淺談超大型平面定輪閘門制造

丁 偉

（國能青海黃河瑪爾擋水電開發(fā)有限公司，青海 果洛州 814000）

0 引言

黃河瑪爾擋水電站樞紐工程規(guī)模為Ⅰ等大（1）型工程，電站以發(fā)電為主，正常蓄水位3275.0m，總裝機(jī)容量2200MW。工程樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道及泄洪放空洞、引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等組成?；炷撩姘宥咽瘔巫畲髩胃?11m；泄水建筑物由右岸溢洪道及泄洪放空洞組成，挑流消能；引水發(fā)電建筑物采用右岸地下式布置方式，由進(jìn)水口、引水隧洞、地下廠房、尾水洞等組成。地下廠房安裝4臺(tái)單機(jī)容量520MW和1臺(tái)單機(jī)容量120MW的水輪發(fā)電機(jī)組。

瑪爾擋水電站設(shè)置1孔泄洪放空洞事故閘門，布置在泄洪放空洞進(jìn)口，設(shè)計(jì)水頭100m，承受總壓力為70777kN，采用6300kN 固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉。

1 閘門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造難點(diǎn)

1.1 閘門主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

泄洪放空洞事故閘門屬于高水頭平面定輪閘門，該閘門的孔口尺寸為6m×12m，設(shè)計(jì)水頭為100m，門葉質(zhì)量為248t，配重為189t。閘門分為5節(jié)，節(jié)間采用連接板進(jìn)行現(xiàn)場焊接連接，設(shè)有側(cè)輪裝置、反滑塊裝置，主輪裝置設(shè)有20個(gè)定輪，頂節(jié)定輪直徑?700mm，其余4節(jié)定輪直徑?900mm，通過偏心軸將其調(diào)整在同一平面內(nèi)。閘門采用上游止水，頂、側(cè)水封及防射水水封采用“山”形充壓止水，利用庫水充壓，底止水采用條形水封。閘門結(jié)構(gòu)件主材為Q355C鋼板，鋼板厚度主要規(guī)格為30mm～55mm，閘門結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 門葉結(jié)構(gòu)簡圖及三維模型

1.2 制造難點(diǎn)

難點(diǎn)一：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組裝質(zhì)量要求高。

泄洪放空洞事故閘門共分為5節(jié)，邊梁為π型結(jié)構(gòu)、底節(jié)主梁為箱型梁、頂節(jié)主梁為T型梁，中間門葉結(jié)構(gòu)主梁為工字型梁，組裝過程中節(jié)間錯(cuò)臺(tái)須控制在2mm之內(nèi)，門葉底緣直線度不大于2mm，兩邊梁底緣平面度不大于2mm，采用先單個(gè)構(gòu)件組裝再整體組裝的方式，須對(duì)各個(gè)構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行控制。

難點(diǎn)二：焊接量大，會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形。

閘門面板、腹板和后翼緣板厚度30mm～55mm，設(shè)計(jì)坡口為50°雙面坡口，焊接填充量和收縮量大，產(chǎn)生的應(yīng)力影響門葉整體精度；設(shè)計(jì)要求閘門的Ⅰ類、Ⅱ類焊縫和組合焊縫均須全融透焊縫，當(dāng)焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形。

難點(diǎn)三：機(jī)加設(shè)備受限，加工精度要求高。

門葉水封座板截面為不規(guī)則的卡槽，頂部為90°圓弧轉(zhuǎn)角，節(jié)間為“T”形轉(zhuǎn)角，提高加工精度能夠保證裝配精度。邊梁為雙腹式邊梁，定輪軸孔設(shè)計(jì)的內(nèi)孔為?330H1，外孔為?290H1，兩孔開檔尺寸440mm，保證定輪軸孔的同心度對(duì)加工的設(shè)備及工藝措施非常重要，水封座板平面度不大于1.5mm，水封踏面與定輪座面相對(duì)高差要求-0.5mm～+1.0mm。

難點(diǎn)四：定輪裝配精度高。

閘門共20個(gè)定輪，定輪軸設(shè)計(jì)為偏心軸，所有輪踏面設(shè)計(jì)共面度為不大于2mm，且定輪轉(zhuǎn)動(dòng)自如，無抖動(dòng)、卡阻現(xiàn)象?？紤]到裝配的不確定因素，在制作過程中需要使共面度不大于1mm才能保證符合設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)以上難點(diǎn)，在閘門制造過程中為了滿足設(shè)計(jì)要求及出廠驗(yàn)收要求，在制造工藝、各部件質(zhì)量控制及焊接變形控制等方面進(jìn)行了深入探索與實(shí)踐。

