構(gòu)件與面板的間隙。

面板加固在弧形胎架上進(jìn)行，普通閘門在制作時(shí)也需要鋼性加固，加固的間距通常為1000mm或者為1200mm。如果面板上加固點(diǎn)的間距過大，閘門在焊接過程中面板的局部變形得不到控制，閘門的平面度就無法保證。如果加固過密，焊工要在胎架底部施焊，會(huì)給焊接操作時(shí)增加難度，影響焊接質(zhì)量。溢洪道弧形閘門由于焊接量大，采用密集型鋼性加固，加固點(diǎn)間距為500mm。加固方式如圖2。

圖2 弧形閘門胎架上面板加固示意

加固時(shí)使用50mm～100mm寬的鋼板條把面板和弧形胎架連接在一起，加固點(diǎn)位置的焊縫要焊接牢固，防止在閘門焊接過程中加固點(diǎn)崩脫，影響質(zhì)量。

3.1.2 部件制備

閘門在制作時(shí)采取部件裝配法：將閘門總體分成若干個(gè)部分，將部件進(jìn)行分散作業(yè)，部件的體積相對較小，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，制作時(shí)也相對容易，不受場地限制，對設(shè)備和工藝裝備的要求也可降低。如：在閘門主梁的制作中，將閘門主梁從整體制作中分開，先完成主梁的對裝、焊接及矯形，減少了主梁在閘門整體焊接時(shí)的變形量。在主梁單件制作完成后，及時(shí)進(jìn)行主梁與支臂連接部位的機(jī)加工，避免了閘門在焊接完成后，主梁后端板受設(shè)備條件限制、機(jī)加工難度加大，影響后期面板加工質(zhì)量。便于對零部件進(jìn)行準(zhǔn)確定位和采取反變形等減少焊接變形的措施。即使產(chǎn)生焊后變形，由于部件較小，矯正起來也較容易。

3.1.3 拼裝

門葉結(jié)構(gòu)及支臂結(jié)構(gòu)是各個(gè)零部件通過焊接的方式連接成的整體，是相互聯(lián)系而又相互制約的一個(gè)有機(jī)體，因此在拼裝時(shí)，為保證弧門的質(zhì)量、減少變形，采取了以下措施：

(1)各拼接縫應(yīng)結(jié)合緊密，局部間隙應(yīng)控制在0mm～2mm以內(nèi)。如果構(gòu)件對裝間隙過大，必須先將部件補(bǔ)焊完成，用砂輪機(jī)打磨完成后進(jìn)行對裝；

(2)各構(gòu)件需在自由狀態(tài)下拼裝，不允許強(qiáng)行頂和拉。因強(qiáng)行頂、拉會(huì)造成過大的內(nèi)應(yīng)力，影響焊接質(zhì)量；如果發(fā)現(xiàn)部件錯(cuò)位較大，應(yīng)取下部件用火焰或者機(jī)械矯形達(dá)到要求后再進(jìn)行裝配；

(3)各隔板、筋板在拼裝時(shí)，采用線錘吊線檢查的方法，保證其垂直度。

3.2 焊接工藝控制

3.2.1 焊接方法

閘門制造采用CO2氣體保護(hù)焊、埋弧自動(dòng)焊和手工焊條電弧焊。

(1)埋弧自動(dòng)焊用于閘門主、邊梁翼板與腹板組合焊縫的焊接；

(2)手工焊條電弧焊主要用于閘門拼裝過程中的定位焊接及部分主、邊梁一、二類焊縫焊接；

(3)CO2氣體保護(hù)焊用于埋弧自動(dòng)焊、手工焊條電弧焊以外的其余焊縫焊接。

3.2.2 焊接基本程序

門葉焊接應(yīng)遵循對稱施焊，按先立焊、再仰焊、最后平焊的原則進(jìn)行。長焊縫(長于1000mm)焊接時(shí)應(yīng)采取分段退步焊法(或分中退步焊法)。

3.2.3 構(gòu)件焊接

主梁、支腿工字梁焊接在“H”型鋼焊接生產(chǎn)線上完成。工字梁組裝完成，驗(yàn)收合格后，加臨時(shí)支撐(每間隔1.5m左右一根，除最先焊的一側(cè)外)；支撐用不小于40的角鋼或余料切割；工字梁焊縫焊到相應(yīng)的部位時(shí)再將支撐去除并打磨，注意不能傷及母材。

圖3 構(gòu)件焊接順序示意

圖3中1、2、3、4表示焊接順序，焊接時(shí)先焊主梁腹板與后翼板焊縫，然后焊主梁腹板與前翼板焊縫。注意焊縫焊接方向須保持一致，不得往返焊接。

焊接前在焊縫兩端設(shè)置引弧板和熄弧板，并在引弧板上起弧，熄弧板上收弧；焊接完成后，應(yīng)用砂輪機(jī)或火焰切割將其去除，嚴(yán)禁用錘擊法去除，切除時(shí)不得傷及母材，切后用砂輪機(jī)磨平，并認(rèn)真檢查有無微裂紋。

表1 焊接工藝參數(shù)

