周毓 俞駿 方芳

(浙江江能建設有限公司，浙江 杭州 310051)

1 工程概況

北支江綜合整治工程項目是改善北支江水系綜合環(huán)境、提升富陽城區(qū)防洪能力，滿足杭州亞運會水上賽事需求的系統(tǒng)工程。也是杭州三江匯未來城的重要實踐區(qū)富陽區(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區(qū)富春江與北支江交界點下游50m處，工程等級為Ⅲ級，水閘為2級建筑物，水閘洪水標準采用20年一遇設計，50年一遇校核。水閘采用3孔設計，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)動式翻板閘門。

2 設計和技術要求

2.1 翻板閘門布置

翻板閘門布置在主河道，水閘、船閘為底軸驅(qū)動式翻板閘門，水閘最大擋水高程6.00m，單套底軸總長度68.6m，重量約322t，底軸材料選用低合金(Q355B)鋼板卷焊，底軸全長機加工，閘門門葉采用主縱梁式結(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。拐臂設在底軸兩端，啟閉機通過拐臂驅(qū)動翻板閘門，啟閉設備分別布置在閘孔兩側(cè)的閘墩機房內(nèi)。底軸共設10個支點，用以承受徑向荷載，設計各支鉸點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)閘門型式為底軸驅(qū)動翻板閘門，操作條件為動水啟閉(開門：外江6.0/內(nèi)河5.4；關門：≤0.5m)；4)孔數(shù)/閘數(shù)為3/3，啟閉機型式為臥式液壓式啟閉機，啟閉機容量為2×6300kN(壓)/2×4000kN(拉)。

2.3 底軸主要技術要求

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。焊縫按一級焊縫要求，現(xiàn)場安裝焊縫總長133m，100%焊縫長度進行超聲波探傷及外觀檢查合格，并符合JB 1151《高壓無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，施焊前應進行預熱，焊后應進行后熱。溫度控制應按施工圖紙或焊接工藝評定確定；4)焊縫質(zhì)量檢驗，按施工圖紙規(guī)定的焊縫質(zhì)量等級，并按GB 50205第4.5.12條～第4.5.21條的規(guī)定，對焊縫進行外觀檢查和無損探傷檢驗；5)現(xiàn)場安裝精度應重點控制底軸及軸承總成的安裝精度，確保底軸安裝后的實際軸線與理論軸線的同軸度偏差不大于0.2mm/m，全長同軸度偏差不大于3mm。底軸應能靈活轉(zhuǎn)動，不得有卡阻現(xiàn)象[1]。

3 翻板閘門施工計劃

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

3.1 底軸分節(jié)與預總裝

3.1.1 工期和現(xiàn)場條件

遵循工程總工期和水工建筑物的施工節(jié)點安排，分析底軸驅(qū)動翻板門安裝場地利用率和吊裝場地，確定安裝工期為125d。

3.1.2 底軸分節(jié)方案

根據(jù)現(xiàn)場施工場地情況、加工設備能力、交通運輸能力、現(xiàn)場吊裝范圍和起重極限，優(yōu)化閘門特別是底軸的分節(jié)方案。編制《閘門運輸、吊裝施工方案》《翻板閘門底軸焊接方案研究專題報告》等，完整、系統(tǒng)的施工方案保障了安裝質(zhì)量，降低現(xiàn)場安裝強度，加快施工工期，減少現(xiàn)場焊縫和焊接工作量。

水閘底軸驅(qū)動翻板閘門為3套，單套底軸總長度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)預總裝

底軸在制造廠內(nèi)的總裝是對底軸制造質(zhì)量的整體檢驗，也是對現(xiàn)場安裝質(zhì)量的重要保障。底軸廠內(nèi)總裝將門葉、底軸、拐臂、軸承座(含軸承)、防水套管等全部無約束總拼，門葉水平或垂直布置，拐臂與門葉達到設計角度。

總裝后主要檢查底軸全長同軸度、直線度；拐臂與門葉工作角度；軸承座、穿墻套管與底軸組合情況；門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記、編號，并設置可靠的定位裝置。

3.2 底軸現(xiàn)場總裝

3.2.1 現(xiàn)場吊裝

嚴格按照事前編制的吊裝方案實施，做好安全防護措施。每段管節(jié)吊裝按預留標記、編號和定位裝置進行。

3.2.2 總拼與調(diào)整

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

3.3 定位檢測

1)依據(jù)原始測量點，利用經(jīng)緯儀或全站儀測量底軸中心(里程)及高程，測量點為各底軸管節(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)方向設置兩道鋼琴線，該兩道鋼琴線將作為全過程測量點固定在底軸上，使用到閘門安裝調(diào)試完成。取得原始測量數(shù)值；3)使用激光跟蹤儀進行測量，激光跟蹤方法分析取得的數(shù)據(jù)。

經(jīng)局部位置微調(diào)，通過三個測量方法檢測，底軸軸線和同軸度達到設計的“底軸安裝后的實際軸線與理論軸線的同軸度偏差不大于0.2mm/m，全長同軸度偏差不大于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、勞動強度等各方面。

