亭子口水利枢纽升船机承船厢制作工艺

2018-11-02

四川水利 2018年5期

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川苍溪，628400)

嘉陵江亭子口水利枢纽升船机采用钢丝绳卷扬全平衡垂直提升型式，过船规模2×500t级。承船厢布置在由上、下闸首及塔柱构成的船厢室内，船厢室长(顺水流方向)128.4m，宽(垂直水流方向)18.6m。承船厢为钢质槽型薄壁结构，两端分别设一扇卧倒闸门，闸门处于关闭状态时，船厢内形成封闭水域，为通航船舶提供湿运过坝条件。承船厢由136根钢丝绳悬吊，并通过主提升机驱动，在船厢室内沿埋设在塔柱墙壁上的轨道竖直升降。船厢有效水域尺寸为116.0m×12.0m×2.5m(长×宽×水深)，外形尺寸为128.0m×16.6m×9.0m(长×宽×厢头高)，船厢结构、设备加厢内水体总重约6250t。

1 承船厢结构概况

亭子口升船机承船厢由厢体结构和船厢设备组成，厢体结构包括主体结构和附属结构，船厢设备包括各种功能的机械设备、电气控制和检测设备等。

(1)厢体结构：包括承船厢厢体、护舷、系缆装置、卧倒门门槽、检修门门槽、防撞装置导向槽、交通通道及栏杆、上锁定结构、电控设备室、液压设备机房、夹紧结构和顶紧结构等。

(2)船厢设备：包括船厢工作门、船厢检修门、防撞装置、夹紧机构、顶紧机构、间隙密封机构、船厢工作门启闭机、检修门启闭设备、间隙充泄水系统、船厢导向装置、均衡油缸装置、船厢液压系统、船厢供电设备、船厢消防及火灾报警设施、船厢通风除湿设备、船厢PLC控制子站设备、照明设备等。

2 承船厢的结构型式及分块原则

承船厢本体分为主纵梁分段、底铺板分段、船厢头、中部电气室四个部分，根据承船厢结构形式，结合现场情况及运输要求，船厢制作的分块原则如下：

(1)主纵梁分块数量尽量少，单块重量尽可能不大于50t，分缝避开最大应力处，且两侧主纵梁的分段线不得在同一横剖面上；

(2)底铺板及横梁沿横向划分，以每两跨为一运输、拼装单元。机舱底铺板整体拼装，船厢头按实际构造划分；

(3)船厢结构的具体分块方案，将根据运输条件及工地现场的实际吊运、安装条件等确定。

因此，承船厢两根主纵梁分为24个分段、底铺板17个分段、厢头结构8个分段、中部电气室铺板1个分段，共50个分段组成。分段后，两侧主纵梁的分段线相互错开250mm，断面的翼缘与腹板错开100mm；主纵梁与底铺板分段最小错缝550mm；主纵梁与横梁间最小错缝350mm，具体分段划分见图1。

图1 承船厢结构分段编号及示意

3 承船厢结构制作工艺控制措施

承船厢结构具有外形尺寸大，精度要求高，各部分的尺寸关联性强，结构复杂，部分结构件刚度大，焊缝内部质量要求高，焊接量大，焊接残余应力大，焊接变形复杂等特点。制作工艺控制要求如下：

(1)预变形的原则：承船厢预变形控制要求根据承船厢结构在提升平衡重钢丝绳、水体、平衡链、锁定、顶紧机构、夹紧机构及自重等载荷作用下将产生变形，承船厢结构设计过程中对各工况下承船厢整体结构变形进行分析，并保证刚度符合技术要求。制造和安装过程中，按设计分析计算的变形值提出承船厢结构预变形控制要求，在承船厢的制作、拼装过程中按该变形值对承船厢进行预变形制造和安装，从而满足运行过程中对承船厢变形的符合要求；

(2)分段制作和制作场预拼装尺寸控制充分考虑分节焊接收缩量、制作场内预拼装修整量以及预留工地焊缝收缩量。承船厢结构的外形尺寸大，采取分段制作时必须考虑分节焊接收缩量、制造场内预拼装修整量，同时还应预留工地焊缝收缩量；

(3)采用数控切割机下料，控制零件尺寸精度，控制部件拼焊尺寸精度和形位公差，预留反变形，补偿拼装焊接变形，制订合理焊接工艺，控制焊接变形，发生变形及时校正；

(4)进行合理的工序分解。通过小拼、中拼、大拼及总拼将大量的焊接工作进行分解，使每次的焊接能更多自由收缩，减少集中焊接相互影响的程度，也使更多的焊缝可以采用双面坡口，减少了焊缝熔敷金属量，降低了焊接热输入总量；

