南康3水電站弧形閘門焊接活動(dòng)鉸制作工藝的優(yōu)化

黃 成 林

(中國水利水電第十工程局有限公司 機(jī)電安裝分局結(jié)構(gòu)廠，四川 都江堰 611830)

南康3水電站弧形閘門焊接活動(dòng)鉸制作工藝的優(yōu)化

黃 成 林

(中國水利水電第十工程局有限公司 機(jī)電安裝分局結(jié)構(gòu)廠，四川 都江堰 611830)

在弧形閘門支臂焊接活動(dòng)鉸的制作中，保證活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)與鉸套焊縫的焊接質(zhì)量和強(qiáng)度、焊接后活動(dòng)鉸整體退火消除焊接殘余應(yīng)力是制造過程的大難題。以老撾南康3水電站弧形閘門焊接活動(dòng)鉸制作為例，介紹了焊接活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化、整體退火爐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可為類似產(chǎn)品生產(chǎn)提供參考。

焊接活動(dòng)鉸；整體退火爐；工藝優(yōu)化；消除焊接殘余應(yīng)力

1 工程概述

中國水利水電第十工程局有限公司承擔(dān)了老撾南康3水電站3套溢流表孔弧形工作閘門的制作任務(wù)。該閘門為露頂式弧形閘門，孔口尺寸為13 m×21 m，設(shè)計(jì)水頭為21.45 m，弧形閘門面板半徑為22.5 m，門葉垂直高度為21.9 m，支鉸高度為11.5 m，支臂為斜支臂形式，支鉸形式為圓柱鉸，活動(dòng)鉸與支臂后段結(jié)構(gòu)采用焊接的形式，支臂前段與支臂后段采用高強(qiáng)螺栓連接。弧形閘門單套總重為300.7 t，門葉結(jié)構(gòu)分7節(jié)制作，節(jié)間為單V形坡口工地現(xiàn)場(chǎng)焊接，閘門為雙吊點(diǎn)、雙鎖定吊鉤形式。

弧形閘門的主要材料為：門葉結(jié)構(gòu)和支臂結(jié)構(gòu)件為Q345B，活動(dòng)圓柱鉸鉸套為φ1 080/φ670、壁厚205 mm、材質(zhì)為Q345B的鍛件，支鉸固定鉸為ZG35CrMo材質(zhì)。每套弧形閘門有2件活動(dòng)支鉸，其外形尺寸為1 600 mm×3 911 mm×5 540 mm，腹板及翼緣板厚度為50 mm，單件總重22.5 t。

在行業(yè)中，弧形閘門支臂活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)制造、大厚度鍛鋼件焊接質(zhì)量控制均有很成熟的工藝，筆者不再敘述。筆者主要介紹了焊接活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)形式的局部?jī)?yōu)化、整體退火爐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

2 工藝優(yōu)化要點(diǎn)

2.1 支臂翼緣、加強(qiáng)筋板與支鉸活動(dòng)鉸鉸套的連接形式局部?jī)?yōu)化

弧形閘門的工作特點(diǎn)是把作用在面板上的水壓力、啟閉時(shí)閘門的部分重力等的合力通過支臂傳給支鉸，最后由支鉸把合力傳到閘墩上。老撾南康3水電站溢流表孔弧形閘門活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)形式見圖1。支臂上傳來的合力全部通過活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)與圓柱鉸鉸套之間的焊縫傳遞給圓柱鉸套、再傳給固定鉸，活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)與圓柱鉸鉸套之間的焊縫為主要受力部位，而焊縫與活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)及圓柱鉸鉸套相比較而言，焊縫位置是相對(duì)薄弱的地方。

根據(jù)該弧形閘門活動(dòng)圓柱鉸設(shè)計(jì)圖紙的形式，通過分析，可以對(duì)焊接活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行局部的優(yōu)化，對(duì)相對(duì)薄弱的焊縫位置進(jìn)行加強(qiáng)。具體為：通過放樣，在不影響活動(dòng)支鉸與固定支鉸裝配的前提下，把支臂后端翼緣板及中間加強(qiáng)筋板延長(zhǎng)，形成包裹支鉸圓柱鉸鉸套的圓環(huán)，所增加的圓環(huán)寬度為120 mm。如此優(yōu)化后具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：①一個(gè)活動(dòng)支鉸增加了后端翼緣板及中間加強(qiáng)筋板與支鉸圓柱鉸鉸套的焊縫長(zhǎng)度，共15.5 m，從而增加了焊縫的整體強(qiáng)度。②一個(gè)活動(dòng)鉸增加了翼緣板及中間加強(qiáng)筋板的圓環(huán)受力斷面，為312 cm2。所增加的圓環(huán)可直接參與對(duì)合力的傳遞，增強(qiáng)了活動(dòng)支鉸整體傳力的穩(wěn)定性。具體的建議優(yōu)化形式見圖2。