3.2.4 門葉總體焊接

門葉總體順序?yàn)椋褐髁焊拱迮c隔梁腹板立角焊縫→主梁翼板與隔梁腹板仰角焊縫→主梁翼板與隔梁翼板仰角焊縫→小梁與隔梁腹板立角焊縫→筋板與隔梁立角焊縫、仰角焊縫→主梁后翼與隔梁后翼間翼筋板焊縫→隔梁腹板與面板平角焊縫→主梁前翼板與面板平角焊縫→小梁與面板平角焊縫→邊梁腹板與主梁腹板組合焊縫→主梁腹板與邊梁翼板組合焊縫→邊梁腹板與面板組合焊縫→邊梁翼板與主梁翼板對接焊縫→門葉其余附件焊縫。

3.3 焊接基本條件

焊接設(shè)備必須具有參數(shù)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活和安全可靠性能，并能滿足焊接規(guī)范要求。

焊接材料應(yīng)放置于通風(fēng)、干燥、室內(nèi)溫度不低于5℃和相對濕度不超過60%的專設(shè)庫房內(nèi)，有專人保管、烘干和發(fā)放。使用前進(jìn)行外觀檢查，并嚴(yán)格按照使用說明書規(guī)定進(jìn)行烘焙。焊絲使用前必須清除表面油污和銹斑。

門葉零部件或整體組裝結(jié)束，必須經(jīng)廠質(zhì)量檢驗(yàn)部門檢驗(yàn)合格后方可施焊。

3.3.1 定位焊的一般要求

定位焊的質(zhì)量要求及工藝措施應(yīng)與正式焊縫相同；定位焊應(yīng)有一定的強(qiáng)度，但其厚度不應(yīng)超過正式焊縫的1/2，通常為4mm～6mm；定位焊長度為30mm～60mm，定位焊間距不超過400mm。

3.3.2 焊接前準(zhǔn)備

(1)焊接技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況配備合理的施焊人員；

(2)焊接技術(shù)人員完成焊接前的技術(shù)交底，焊工全面了解并熟悉焊接工藝要求；

(3)焊接前根據(jù)焊接基本程序，在工件上明確標(biāo)識(shí)焊接順序；

(4)焊工工具準(zhǔn)備齊全，包括：焊鉗、面罩、焊條保溫筒、扁鏟、鋼絲刷、毛刷等；

(5)烘干后的焊條、焊劑應(yīng)放于100℃～150℃恒溫箱內(nèi)，隨用隨取，烘干后的焊條置于保溫筒內(nèi)超過4h應(yīng)重新烘干，重新烘干次數(shù)不宜超過兩次。

3.4 施焊過程中的基本要求

(1)雨天和雪天的露天施焊，手工焊條電弧焊施焊場地風(fēng)速不大于8m/s，CO2氣體保護(hù)焊施焊場地風(fēng)速不大于2m/s。環(huán)境溫度低于-10℃或相對濕度大于90%時(shí)，應(yīng)采取有效的防護(hù)措施后方可施焊；

(2)施焊前焊工應(yīng)對焊件的坡口進(jìn)行清理及對質(zhì)量進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)尺寸超差或坡口及其附近有缺陷應(yīng)及時(shí)提出，并進(jìn)行修復(fù)；

(3)嚴(yán)禁在非焊接部位的母材上引弧、試電流及焊接臨時(shí)支架；

(4)多層多道焊時(shí)，應(yīng)將每道的熔渣、飛濺物仔細(xì)清理，自檢合格后進(jìn)行下層焊接；層間接頭應(yīng)錯(cuò)開30mm以上；

(5)除第一層和最后一層焊縫外，允許對中間焊縫進(jìn)行錘擊，以降低焊接應(yīng)力，防止產(chǎn)生焊接裂紋；

(6)電弧焊焊條擺動(dòng)寬度應(yīng)小于焊芯直徑的3倍。

3.5 焊縫質(zhì)量檢查

所有焊縫進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，參照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：DL/T5018-2004；一、二類焊縫按DL/T5018-2004的規(guī)定作無損探傷檢驗(yàn)。

馬來西亞胡魯電站工地現(xiàn)場在門槽口處對閘門進(jìn)行了組裝，并將門葉吊至門槽工作位置。經(jīng)現(xiàn)場工程師檢驗(yàn)試運(yùn)行合格，閘門投入了正式使用。

4 結(jié)論

通過以上制作工藝方案及措施，成功地控制好了馬來西亞胡魯電站溢流壩弧形閘門制造的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，滿足了設(shè)計(jì)要求，目前已運(yùn)行了近一年未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題。為類似產(chǎn)品的制作提供了很好的借鑒作用，值得在行業(yè)推廣。

〔1〕DL/T5018-2004，水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].

〔2〕GB9448-88，焊接與切割安全[S].

〔3〕GB11345-89，鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)[S].

〔4〕陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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2095-1809(2017)05-0038-05

袁永莉(1967-)，女，四川內(nèi)江人，工程師，大學(xué)本科，主要從事水電站金屬結(jié)構(gòu)制作技術(shù)工作。

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