(5)优化焊接工艺，实时监测并及时调整焊接顺序。优化焊缝尺寸和坡口形式，厚板尽量采用双面坡口及窄间隙坡口，使焊接熔敷量减小，在焊接过程中，通过工件的多次翻转，以尽可能的减少焊接变形。另外，增加胎夹具约束控制构件变形。焊接过程中，通过实时监测变形及时调整焊接顺序，有效控制焊接变形；

(6)主纵梁尺寸高，宽度相对窄，采用卧式拼装，当主纵梁受场地限制分段制造时，应在分段制造的分节接口处的内、外腹板与上、下翼缘板之间的组合焊缝留300mm～500mm不焊，该处将在承船厢工厂预拼装或工地拼装时调整并焊接；

(7)承船厢外形尺寸大，各分段的尺寸关联性强，制造过程中，对分段拼装线、中心线、检查线进行刻划及复核，对焊接收缩及变形值进行测量，使焊接过程可控，分段制造完成后，必须对分段结构尺寸线进行检验控制。

4 承船厢制作工艺

4.1 准备工作

施工平台的准备。准备组拼平台，施工前对工装平台进行检验，平面度≤1mm/m2，对施工设备、工具、胎架进行准备，采用经纬仪及钢卷尺等测量工具，在胎具上刻划基准面、线、点，并经检验合格后，方能使用。

4.2 主纵梁制作工艺

承船厢的主纵梁为箱型梁结构，外形尺寸(长×宽×高)为128m×2.1m×8.5(9.0)m，截面尺寸见图2。主要包括上下翼板、内外腹板、中纵隔板、横隔板(护圈)、T型次梁、工型梁以及加筋板等部件。

主纵梁分段制作质量要求：根据主纵梁分段长度，在部件拼装时焊接收缩余量按0.5/1000mm预留。焊接后，除110(210)分段长度预留修割余量30mm～50mm外，其他主梁分段长度偏差0～+5mm；主纵梁高度偏差±4mm，并且相邻节的高度差控制在2mm以内；主纵梁宽度偏差±2mm。

4.2.1 下料及部件组装

(1)下料

上、下翼板和中纵隔板采用整板下料，腹板由4块钢板拼装焊接而成。T型梁、工型梁的零件下料拼焊校正完成后形成合格部件，内腹板上的加强T型梁和工型梁先拼焊在内腹板上形成大部件，其他横隔板与护圈拼焊成部件。

腹板对接缝坡口型式，采用对接接头，对称X型坡口，见图2的大样A和E；腹板与翼板组合焊缝坡口型式，采用T型接头，单V型坡口，见图2的大样B和C。

腹板对接缝为一类焊缝，板对接采用埋弧自动焊，焊丝：H08MnA、φ4mm，焊剂：HJ431，施焊时，由合格焊工按工艺焊接，背缝采用碳弧气刨进行清根，用砂轮修整无缺陷后，埋弧自动焊焊接。T型次梁、工型梁三类焊缝，采用埋弧自动焊。

(2)独立部件拼装

T型和工型部件——翼缘板、腹板，在专用胎模上拼装后，翼缘板加固，腹板对称双边焊，焊后校直；横隔板部件——横隔板、筋板，上胎模装配完成后进行焊接，焊后校平。

图2 主纵梁截面尺寸大样

4.2.2 主纵梁拼装

主纵梁拼装为保证焊接质量，设计专用拼装焊接胎架，采用卧式拼装，见图3。

拼装流程：拼装独立部件(T型、工型部件、横隔板部件)→外侧腹板平铺在平台上→拼装加强“T”“工”形梁→拼装上翼缘板(带加强肋)→拼装上隔板(带护圈)→装配中纵隔板(带加强肋)→拼装下隔板(带护圈)→加固→拼装内腹板(带加强肋)→拼装内部加强板→拼装下翼缘板(带加强肋)→焊接→检验。

外侧腹板铺在平台上，平台的平面度按1/1000mm控制，将腹板与平台加固，划线主纵梁中心线、长度线及定位线等基准线(主纵梁纵、横两个方向留有焊接收缩补偿量，保证焊后主纵梁分段尺寸)。

