水電站雙向門機(jī)門架制造工藝技術(shù)研究

羅永川

（中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，樂山 614100）

雙向門機(jī)是水電站工程建設(shè)中的重要起重設(shè)備之一，機(jī)構(gòu)多，可用于啟閉、吊運進(jìn)水口、閘壩閘門、船閘閘門、液壓啟閉機(jī)以及檢修的吊裝工作[1]。門架制造不僅要滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還需要符合圖紙技術(shù)要求。雙向門機(jī)的門架結(jié)構(gòu)自重大、揚程高及結(jié)構(gòu)龐大，利用常規(guī)制造工藝和現(xiàn)有生產(chǎn)場地和設(shè)備進(jìn)行制造的難度過大，需要嚴(yán)格按照設(shè)計要求，采取合理制造工藝，保證門架構(gòu)件質(zhì)量，并通過科學(xué)方法充分利用現(xiàn)有條件保證雙向門機(jī)門架制造的高質(zhì)與高效。

1 雙向門機(jī)門架結(jié)構(gòu)

水電站雙向門機(jī)結(jié)構(gòu)由主小車、門架、上游副小車、夾軌器、司機(jī)室以及電氣設(shè)備等組成。其中，門架是雙向門機(jī)的重要組成部分，由上部結(jié)構(gòu)、門腿、欄桿、平臺、上橫梁、中橫梁及下橫梁等構(gòu)件組成[2]，見圖1。主梁和端梁等主要結(jié)構(gòu)件是箱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)置有長短隔板，有縱向加強(qiáng)肋。主梁與副梁由高強(qiáng)螺栓連接，其中主梁上方安設(shè)起重機(jī)鋼軌。上部結(jié)構(gòu)包括主梁、端梁及平臺等附件，且端梁內(nèi)安設(shè)有電氣控制柜。門腿與主梁采用焊接方式連接，與下橫梁采用螺栓連接[3]。

雙向門機(jī)的制造難度主要在于主梁和門腿的制作和預(yù)拼裝。雙向門機(jī)制造工藝的技術(shù)要求較高。某雙向門機(jī)門架結(jié)構(gòu)質(zhì)量為360 t、高度為25.5 m，由上部結(jié)構(gòu)、H形門腿、下橫梁、立柱以及外橫梁等組成，使用Q345B材料。制作工藝中需要控制主梁跨中上拱度為11.5～17.5 mm，兩主梁水平高差不超過3 mm，上部結(jié)構(gòu)對角頂點標(biāo)高相對差不超過5 mm，小車軌道與主梁腹板中心相對偏差不超過6 mm，H形門腿上下開口偏差不超過2 mm，門腿與下端頭板焊接端頭相對高差不超過2 mm，加工結(jié)合面間隙不超過0.3 mm。

2 雙向門機(jī)門架制造工藝技術(shù)

考慮雙向門機(jī)的制造要求，門架結(jié)構(gòu)體積和重量大，受限于生產(chǎn)場地和設(shè)備能力，不能采用整體立拼的方法，需要科學(xué)設(shè)計門架制造工藝技術(shù)并有序?qū)嵤4]。先按照門架各構(gòu)件圖紙要求開料制作，再按箱梁工藝進(jìn)行拼裝和焊接，待焊接后調(diào)平、調(diào)直，根據(jù)制造規(guī)范檢查梁體彎曲和腹板垂直度等情況。

2.1 箱梁制造工藝

箱梁制造工藝流程主要包括板料調(diào)平、拼接、開料、組裝和焊接等程序。需要認(rèn)真做好各個環(huán)節(jié)的施工操作，嚴(yán)格落實箱梁制造工藝要求，保證箱梁制造質(zhì)量。箱梁開料時，需要對腹板和翼板在長度和寬度方向預(yù)留一定的收縮余量。排料時應(yīng)避免接縫處于應(yīng)力集中面，并使用切割機(jī)切割下料[5]。

