三主杆斜支臂弧形闸门制造控制技术

2017-11-15

四川水利 2017年5期

(中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川夹江，614100)

三主杆斜支臂弧形闸门制造控制技术

袁永莉

(中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川夹江，614100)

在水电站建设中，弧形钢闸门支臂型式一般为两主杆直支臂或两主杆斜支臂，主横梁式弧形多采用双主梁形式。随着大型水利水电工程的增多，门高增大，也开始采用三根、四根主横梁的，支臂相应的亦采用三主杆、四主杆，也分别称为三支臂弧门、四支臂弧门。三主杆、四主杆弧门较为少见，制作难度也较两主杆大。本文以马来西亚胡鲁水电站PUAH坝溢洪道斜支臂弧形闸门为例，详细介绍三主杆斜支臂弧形闸门的制作工艺控制，供类似产品制作参考。

弧形闸门三主杆斜支臂工艺控制

1 引言

水电站弧形钢闸门主要由门叶、支臂、支铰和止水装置四大部分组成。主横梁式弧形闸门由水平次梁、垂直次梁和主横梁共同组成梁格。面板支撑在梁格上并与梁格焊成整体，支臂与主横梁用螺栓连接形成刚性框架，称为主框架。通常主框架型式有直支臂∏形框架、斜支臂八字形框架和带悬臂的直支臂∏形框架三种。

由中国水利水电第七工程局有限公司水工机械厂承建的马来西亚胡鲁水电站，PUAH坝溢洪道斜支臂弧形闸门为露顶式弧形闸门，制造数量为3扇。单套闸门设计重量126.712t(含附件)，孔口宽度为11m，设计水头16.8m，弧门面板内弧半径20000±3mm，支铰(球铰)高9.3m，支铰采用球面自润滑轴承，支臂为斜支臂，水封为L型水封，封水宽11.0m，闸门操作条件为动水启闭。闸门主要由支铰、支臂结构、门叶结构、侧轮及水封装置组成。支臂型式为上、中、下三主杆斜支臂(左右对称，支腿间采用竖杆和斜拉连接)，活动支铰与支臂连接形式为高强度螺栓连接，吊点型式为双吊点。闸门门叶结构分七节制作，主横梁在第三节、第五节、第七节门叶结构上，主横梁后翼与支臂间采用斜拉及竖杆连接，工地焊接，均为两件左右对称，单套支臂(2件)重25.589t。弧形闸门主要材料：门叶及支臂主体为Q345B。

由于弧门为三主杆斜支臂，支臂中间主杆未设置在支臂后端板的正中心，与后端板及支铰水平中心线偏移了3mm，上、下两主杆相对于中间主杆未对称布置，且设计要求闸门所有一、二类焊缝及对接坡口焊缝清根焊透，这就给闸门的对装、焊接、矫形增加了难度。

1、门叶结构 2、支臂结构 3、支铰装置

2 工艺方案

2.1 零部件制备

原材料采购计划及工艺文件的准备→原材料及外协件、标件等进厂验证→板、型材矫正门叶→零部件下料及坡口加工→边梁、主梁、吊耳、支腿和竖杆等构件的制作

2.2 门叶结构整体组装、焊接

弧门面板胎架准备、门叶面板卷弧→门叶面板在胎架上拼接→面板调弧后内弧焊缝焊接→再次调整面板弧度→放样、并在门叶面板上作出中心标记及水封螺孔中心线标记→门叶整体装配(控制装配间隙、主梁跨距、对角线差)→门叶整体焊接(边梁、底小梁最后调整后焊接)→门叶翻面→面板背缝清根焊接、其余补充焊接→门叶矫形→门叶周边余量切割、以面板中心为基准划线切制门叶底缘斜面→门叶结构(一)、(三)、(五)、(七)配作侧轮装置连接螺孔→以门叶中心标记为基准分别用水封压板配钻水封螺孔，侧水封压板按门叶分段配作面板上水封螺孔。

2.3 支臂整体组装、焊接

在对装平台上放出支臂中心线、支腿中心线及支铰中心→放置支臂连接板、支腿构件及支臂后端板(注意调整后端板的垂直度，支臂腹板与支臂后端板的扭角及开口尺寸)→焊接支臂腹板、翼板与连接板的对接焊缝，最后焊后端板组合焊缝→整体矫形→支臂后端板、段间连接板端板铣削，支臂后端板用钻模板配钻螺孔。