2 制造工藝流程

制造工藝流程包括下料→單個(gè)構(gòu)件加工→隔板、吊耳、邊梁、主梁組裝及焊接→組裝構(gòu)件校正→邊梁機(jī)加工→門葉整體組裝、焊接→門葉解體→門葉校正→門葉預(yù)拼裝→水封座板及滑塊座板機(jī)加工→定輪裝配→附件裝配→防腐→出廠驗(yàn)收。

制造工藝流程具體細(xì)節(jié)如下：1）制作前期主要進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備工作，通過三維模型進(jìn)一步校核圖紙。進(jìn)行工藝文件編制，考慮焊接收縮量、焊接變形等影響因素來采取相應(yīng)的工藝措施。下料工序是首要質(zhì)量控制檢停點(diǎn)。2）當(dāng)采用數(shù)控編程進(jìn)行下料時(shí)，因?yàn)閿?shù)控編程下料后可能存在不可控因素，所以主要檢查主梁腹板、邊梁腹板、吊耳腹板、邊梁翼緣板等異形構(gòu)件的尺寸，單個(gè)構(gòu)件加工采取抽查的控制措施。3）當(dāng)進(jìn)行門葉整體組裝時(shí)，將面板放樣作為關(guān)鍵檢停點(diǎn)，面板的平面度及放樣線是否合適影響著整體裝配精度。4）水封座板機(jī)加工作為關(guān)鍵的質(zhì)量控制工序，須嚴(yán)格按工藝文件的要求進(jìn)行機(jī)加工及檢驗(yàn)。5）門葉預(yù)拼裝作為主要的質(zhì)量控制檢停點(diǎn)。6）附件裝配作為最終質(zhì)量控制檢停點(diǎn)。

3 組裝過程質(zhì)量控制

為了提高閘門的組裝精度，提高生產(chǎn)效率并減少門葉結(jié)構(gòu)焊接變形，先對(duì)π型邊梁、T型隔板、吊耳裝置等進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件組裝質(zhì)量控制，進(jìn)一步提高裝配質(zhì)量，主要措施如下：1）π型邊梁質(zhì)量控制。邊梁為π型結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外腹板、翼板、隔板和定輪軸孔加強(qiáng)板組成。邊梁后翼緣板開兩個(gè)主輪槽，邊梁后翼緣板開設(shè)的主輪槽影響邊梁焊接變形，下料過程中采取腹板寬度尺寸控制+2mm，后翼緣板下料采用斷續(xù)下料法，不割斷主輪槽的板，焊接完成后進(jìn)行再修割，當(dāng)裝配邊梁時(shí)先對(duì)翼緣板進(jìn)行校正，保證翼緣板平面度≤1mm。2）T型截面隔板控制。閘門隔板分為中隔板和上、下隔板，隔板用裝配模進(jìn)行組裝，CO氣體保護(hù)焊焊接，外觀檢驗(yàn)合格后進(jìn)行焊接變形矯正。3）吊耳制作質(zhì)量控制。吊耳板的坡口將雙面50°坡口設(shè)計(jì)成雙面45°長舌大小坡口，吊耳孔單邊預(yù)留5mm的加工余量，檢查下料構(gòu)件的尺寸，合格后組裝，當(dāng)組裝時(shí)控制吊耳孔的同軸度、吊耳腹板的開檔尺寸。檢查合格后進(jìn)行焊接，先焊接吊耳板翼緣板與腹板內(nèi)側(cè)的小坡口側(cè)，焊接完成后用碳弧氣刨在打坡口側(cè)進(jìn)行清根，最后焊接大坡口側(cè)，焊接完成后采用火焰校正法校正吊耳翼緣板及腹板。4）門葉整體組裝質(zhì)量控制。面板采用定尺板，減少焊接量及焊接變形；依次從底節(jié)到頂節(jié)將面板鋪設(shè)在制作閘門的鋼平臺(tái)上，用鋼板塊固定面板三邊，然后用水準(zhǔn)儀檢查并調(diào)整面板平面度，采用自制螺栓桿調(diào)整面板，面板不平度控制在1.5mm以內(nèi)。重點(diǎn)須測量邊梁、主梁及節(jié)間位置，測量點(diǎn)間隔不大于1m；當(dāng)放樣時(shí)各裝配線之間應(yīng)根據(jù)焊縫的大小和多少放出焊接收縮量，按工藝文件進(jìn)行劃線。面板寬度和高度方向上的焊接收縮余量均分在各部位，間距按/1000考慮焊接收縮余量（主梁、邊梁應(yīng)放出對(duì)裝檢查線），檢查放出的打樣線，要求對(duì)角線相對(duì)差≤2.0mm，平行度≤2.0mm，尺寸偏差≤1.0mm；先組裝主橫梁，調(diào)整主梁中心，使之與面板上對(duì)應(yīng)中心重合，保證與主梁腹板垂直度≤2.0mm（掛垂線檢查），主梁前翼板與面板組裝間隙≤0.2mm，依次組裝縱向隔板、邊梁、吊耳裝置、所有筋板等。隔板與主梁、主梁與面板的垂直度≤2.0mm，吊耳板與頂主梁腹板垂直度≤2.0mm，吊耳與門葉中心距偏差≤1.0mm，單側(cè)兩吊耳板間距偏差0mm～+1mm，且吊軸孔保持同心，其傾斜不大于1/1000，邊梁按線組裝，用檢查線進(jìn)行檢查。邊梁中心距焊前余量預(yù)留合適，保證焊后兩邊梁中心距符合圖紙及規(guī)范。