焊接作業(yè)時應(yīng)遵循一定的順序。首先，焊接筋板與腹板角接的焊縫，采用手工對稱焊接的方式分段退焊。腹板與翼板平角焊同樣采用手工對稱施焊的方式，從中間向兩頭進(jìn)行焊接作業(yè)。其次，完成梁內(nèi)部焊接作業(yè)后，需要檢驗梁內(nèi)部焊縫的焊接質(zhì)量。如果存在質(zhì)量問題，應(yīng)采取應(yīng)對措施排除隱患。若質(zhì)量合格，需要采取除銹防腐措施，然后開展外側(cè)焊縫的焊接作業(yè)[6]。再次，外部焊縫焊接應(yīng)保持箱梁水平支撐穩(wěn)固，可以使用自動焊機(jī)平行施焊。腹板厚度不足 14 mm時可采用一道焊，厚度較大時應(yīng)采用兩道焊。最后，外部焊接作業(yè)后，使用無損探傷檢測外部焊縫的焊接作業(yè)質(zhì)量，并檢測箱梁尺寸和變形量等，確保質(zhì)量符合門架設(shè)計要求。如果存在箱梁變形情況，可以采用火焰法調(diào)整箱梁，確保質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

2.2 上部結(jié)構(gòu)制造工藝

上部結(jié)構(gòu)中，主梁屬于偏軌箱型梁，需要通過有限元分析確定腹板應(yīng)力狀態(tài)，對應(yīng)力狀態(tài)不同部位采用不同厚度的板材。上部結(jié)構(gòu)整體為變截面箱型結(jié)構(gòu)，單件腹板使用不同厚度的鋼板，板厚差異較大，全熔透焊縫較多，難以解決焊接變形問題?？紤]雙向門機(jī)吊裝作業(yè)狀態(tài)下會產(chǎn)生下?lián)希枰谥圃熘髁簳r有一定的起拱值來提升門架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此應(yīng)結(jié)合主梁跨度等數(shù)據(jù)將跨中上拱度控制在合理范圍。同時，需要考慮主梁自重等因素產(chǎn)生的下?lián)?，在最大上拱值上增加約3 mm預(yù)起拱，腹板下料時放樣起拱形狀。此外，由于主梁對焊接變形控制有較高的要求，需要合理設(shè)置焊接坡口，在主腹板和上翼板對接處等部位開制鈍邊的焊接坡口。

主梁的拼裝需要將腹板和翼板對接為整板，之后才能拼焊主梁梁體。翼板對接時，根據(jù)上拱坐標(biāo)值支墊，并控制主梁與T形梁翼板同截面的平面度不超過1 mm。腹板根據(jù)上拱度拋物線對接，在端梁中線對應(yīng)腹板位置作基準(zhǔn)線。在上翼板上拼裝隔板，吊裝腹板，并根據(jù)基準(zhǔn)線對應(yīng)坐標(biāo)值有效控制拼裝尺寸。完成主、副腹板拼裝作業(yè)后，拼裝其他附件。經(jīng)過質(zhì)量檢測后，拼裝下翼板，進(jìn)入焊接工序[7]。

焊接工藝對主梁焊接質(zhì)量具有直接影響，需要綜合考慮各方面因素，如梁內(nèi)通風(fēng)問題等。因此，主梁的焊接需要考慮各種安全因素，科學(xué)選擇恰當(dāng)?shù)暮附臃绞?，合理設(shè)置焊接順序，嚴(yán)格遵守焊接規(guī)范。由于主梁焊接不能同時采用過多人員同時施焊的工作方式，一般建議采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊接線能量不高，可以由4名專業(yè)焊工同時作業(yè)。要控制立焊焊接電壓不高于21 V，電流為160 A，而平焊電壓不超過26 V， 電流為240 A。外側(cè)翼緣板等焊縫可以采用熔深大、焊縫美觀的埋弧焊方式，焊接效率高，可采用焊接電壓為38 V、焊接電流為650 A的參數(shù)設(shè)置。焊接順序應(yīng)先焊接隔板與主腹板、上翼板等連接部位的L形焊縫，再焊接主腹板與T形梁的筋板焊縫，然后是隔板與腹板、翼板的焊縫，加勁筋與腹板、翼板的焊縫，腹板與翼板的對接焊縫，最后是梁體內(nèi)的其他焊縫。完成內(nèi)側(cè)焊縫焊接作業(yè)后，使用埋弧焊焊接對外側(cè)主腹板和T形梁、主腹板與下翼板的焊縫，再焊接梁體另一側(cè)腹板與翼板焊縫、翼板與T形梁焊縫。完成主梁焊接作業(yè)后，需要檢查焊接質(zhì)量和主梁的幾何尺寸，確保各項數(shù)據(jù)滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