图3 主纵梁卧式拼装示意

4.2.3 主纵梁焊接

外形尺寸检验合格，并加固后，转入焊接工序。焊接过程中严格按焊接工艺对称焊接，对主纵梁尺寸和变形进行实时检测，并根据实测数据及时调整焊接顺序，控制焊接变形。

(1)焊接方法：梁内的焊缝采用CO2气体保护焊，外侧焊缝采用埋弧自动焊。

(2)焊前准备：将坡口两侧10mm～20mm范围内的铁锈、熔渣、油污、水迹等清除干净，焊丝在使用前清除铁锈、油污，焊剂在不低于260℃的烘干箱中干燥1h；在焊缝两端设引弧板和熄弧板。

(3)焊接原则：从中间向两端分散、先立焊后横焊的焊接原则。

(4)焊接顺序：焊接横隔板与上下翼板及中纵隔板组成的立缝→焊接加强筋与隔板、上下翼板的立焊→焊接隔板与外腹板的平角焊缝→焊接加强筋与外腹板的平角焊缝→焊接中纵隔板与外腹板的平角焊缝→焊接外腹板与上下翼板的内部焊缝(即图3中①和③)→焊接完成后，对主纵梁进行翻身(内腹板在平台上)→焊接加强筋与内腹板的平角焊缝→焊接中纵隔板与内腹板的平角焊缝→焊接内腹板与上下翼板的内部焊缝(即图3中②和④)→焊接梁外部的焊缝，焊接①和③，再焊接②和④焊缝。

4.2.4 主纵梁检验

焊缝检验合格后，进行局部矫正，翼板与腹板的组合缝②③④的变形不做强行矫正，但是①焊缝的变形一定要进行矫正，外腹板(吊耳位置)只能是向外侧偏斜。

检查尺寸合格后划出主纵梁分段中心线、水平腰线、节间对位线等，待承船厢制造场内预拼装。

4.3 底铺板制造工艺

底铺板共24个单元，单个铺板单元由面板、T型横梁(Π形横梁)、T型中纵梁、次梁(角钢)以及加强筋等组成。T型梁部件147个，Π形梁部件3个。

4.3.1 下料及部件组装

(1)下料

面板、T型梁、Π形梁单个零件下料、拼装、焊接、校正作为一个整部件参与分段拼装。次梁、加强筋下料、矫正后参与分段拼装。

(2)拼装独立部件

面板、T型梁、Π型梁为独立部件。T型、Π型部件——翼缘板、腹板，在专用胎模上拼装后，翼缘板加固，焊后在型钢矫正机上校直。

面板对接焊缝为一类焊缝，板厚10mm，采用埋弧自动焊，正反面各焊接一道。

T型梁、Π型梁的零件整板下料，其腹板与翼板的组合焊缝为二类，腹板开单面坡口，采用船形埋弧焊。

4.3.2 底铺板节段拼装

底铺板制作时采用倒拼装，在胎模平台上进行分段拼装。

节段拼装顺序：底铺板铺在弧台胎架上→划出各部件拼装线→吊装纵向次梁(角钢)初步定位→定位基准端，吊装第一根横梁→吊装第一中纵梁→吊装第二根横梁→吊装第二中纵梁→直到最后一根横梁→精确调整横梁、纵梁进行定位→装配横梁上筋板、次梁上筋板。

底铺板铺在弧台胎架上。拼接板、焊后探伤，将底铺板与弧台加固。

4.3.3 底铺板节段焊接

检验合格后整体焊接，严格按焊接工艺进行对称焊接，焊接过程中对底铺板分段尺寸进行实时检测，并根据实测数据及时调整焊接顺序，控制焊接变形。

(1)焊接方法：采用CO2气体保护焊。

(2)焊接原则：底铺板单元开焊前应进行加固，焊接采用从中间向两端对称分散焊接、先立焊后平焊的焊接原则。

(3)焊接顺序：焊接中纵梁与横梁腹板的立焊缝→焊接次梁与横梁腹板的立焊缝→焊接横梁腹板上筋板、次梁上加筋板立焊缝→焊接中纵梁翼板与横梁翼板的对接焊缝，不开坡口，中纵梁翼板短出6mm～8mm作间隙，贴陶瓷垫板单面焊双面成形→焊接中纵梁腹板与面板的平角焊缝→焊接横梁腹板与面板的平角焊缝→焊接次梁、加筋板与面板的平角焊缝。