曾新明

(中國電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司，江西 南昌 330096)

0 引 言

由于抽水蓄能電站的特殊性，一般抽水蓄能電站的尾水閘門門槽埋件不同普通閘門門槽，抽水蓄能電站尾閘門槽一般為全封閉箱形結(jié)構(gòu)，在門槽上下游流道一定范圍內(nèi)都設(shè)有鋼板襯砌，門槽埋件結(jié)構(gòu)由門槽段、腰箱和頂蓋三大部分組成。門槽埋件各部分均為T形梁、隔板和面板的箱形結(jié)構(gòu)件組合而成，如圖1所示，這些箱形結(jié)構(gòu)共同的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)厚度較薄，整體面板較大，結(jié)構(gòu)間隔密集。

圖1 門槽埋件

普通面板向下放置焊接工藝在抽水蓄能電站的尾水閘門門槽埋件焊接中實(shí)施困難，特別是焊接操作空間狹小，焊接時(shí)無法保證焊接質(zhì)量，而且構(gòu)件焊接時(shí)容易產(chǎn)生焊接變形，有時(shí)變形量甚至達(dá)到6～7 mm,，超過了規(guī)范要求的不大于構(gòu)件長度的1/1500且不大于3 mm，焊接變形超標(biāo)后矯正困難且嚴(yán)重影響埋件的后期金加工。抽水蓄能電站的尾水閘門門槽埋件焊接應(yīng)對常規(guī)焊接工藝應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，才能確保門槽埋件焊接質(zhì)量符合圖紙及規(guī)范要求。

1 焊接變形理論計(jì)算

1.1 典型門槽埋件

門槽橫向?qū)挾華=2.52 m，高度B=0.6 m，縱向長度L=5 m，主梁翼板和面板厚度25 mm，主梁腹板20 mm，隔板18 mm，隔板和主梁間距均為D=500 mm，電信門槽埋件圖如圖2門槽埋件軸視圖。

圖2 門槽埋件軸視圖

1.2 T型主梁制作縱向變形預(yù)測

為了提高施工效率，T型主梁為預(yù)先制作成型，標(biāo)準(zhǔn)長度約5 m，采用埋弧自動焊焊接T型角焊縫，角焊縫焊角高度12 mm，埋弧自動焊焊接一次成型。圖3 T型主梁截面慣性矩I=56 168.29 cm4，焊縫到構(gòu)件中性軸的距離e=17.915 cm，K1取值0.076(查表一 焊接系數(shù))。

圖3 T型主梁截面圖

焊接方法CO2焊埋弧焊手工焊材料低碳鋼低碳鋼奧氏體鋼K10.0430.071～0.0760.048～0.0570.076

單道焊縫擾度計(jì)算公式[1]：f=k1FHeL2/8I(e為焊縫到構(gòu)件中心軸的距離，cm；L為構(gòu)件長度；FH為焊縫截面積；I為構(gòu)件截面慣性矩；K1為系數(shù))。雙面角焊縫T型接頭單道焊縫擾度為單面角焊縫的1.15倍。

T型主梁焊接變形擾度:

f=2×1.15×k1FHeL2/8I

=2×1.15×0.076×1.2×1.2/2×17.915×500×

500/8/56168.29

=1.25 (cm)

1.3 T型主梁與面板縱向焊縫變形預(yù)測

面板兼做翼緣有效寬度系數(shù)按0.9計(jì)算。T型主梁與面板焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊焊接，角焊縫焊角高度12 mm，分兩道焊接成型(第一道焊角高度8 mm)，T型主梁與面板組合簡化圖如圖4所示，T型主梁與面板組合的工字型截面慣性矩I=150281.54 cm4，焊縫到構(gòu)件中性軸的距離e=20.3 cm，K1取值0.043，多層焊縫系數(shù)K2=1+85×δs/E×n=1+85×345/206000×2=1.285。

T型主梁與面板組合焊縫擾度計(jì)算公式：

f=2×1.15×k2k1FHeL2/8I

=2×1.15×1.285×0.043×0.8×0.8/2×20.3×

500×500/8/150281.54

=0.172 (cm)

1.4 隔板與面板橫向焊縫變形預(yù)測

面板兼做翼緣有效寬度系數(shù)按0.9計(jì)算。隔板與面板橫向簡化圖為丁字梁，長度為2.52 m，隔板與面板焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊焊接，角焊縫焊角高度12 mm，分兩道焊接成型(第一道焊角高度8 mm)，隔板與面板組合簡化圖如圖5所示，隔板與面板組合的丁字型截面慣性矩I=68 541.27 cm4，焊縫到構(gòu)件中性軸的距離e=11.6 cm，K1取值0.043，多層焊縫系數(shù)K2=1+85×δs/E×n=1+85×345/206000×2=1.285

隔板與面板組合焊縫擾度計(jì)算公式：

f=2×1.15×k2k1FHeL2/8I

=2×1.15×1.285×0.043×0.8×0.8/2×11.6×

252×252/8/68541.27

=0.055 (cm)