拼裝制造好的主梁與端梁。主梁間的中心距離在理論數(shù)值基礎(chǔ)上可以增加6 mm作為焊接收縮量。焊接后打開焊前的臨時連接部位以釋放應(yīng)力，再次組拼復(fù)檢幾何尺寸。滿足組拼尺寸要求后，焊接小車軌道墊板可以采用跳焊方式從中間向兩頭施焊，從而控制焊接變形量。檢查小車軌道墊板焊接后的上部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在幾何尺寸滿足要求后，鉆制主梁和端梁連接處的螺栓孔，制作各種中心線、對位線以及拼焊臨時爬梯等構(gòu)件。另外，拆解上部結(jié)構(gòu)的所有連接板，成對放在一起，對連接板用電焊條進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)志，并標(biāo)記主梁和端梁連接處等部位，整體預(yù)拼裝門架。

2.3 門腿制造工藝

門腿制造中，單件圖是投影圖，需要經(jīng)過換算后求得腹板和翼板的實際長度，再放樣拼焊[8]。第一，制造門腿時應(yīng)在腹板上預(yù)先做好隔板位置線，并在翼板上做好隔板位置線，將翼板以底平面拼裝。第二，根據(jù)計算的垂球差調(diào)整門腿兩端隔板位置，以兩端隔板為基準(zhǔn)，設(shè)鋼絲線調(diào)整中間隔板位置，控制腹板和翼板等尺寸誤差，從而進(jìn)入門腿組拼焊工序。第三，以門腿腹板和翼板中心線為基準(zhǔn)找正，將兩門腿上下開口尺寸偏差控制在5 mm內(nèi)，拼裝中橫梁。第四，在上下開口處使用20號工字鋼加固，焊接門腿與中橫梁連接焊縫，采用對稱施焊方式控制焊接電壓為23 V、電流為220 A。第五，在門腿組拼焊工藝中，按照兩個門腿腹板中心線水平放置進(jìn)行組拼焊，對兩門腿預(yù)留一定的焊接收縮量后完成中橫梁拼裝。此外，用工字鋼連接兩門腿上下開口處，以控制焊接變形量。

在門腿與中橫梁連接焊縫對稱施焊后，需要檢測焊接作業(yè)的質(zhì)量。經(jīng)探傷檢測焊接質(zhì)量合格后，打開門腿上下臨時連接釋放焊接應(yīng)力，待修校變形后重新組拼。在各項數(shù)據(jù)滿足要求的前提下，鉆制門腿與中橫梁連接部位的螺栓孔，劃出預(yù)拼裝對位線后，拼焊行走平臺、爬梯等組件。最后，按上部結(jié)構(gòu)拆解方法拆解門腿，等待整體預(yù)拼裝。

2.4 預(yù)拼裝工藝

雙向門機(jī)需要在廠內(nèi)完成預(yù)拼裝?？紤]預(yù)拼裝結(jié)構(gòu)重量過大，需要加固地面基礎(chǔ)，對行走臺車和支撐部位設(shè)置地錨，避免出現(xiàn)地基下沉問題。由于廠內(nèi)的起吊能力有限，門架結(jié)構(gòu)重量往往超過起重機(jī)起吊能力，導(dǎo)致無法整體吊裝，需要采取單件分段吊裝的方式在空中連接。