通過與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通和聯(lián)系，設(shè)計(jì)單位同意了我廠的建議，并成功將其應(yīng)用于南康3水電站溢流表孔弧形工作閘門制作實(shí)踐之中，順利地完成了閘門制造并通過了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位的出廠驗(yàn)收，應(yīng)用效果較好。

2.2 整體退火方案的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

老撾南康3水電站溢流表孔弧形工作閘門活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)部分為Q345B材料，腹板、翼緣板厚度為50 mm，隔板及筋板厚度為20～50 mm，板厚均較厚，焊縫非常密集；活動(dòng)圓柱鉸鉸套為Q345B鍛件，壁厚達(dá)205 mm，其均需與活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行焊接，根據(jù)規(guī)范、設(shè)計(jì)圖紙要求，焊前需預(yù)熱、焊后需保溫，活動(dòng)圓柱鉸套與支臂的連接處要求采用整體退火工藝以消除焊接應(yīng)力。

圖1 原設(shè)計(jì)三維圖

圖2 優(yōu)化后三維圖

為滿足以上要求，行業(yè)中普遍采用的施工方法為：①采用遠(yuǎn)紅外線加熱的方式進(jìn)行焊前預(yù)熱；②焊接結(jié)束后采用石棉被包裹保溫；③因?yàn)榛顒?dòng)支鉸尺寸太大，活動(dòng)鉸分成3部分制造，再把需退火部分找外協(xié)廠家進(jìn)行整體退火處理，退火完成后將3部分組焊成整體。

采用以上施工方法存在以下不足：①采用遠(yuǎn)紅外線加熱方式進(jìn)行焊前預(yù)熱時(shí)，由于活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，焊縫分布不均，很難保證各焊縫位置受熱均勻，預(yù)熱溫度很難保證在要求的范圍內(nèi)；②支臂活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難對(duì)所有焊縫位置鋪設(shè)保溫被，焊后保溫溫度及保溫時(shí)間很難滿足要求；③支臂活動(dòng)鉸尺寸大，分段制造增加了工序，另外，需要找外協(xié)廠家進(jìn)行整體退火，不能在本廠施工，進(jìn)而將增加很多制造成本和施工工期。

為了解決以上施工方法存在的不足，我廠專門設(shè)計(jì)、制造了焊接活動(dòng)鉸整體退火爐。整體退火爐根據(jù)支臂后端的形狀，將需要整體退火的部分放置到一個(gè)封閉空腔內(nèi)。空腔內(nèi)部鋪設(shè)100～150 mm厚的保溫被，根據(jù)活動(dòng)鉸焊縫位置在保溫被上布置加熱片。將退火爐上蓋制作成活動(dòng)的形式，活動(dòng)鉸吊裝時(shí)，開啟上蓋吊裝進(jìn)爐；吊裝好后，蓋上上蓋進(jìn)行加溫退火處理。退火爐采用單片功率為10 kW的加熱片，共布置12片，總功率為120 kW。爐內(nèi)均勻布置多個(gè)熱電偶溫度傳感器，用于采集各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)并將其傳輸給自動(dòng)溫度控制設(shè)備。退火前，根據(jù)確定的活動(dòng)鉸整體去應(yīng)力退火控制曲線在自動(dòng)溫度控制設(shè)備上輸入溫度、時(shí)間、速度，實(shí)現(xiàn)退火過程的自動(dòng)智能控制。

退火爐結(jié)構(gòu)形式見圖3，主要由箱體、活動(dòng)上蓋、ZCDK-120KW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)、保溫層、電加熱片、熱電偶溫度傳感器、電源線、信號(hào)傳輸控制線、填充保溫層等組成。箱體根據(jù)活動(dòng)鉸需退火部分的形狀用鋼板制作，在箱體下部設(shè)置支承裝置以承受活動(dòng)鉸的重量，箱體內(nèi)部均勻地布置一層100～150 mm厚的保溫層，保溫層采用固定裝置進(jìn)行固定和壓緊。