2.4 闸门出厂前整体大组

在大组平台上放地样，先将支臂、斜拉、竖杆连接加固成一活动支铰吊装就位，调整轴孔同心→支臂就位，按地样调整跨度、垂直度等并加固→再检测支臂前后端尺寸→门叶侧轮装置装配→门叶吊装就位(从底节门叶开始、只吊装门叶结构(三～七)共四节，其余两节与第一节在胎架上卧组)→门叶、支臂、活动铰微调整→支撑加固→检查验收→门叶节间定位板装配、焊接→支臂前端板装配在主梁后翼上并与支臂焊接→整体预组检测→门叶、支臂、活动铰编号→划出支臂前端板机加线→支臂、门叶拆除，机加支臂前端板。

3 焊接及变形控制技术

胡鲁电站PUAH坝溢洪道斜支臂弧形闸门设计图构件主要材质为Q345B，钢板厚度为10mm～30mm的中厚板。一般国内闸门制作按《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》(DLT5018-2004)要求：一类焊缝须清根焊透，二类焊缝未焊透深度不应大于板厚的25%，最大不超过4mm。该闸门门叶结构部分设计尺寸，在制作过程中相对较容易控制。但马来西亚胡鲁电站采用DLT5018-2004规范的同时，还要求一、二类缝及所有对接坡口焊缝清根焊透，制作检验要求高于国内标准。一、二类缝及所有对接坡口焊缝清根焊透直接导致闸门焊接应力、残余变形量增大，变形控制难度增加，门叶的整体矫形量增大，且闸门为三主杆，比较二主杆增加了制作难度。我厂通过以下焊接措施有效控制闸门的焊接变形。

3.1 闸门构件制作和门叶大组过程控制

由于闸门要求一、二类焊缝及坡口焊缝均清根焊透，为减小焊接变形和应力，在零件下料时，主梁、边梁、支臂的腹板和翼板拼接、对接坡口由常规的Ⅴ形或K形切割下料，调整为U形或J形(有效减少焊缝的填充量，保证焊缝成形)，均采用刨边机齐边刨制，严格控制了零部件的外形和对装尺寸；也有利于焊缝的外观成形；考虑到装配间隙对焊接变形和收缩的影响，在构件制作和门叶结构大组或支臂放地样对装时，控制对装间隙在0mm～2mm，闸门整体焊前要加固，门叶后翼用角钢(L100×10以上)支撑，各分段间用16mm×100mm×150mm板条长点焊，面板与弧形胎架应按1000mm×1000mm单元进行点焊加固。通过这些措施在一定程度上减小了门叶结构及支臂结构的整体焊接变形。

3.1.1 面板放样

放样时，根据闸门整体的焊接熔敷金属量，门叶面板高度方向收缩余量按千分之一考虑，各构件与面板拼接缝重合时，应将面板上焊缝余高磨平，以减小构件与面板的间隙。

面板加固在弧形胎架上进行，普通闸门在制作时也需要钢性加固，加固的间距通常为1000mm或者为1200mm。如果面板上加固点的间距过大，闸门在焊接过程中面板的局部变形得不到控制，闸门的平面度就无法保证。如果加固过密，焊工要在胎架底部施焊，会给焊接操作时增加难度，影响焊接质量。溢洪道弧形闸门由于焊接量大，采用密集型钢性加固，加固点间距为500mm。加固方式如图2。

图2 弧形闸门胎架上面板加固示意

加固时使用50mm～100mm宽的钢板条把面板和弧形胎架连接在一起，加固点位置的焊缝要焊接牢固，防止在闸门焊接过程中加固点崩脱，影响质量。

3.1.2 部件制备

闸门在制作时采取部件装配法：将闸门总体分成若干个部分，将部件进行分散作业，部件的体积相对较小，有利于提高产品质量，制作时也相对容易，不受场地限制，对设备和工艺装备的要求也可降低。如：在闸门主梁的制作中，将闸门主梁从整体制作中分开，先完成主梁的对装、焊接及矫形，减少了主梁在闸门整体焊接时的变形量。在主梁单件制作完成后，及时进行主梁与支臂连接部位的机加工，避免了闸门在焊接完成后，主梁后端板受设备条件限制、机加工难度加大，影响后期面板加工质量。便于对零部件进行准确定位和采取反变形等减少焊接变形的措施。即使产生焊后变形，由于部件较小，矫正起来也较容易。