門架預(yù)拼裝作業(yè)對吊具和索具有較高要求，需要科學(xué)制定組裝安全技術(shù)方案，合理制定組裝順序，選用適合的吊具和索具。吊具和索具的選擇需要考慮多方面因素，尤其是風(fēng)力等現(xiàn)場的實際情況。這需要準(zhǔn)確計算門架拼裝過程中的不均勻受力情況和風(fēng)力等因素，選擇抗拉強(qiáng)度符合要求的纖維芯鋼絲繩。根據(jù)水平風(fēng)力和防傾覆拉力選擇纜風(fēng)繩，并設(shè)計纜風(fēng)繩系結(jié)點，將其焊接在門腿上端板附近位置。

預(yù)拼裝作業(yè)過程中，需要在預(yù)設(shè)地錨上鋪設(shè)軌道，通過吊裝方式將行走臺車等安裝到位，再在安裝行走臺車等構(gòu)件后使用鋼性支撐進(jìn)行加固，并用螺栓對門腿下端板與下橫梁進(jìn)行緊固。使用門座起重機(jī)吊裝門腿和中橫梁等進(jìn)行分片，組裝成H形門腿。組拼到位后，用經(jīng)緯儀檢測校準(zhǔn)垂直度等參數(shù)，待檢測的各項數(shù)據(jù)達(dá)到要求后，焊接門腿箱梁與下端板，并通過錘擊方式釋放焊接應(yīng)力控制連接處間隙。組拼第二片門腿時使用同樣的方法先將其吊裝到位，按要求調(diào)整門腿間的垂直度和中心跨距等數(shù)值，再用型鋼連接兩片門腿。門腿焊接作業(yè)建議采用小規(guī)范的焊接形式，以減少焊接熱輸入，降低焊接變形，使焊接后的連接處間隙不超過0.3 mm。

門腿的預(yù)拼裝需要在24 h內(nèi)完成，以免出現(xiàn)安全事故。為了保證空中作業(yè)安全且快速，應(yīng)在主梁和端梁連接處設(shè)置臨時爬梯和連接板，利用門座起重機(jī)吊裝主梁，加固焊接主梁與門腿的焊縫。主梁吊裝完成后，需要檢測并調(diào)整主梁垂直度和水平度等數(shù)據(jù)，確保與上部結(jié)構(gòu)組拼焊檢測數(shù)據(jù)保持一致，并采取必要的加固措施。另外，吊裝另一件主梁需要檢測兩個主梁起拱度和中間跨距等幾何尺寸，確保與預(yù)拼裝時尺寸一致，再開始吊裝端梁。用工裝螺栓連接主梁與端梁，再組裝回轉(zhuǎn)吊和平臺等部件，整體檢測驗收門架，確保門架技術(shù)指標(biāo)滿足要求。

3 結(jié)語

雙向門機(jī)是水電站建設(shè)施工的重要設(shè)備之一，而門架的制作與組裝是雙向門機(jī)制造的重點和難點。雙向門機(jī)門架需要在廠內(nèi)完成整體組裝，而門架重量大且尺寸大，需要大場地和大噸位起重設(shè)備，耗費大量人力物力。單件分段和空中連接的方式更符合實際工作要求，可以較好地代替整體組裝方案。實際工作中應(yīng)注意工藝技術(shù)的科學(xué)性和合理性，監(jiān)督門架制造過程的作業(yè)規(guī)范性，并采取積極措施保障門架制造質(zhì)量。門架制造工藝技術(shù)采用合理的裝配焊接次序、方向來控制焊接變形，釋放和降低焊接應(yīng)力，鉆制高強(qiáng)度螺栓連接孔來強(qiáng)化端梁與主梁的連接，利用水平儀等精準(zhǔn)劃線門架構(gòu)件并測量，有助于提高門架制造精度，達(dá)到水電站雙向門機(jī)的使用要求。