裝配過程中控制隔板、腹板垂直度，保證與面板的間隙≤1.0mm，控制各個(gè)部件間的平行度≤2.0mm，各個(gè)部位裝配間隙≤1.0mm。

4 閘門焊接變形控制

門葉焊接選擇CO氣體保護(hù)焊，為了減少焊接變形，采用偶數(shù)焊工均布于門體上同步對(duì)稱施焊的方法。焊接原則一般為先焊門葉中間部分，自里向外，最后焊接邊梁部分，具體如下。

4.1 第一次焊接（由中間向外側(cè)擴(kuò)散，同步施焊）

第一步焊主梁腹板與邊梁腹板間的立向角焊縫；第二步焊接隔板與主梁腹板間的立向角焊縫；第三步焊吊耳裝置與頂節(jié)門葉結(jié)構(gòu)的組合焊縫；第四步焊接隔板、主梁前翼板、面板連接處的平角焊縫；最后焊接主梁翼板、邊梁翼板、隔板翼板連接處的平角焊縫。

4.2 第二次焊接（待門葉翻身再進(jìn)行焊接）

先焊工字型主梁腹板與邊梁后翼板的角焊縫；再焊工字型主梁翼板內(nèi)側(cè)與邊梁后翼板的對(duì)接焊縫；再焊隔板與主梁后翼板的角焊縫；再焊隔板后翼板與主梁后翼板的對(duì)接平焊縫；再焊所有其他連接角焊縫；最后焊面板對(duì)接焊縫。

焊接過程中采取觀測法及測量法來判斷焊接應(yīng)力產(chǎn)生的變形量，如果門葉焊接后出現(xiàn)焊接收縮的情況，采取調(diào)整焊接參數(shù)和改變焊接順序的方式來控制焊接變形。若門葉焊接變形嚴(yán)重且焊縫不合格，詳細(xì)記錄所在部位，分析產(chǎn)生的原因并制定處理措施，逐項(xiàng)進(jìn)行處理，處理合格后進(jìn)行下一道工序。

4.3 焊前預(yù)熱

閘門的一、二類焊縫預(yù)熱溫度按照斜Y型坡口焊接裂紋進(jìn)行試驗(yàn)可以防止裂紋產(chǎn)生。關(guān)于Q355C鋼板的預(yù)熱溫度，按照NB/T 35045規(guī)范表4.4.11的規(guī)定，該項(xiàng)目的板厚為30mm～50mm，選取的預(yù)熱溫度為85℃～95℃。

預(yù)熱采用加熱片對(duì)母材均勻加熱，預(yù)熱區(qū)的寬度根據(jù)焊縫中心線兩側(cè)各3倍板厚進(jìn)行控制且不小于120mm。預(yù)熱后的溫度采用紅外線溫度儀沿著焊縫中心線兩側(cè)各50mm處對(duì)稱測量，每條焊縫測量點(diǎn)不少于3對(duì)。