4.1 焊接方法的確定

針對現(xiàn)場施工空間小、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際情況，我公司進行底軸管焊接方法的比選，編制《翻板閘門底軸焊接方案研究專題報告》，經(jīng)專家評審落實實施。確定了“管道全位置智能焊接方式”作為一個創(chuàng)新方法應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為：1)采用底軸管固定，焊接小車環(huán)焊縫自動行走的方式實現(xiàn)管道全位置焊接，無需人工施焊；2)設備具有自動焊接功能，工藝先進，效率高，焊接人員勞動強度比手工焊接減小70%以上，焊接工時投入減少60%左右。焊接效率最大化，理論上可以24h作業(yè)；3)質(zhì)量控制簡單，設備性能及參數(shù)設置決定質(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??；5)底軸管底部與閘室底板間距為450mm，焊接人員操作空間狹小，長時間焊接強度大、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。

制焊接工藝：確定了“管道全位置智能焊接方式”后，我公司與焊接機器人制造廠家針對項目特點共同研發(fā)焊接設備，進行了多輪試制、試驗，確定了產(chǎn)品型號和各項設備基本參數(shù)。研發(fā)、采購該焊接設備，在制造廠進行焊接試驗，編制焊接工藝。

4.2 現(xiàn)場焊接施工

4.2.1 焊前準備

1)焊接之前，清理焊縫及焊縫兩側(cè)10～20mm范圍內(nèi)無油污、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)場焊口鋼管內(nèi)壁處采用機制90°U形外坡口，過渡到外壁側(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：長度50～100mm，間距100～400mm，焊縫高度最大不超過6mm；4)焊前預熱及層間溫度控制，底軸材料為Q355B，板厚有80 mm，鋼材類組別為Ⅱ-1，預熱設備采用電加熱器及測溫計，預熱溫度為100～120℃。需預熱焊接的焊縫進行定位焊時，也進行焊前預熱，預熱溫度較正式焊縫預熱溫度高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（無創(chuàng)輔助通氣及氣道插管和人工機械通氣）治療[1]。使用呼吸機時需保持口腔清潔，清理呼吸道分泌物確保呼吸道通暢，呼吸機內(nèi)濕化水充足且無菌，以防痰液干結(jié)和呼吸道感染[5]。加強氣道導管的固定，觀察氣管插管是否移位[5]。協(xié)助患者調(diào)整臥位時，先妥善固定導管，患者煩躁不安時，需給予安慰，預防非計劃性拔管。監(jiān)測動靜脈血氧分壓，協(xié)助醫(yī)生調(diào)節(jié)呼吸機參數(shù)[7]。

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

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

整個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)焊接工藝評定確定。焊接方案經(jīng)專家評審獲得通過。

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)接處設計采用了滿足強度、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，焊接時底軸在定位套管作用下，底軸同軸度和彎曲度控制在設計和規(guī)范要求范圍內(nèi)。

2)設計的分段底軸管聯(lián)接焊縫型式和坡口開設方案，滿足規(guī)范要求，而且焊道面積小，即填充金屬少，相對焊接熱影響區(qū)范圍小，在焊接過程熱輸入較小，焊接殘余應力降低，此外該焊縫的結(jié)構(gòu)形式焊后焊縫主要產(chǎn)生拉應力，產(chǎn)生的壓應力可以忽略不計，焊后只需進行消應后熱處理，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)量檢測分為外觀檢測和無損檢測。底軸焊縫總長132m，探傷長度132m，探傷比例100%，返修長度0.16m。焊縫檢測一次合格率均超過99%，二次合格率100%。經(jīng)第三方檢測全部合格。檢測統(tǒng)計如表1 所示。

表1 檢測統(tǒng)計表

5 軸線同軸度檢測

項目實施過程中，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、焊接專項方案、閘門安裝方案、質(zhì)量保證措施等都是圍繞著這一中心展開。合理、有效、可驗證的檢測方法和檢測頻次是底軸軸線同軸度的最后保證措施。

5.1 張拉鋼琴線測量

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

5.2 全站儀測量

利用全站儀測量底軸中心(里程)及高程，測量點為各底軸管節(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行復測，每個階段對比全站儀及鋼琴線測量數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)變化，判斷底軸軸線變形原因，采取有效措施進行調(diào)整。

5.3 激光跟蹤儀測量

激光跟蹤儀對每孔底軸分兩次檢測：底軸現(xiàn)場總裝完成及底軸與整體焊接完成后進行，有效的控制底軸安裝時的起始質(zhì)量和最終質(zhì)量。激光跟蹤方法檢測時，靶球在軸承座兩側(cè)的加工法蘭面移動確定檢測點，通過激光跟蹤儀確定靶球坐標，將每個法蘭面的點擬合成圓(圓柱)，進而測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，其中個別法蘭面Z向超標，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結(jié)果分別如圖4所示。

(a)焊接前

(b)焊接后

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

底軸軸線同軸度多方式檢測的實施也有效保障了底軸主要指標的完成。

6 工程實施評價與技術成果

北支江綜合整治工程項目上游水閘、船閘工程大直徑底軸驅(qū)動翻板閘門底軸焊接方法的研究與應用，利用了當前先進的數(shù)字控制技術，研發(fā)了有效的焊接設備，探索出了大直徑厚壁底軸焊接的新工藝，解決了對大直徑底軸驅(qū)動翻板閘門安裝的關鍵性難點，開創(chuàng)了水工金屬結(jié)構(gòu)厚壁管道焊接的新途徑，有較大的推廣價值。以全過程質(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)了新時代的工匠精神，為國家水利事業(yè)添磚加瓦。