圖4 T型主梁與面板組合簡化圖 圖5 隔板與面板組合簡化圖

從上述計(jì)算可以看出，T型主梁制作縱向變形較大，在主梁部件制作時(shí)應(yīng)采取措施減少焊接變形；T型主梁與面板縱向焊縫、隔板與面板的橫向焊縫變形理論上符合規(guī)范要求，但實(shí)際生產(chǎn)中情況更為復(fù)雜，在焊接過程中，可以采用改變焊接順序，增加結(jié)構(gòu)剛度和反變形等措施來更好的減小焊接變形。

2 焊接工藝優(yōu)化

2.1 主梁制作焊接工藝

主梁制作焊接時(shí)采用兩根T型梁組合成工字型主梁焊接，工字型主梁采用如圖6所示焊接順序?qū)ΨQ焊接。

圖6 組合焊接順序

焊接過程中構(gòu)件慣性矩基本不變，上下兩對角焊縫所引起的擾度變形基本可抵消，焊接完成后再利用振動消應(yīng)力設(shè)備進(jìn)行消應(yīng)力處理，構(gòu)件基本可以保持平直。然后再從腹板切割，分為兩根T型梁。T型主梁制作完成，經(jīng)過變形矯正，為配合T型主梁與面板反變形組裝，控制主梁擾度在1～2 mm，如圖7 T型主梁焊接后變形控制示意圖所示。

圖7 T型主梁焊接后變形控制示意圖

2.2 整體組裝焊接工藝控制

(1) 焊接順序

根據(jù)焊縫擾度計(jì)算公式f=k1FHeL2/8I，在構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，可以通過調(diào)節(jié)焊接順序，先焊接中性軸兩側(cè)焊縫較少一側(cè)處的焊縫，以達(dá)到減少焊接變形的目的，即T型主梁與面板縱向焊縫及隔板與面板橫向焊縫焊接前，應(yīng)先進(jìn)行隔板與T性梁的連接焊縫焊接，特別注意應(yīng)從T型梁翼板處開始焊接。

埋件整體焊接順序：隔板與T型梁連接焊縫(由T型梁翼板處開始焊接，采用分段退焊)→隔板與面板的平角焊縫→T型梁與面板的平角焊縫→T型梁與邊梁的連接焊縫。長度在500 mm以上的焊縫焊接時(shí)進(jìn)行分段退焊，較長的焊縫采取從中間向兩端分段退焊[2]。

門槽埋件劃分為幾個(gè)對稱的偶數(shù)焊接區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)由一名焊工負(fù)責(zé)施焊，焊接時(shí)必須由中心向外側(cè)對稱施焊。

(2) 預(yù)組裝反變形和門葉墊點(diǎn)

在通過主梁焊接產(chǎn)生的擾度，在組裝時(shí)使用面板預(yù)先進(jìn)行反變形，面板沿主梁方向起拱1～2 mm。

在焊接隔板、主梁與面板的焊縫時(shí)，焊縫收縮變形使門槽埋件面板中間上凹，埋件水平擺放于平整地面，在埋件長度方向離端頭1 m左右各墊100 mm高度的墊塊當(dāng)墊點(diǎn)，利用埋件自重來抵消部分焊接應(yīng)力，減小焊接變形，如圖8門槽埋件平放焊接圖所示。

(3) 焊接位置

門槽埋件同時(shí)進(jìn)行焊接的多個(gè)焊工必須嚴(yán)格按工藝卡中的規(guī)定進(jìn)行施焊。為了加快焊接速度，減小焊接難度，保證有足夠的焊接空間，保證焊接質(zhì)量，埋件組裝后焊縫焊接時(shí)，把門槽埋件翻身豎立，通過埋件翻身豎立擺放，把立縫變成平角焊縫,如圖9所示。所有埋件組裝后焊縫全部采用CO2體保護(hù)焊焊接。但門槽埋件翻身前應(yīng)對所有焊縫應(yīng)進(jìn)行工藝性加固焊，每隔400 mm左右必須有一段100 mm左右的加固焊段，厚度不宜超過正式焊縫厚度的1/2，以保證整體結(jié)構(gòu)翻身安全和預(yù)防焊接應(yīng)力造成組裝焊縫崩裂[3]。

圖8 門槽埋件平放焊接圖

圖9 門槽埋件豎立放置焊接圖

在箱型門槽埋件制造過程中，通過實(shí)施上述減少變形控制措施，能有效的控制門槽埋件焊接變形在一定的范圍內(nèi)，滿足后續(xù)門槽埋件金加工和整體組裝的要求。

3 結(jié) 語

根據(jù)抽水蓄能電站尾閘箱型門槽埋件的特點(diǎn)，預(yù)先進(jìn)行簡化圖焊接變形預(yù)測計(jì)算，根據(jù)預(yù)測結(jié)果提出預(yù)防和控制焊接變形的措施。但是實(shí)際生產(chǎn)中焊接變形遠(yuǎn)比理論復(fù)雜，零件尺寸、組裝間隙、焊接參數(shù)及人為因素等都有可能會影響到焊接變形的程度，上述預(yù)防和控制焊接變形的措施還應(yīng)在實(shí)際工作中實(shí)踐并修正，通過實(shí)際工作逐步積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并完善。