4.4 焊后消氫

50mm鋼板焊接完成后立即進(jìn)行熱消氫處理，溫度控制為260℃～360 ℃，保溫時(shí)間不少于1h。

4.5 焊接變形的校正

焊接變形的矯正主要采取兩種方式，一種機(jī)械校正，一種火焰校正。工字型梁主要采用翼緣矯正機(jī)進(jìn)行校正，其余主要采用火焰進(jìn)行校正，具體校正方法如下：1）針對(duì)面板焊接后的凸凹不平，先用火焰以三角形的方式進(jìn)行加熱，凹凸不平嚴(yán)重的部位采用機(jī)械千斤頂調(diào)整，火焰在焊縫背面按點(diǎn)狀或線狀加熱，配合進(jìn)行校平處理。2）針對(duì)門葉焊接產(chǎn)生的立彎，先在主梁、邊梁等部位進(jìn)行三角形加熱，由于三角形加熱面積較大，因此收縮量也較大，可以消除立彎等焊接變形。3）針對(duì)面板四周產(chǎn)生的變形，主要采用火焰矯正法校正，能夠消除焊接變形。

4.6 焊接應(yīng)力控制與消除

關(guān)于門葉結(jié)構(gòu)組裝、焊接、校正工序過程中的焊接應(yīng)力消除，具體措施如下：1）門葉裝配過程中進(jìn)行應(yīng)力消除的主要方式為組焊、校正各個(gè)零構(gòu)件，然后再將各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行整體裝配，有效控制焊接應(yīng)力產(chǎn)生。2）門葉焊接過程中的應(yīng)力消除一方面設(shè)計(jì)坡口為大小長舌坡口，另一方面當(dāng)焊接時(shí)采用雙人對(duì)稱焊、跳焊、分段焊和多層多道焊等措施。3）門葉結(jié)構(gòu)焊接并校正完成后，焊縫應(yīng)力消除主要采取振動(dòng)時(shí)效處理的方式，采用專用的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備進(jìn)行單節(jié)門葉整體振動(dòng)消應(yīng)可有效地降低焊接殘余應(yīng)力。

5 邊梁定輪軸孔及水封座板加工

受廠內(nèi)加工設(shè)備的限制無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整節(jié)門葉結(jié)構(gòu)的邊梁軸孔鏜制，制作過程中將邊梁組焊成π型箱梁，邊梁整體高度控制偏差0mm～2mm來作為焊接的補(bǔ)給量，以邊梁后翼緣板為基準(zhǔn)，用廠內(nèi)的鏜床加工邊梁軸孔。當(dāng)加工水封座板及水封壓板時(shí)，將頂部為90°的圓弧轉(zhuǎn)角下料成整圓，用銑床進(jìn)行銑槽。

6 定輪裝配工藝

選用“熱裝配”方案，首先對(duì)定輪、軸承、襯套和輪軸進(jìn)行一一測量，然后根據(jù)實(shí)測值，按照大軸配大孔的原則進(jìn)行配對(duì)編號(hào)。組裝單個(gè)定輪，將定輪放入裝有20號(hào)機(jī)油的油槽內(nèi)，通過加熱油槽將輪子均勻加熱至60℃～80℃，然后快速吊出定輪，把軸承壓入定輪并調(diào)整到位，組裝其余附件固定。最后進(jìn)行定輪、輪軸的裝配，預(yù)先在輪軸和定輪端面作出偏心方向標(biāo)識(shí)，先將定輪吊置在門葉邊梁腹板中間，把襯套的偏心方向調(diào)整在水平準(zhǔn)線上（所有輪子的偏心量都在同一側(cè)），再將軸的偏心水平保持一致，穿入即可，最后組裝好其他附件。

7 結(jié)語

采用嚴(yán)格而科學(xué)的質(zhì)量管理措施來設(shè)計(jì)相關(guān)工藝，使閘門在當(dāng)制作各個(gè)工序時(shí)處于受控狀態(tài)，在生產(chǎn)制造過程中優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)工序，提高了制作質(zhì)量及生產(chǎn)效率，順利完成了閘門的制作任務(wù)，確保了閘門設(shè)備順利驗(yàn)收出廠。