3.1.3 拼装

门叶结构及支臂结构是各个零部件通过焊接的方式连接成的整体，是相互联系而又相互制约的一个有机体，因此在拼装时，为保证弧门的质量、减少变形，采取了以下措施：

(1)各拼接缝应结合紧密，局部间隙应控制在0mm～2mm以内。如果构件对装间隙过大，必须先将部件补焊完成，用砂轮机打磨完成后进行对装；

(2)各构件需在自由状态下拼装，不允许强行顶和拉。因强行顶、拉会造成过大的内应力，影响焊接质量；如果发现部件错位较大，应取下部件用火焰或者机械矫形达到要求后再进行装配；

(3)各隔板、筋板在拼装时，采用线锤吊线检查的方法，保证其垂直度。

3.2 焊接工艺控制

3.2.1 焊接方法

闸门制造采用CO2气体保护焊、埋弧自动焊和手工焊条电弧焊。

(1)埋弧自动焊用于闸门主、边梁翼板与腹板组合焊缝的焊接；

(2)手工焊条电弧焊主要用于闸门拼装过程中的定位焊接及部分主、边梁一、二类焊缝焊接；

(3)CO2气体保护焊用于埋弧自动焊、手工焊条电弧焊以外的其余焊缝焊接。

3.2.2 焊接基本程序

门叶焊接应遵循对称施焊，按先立焊、再仰焊、最后平焊的原则进行。长焊缝(长于1000mm)焊接时应采取分段退步焊法(或分中退步焊法)。

3.2.3 构件焊接

主梁、支腿工字梁焊接在“H”型钢焊接生产线上完成。工字梁组装完成，验收合格后，加临时支撑(每间隔1.5m左右一根，除最先焊的一侧外)；支撑用不小于40的角钢或余料切割；工字梁焊缝焊到相应的部位时再将支撑去除并打磨，注意不能伤及母材。

图3 构件焊接顺序示意

图3中1、2、3、4表示焊接顺序，焊接时先焊主梁腹板与后翼板焊缝，然后焊主梁腹板与前翼板焊缝。注意焊缝焊接方向须保持一致，不得往返焊接。

焊接前在焊缝两端设置引弧板和熄弧板，并在引弧板上起弧，熄弧板上收弧；焊接完成后，应用砂轮机或火焰切割将其去除，严禁用锤击法去除，切除时不得伤及母材，切后用砂轮机磨平，并认真检查有无微裂纹。

表1 焊接工艺参数

3.2.4 门叶总体焊接

门叶总体顺序为：主梁腹板与隔梁腹板立角焊缝→主梁翼板与隔梁腹板仰角焊缝→主梁翼板与隔梁翼板仰角焊缝→小梁与隔梁腹板立角焊缝→筋板与隔梁立角焊缝、仰角焊缝→主梁后翼与隔梁后翼间翼筋板焊缝→隔梁腹板与面板平角焊缝→主梁前翼板与面板平角焊缝→小梁与面板平角焊缝→边梁腹板与主梁腹板组合焊缝→主梁腹板与边梁翼板组合焊缝→边梁腹板与面板组合焊缝→边梁翼板与主梁翼板对接焊缝→门叶其余附件焊缝。

3.3 焊接基本条件

焊接设备必须具有参数稳定、调节灵活和安全可靠性能，并能满足焊接规范要求。

焊接材料应放置于通风、干燥、室内温度不低于5℃和相对湿度不超过60%的专设库房内，有专人保管、烘干和发放。使用前进行外观检查，并严格按照使用说明书规定进行烘焙。焊丝使用前必须清除表面油污和锈斑。

门叶零部件或整体组装结束，必须经厂质量检验部门检验合格后方可施焊。

3.3.1 定位焊的一般要求

定位焊的质量要求及工艺措施应与正式焊缝相同；定位焊应有一定的强度，但其厚度不应超过正式焊缝的1/2，通常为4mm～6mm；定位焊长度为30mm～60mm，定位焊间距不超过400mm。

3.3.2 焊接前准备

(1)焊接技术人员根据实际情况配备合理的施焊人员；

(2)焊接技术人员完成焊接前的技术交底，焊工全面了解并熟悉焊接工艺要求；

(3)焊接前根据焊接基本程序，在工件上明确标识焊接顺序；

(4)焊工工具准备齐全，包括：焊钳、面罩、焊条保温筒、扁铲、钢丝刷、毛刷等；

(5)烘干后的焊条、焊剂应放于100℃～150℃恒温箱内，随用随取，烘干后的焊条置于保温筒内超过4h应重新烘干，重新烘干次数不宜超过两次。