1-支臂；2-退火爐箱體；3-退火爐上蓋；4-ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)；5-電源線；6-信號(hào)傳輸控制線；7-保溫層；8-端頭四周及內(nèi)腔塞填保溫層；9-電加熱片圖3 退火爐結(jié)構(gòu)圖

上蓋制作成活動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以方便活動(dòng)鉸的吊裝，其下表面鋪設(shè)一層100～150 mm厚的保溫層。加熱片均勻分布在箱體內(nèi)部保溫層上，單片加熱片的功率為10 kW，共布置12片。ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)能根據(jù)各熱電偶溫度傳感器采集的溫度值自動(dòng)控制各組加熱片的接通和斷開，保證箱體內(nèi)部的溫度按照控制曲線所設(shè)定的溫度和時(shí)間運(yùn)行；ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)具有自動(dòng)打印功能，能實(shí)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度曲線的自動(dòng)記錄。活動(dòng)鉸吊進(jìn)退火爐就位后，需要在活動(dòng)鉸露出兩端與退火爐箱體之間的間隙處以及活動(dòng)鉸兩端的空腔內(nèi)填充好保溫層，使退火爐空腔密閉，阻止熱能散發(fā)到空氣中，減少能量損失并保證空腔內(nèi)部溫度的恒定可控。

該活動(dòng)鉸整體退火爐具有的優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，操作方便，溫度智能控制、制作成本和應(yīng)用成本低，可長(zhǎng)期使用。

活動(dòng)鉸整體退火爐的應(yīng)用：

(1)活動(dòng)鉸焊前預(yù)熱。

活動(dòng)鉸組裝完成后，采用退火爐對(duì)活動(dòng)鉸焊縫密集位置進(jìn)行焊接前預(yù)熱，利用ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)設(shè)定預(yù)熱溫度為100 ℃～120 ℃，并設(shè)定升溫的速度，能很好地保證各焊縫位置受熱均勻，預(yù)熱溫度在要求的范圍內(nèi)，有利于提高活動(dòng)鉸的焊接質(zhì)量。

(2)活動(dòng)鉸焊后的后熱保溫。

活動(dòng)鉸焊接完成后，采用退火爐對(duì)活動(dòng)鉸進(jìn)行焊接后的后熱保溫，利用ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)把保溫溫度控制在200 ℃～300 ℃，保溫時(shí)間為4～5 h。利用退火爐能有效地保證保溫溫度和保溫時(shí)間，能使焊縫中的氫擴(kuò)散出來，防止冷裂紋的產(chǎn)生。

(3)活動(dòng)鉸整體去應(yīng)力退火熱處理。

對(duì)后熱保溫后的活動(dòng)鉸進(jìn)行超聲波探傷檢查并合格后，采用退火爐進(jìn)行活動(dòng)鉸整體去應(yīng)力退火熱處理。活動(dòng)鉸吊裝進(jìn)退火爐后，蓋上上蓋，塞

填好活動(dòng)鉸兩個(gè)端頭及空腔內(nèi)的保溫被。按圖4所示的去應(yīng)力退火控制曲線圖輸入ZCDK-120 kW-0712型智能程序電爐控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)退火過程的智能控制。退火過程中，作業(yè)人員定期對(duì)各個(gè)儀表進(jìn)行檢查，并檢查打印記錄系統(tǒng)是否正常工作。

圖4 去應(yīng)力退火控制曲線圖

3 結(jié) 語

在焊接活動(dòng)鉸制作過程中，通過以上工藝優(yōu)化，增強(qiáng)了活動(dòng)鉸結(jié)構(gòu)與鍛鋼圓柱鉸套之間的連接強(qiáng)度，解決了在工廠內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)鉸去應(yīng)力整體退火熱處理的難題，降低了焊接活動(dòng)鉸制作的生產(chǎn)成本。按照以上工藝進(jìn)行優(yōu)化，本廠完成了老撾南康3水電站3套溢流表孔弧形工作閘門共6件焊接活動(dòng)支鉸的制作，目前已全部通過了出廠驗(yàn)收，且已順利安裝并投入運(yùn)行。該工藝優(yōu)化方案的成功應(yīng)用，為類似產(chǎn)品的制作提供了很好的借鑒作用。

[1] GB/T 14173-2008，水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2] 范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[3] 張 政.金屬結(jié)構(gòu)制造與安裝[M].北京：中國水利水電出版社，1995.

TV7;TV52

B

1001-2184(2017)05-0051-03

2017-08-20

黃成林(1977-)，男，四川宜賓人，工程師，從事金屬結(jié)構(gòu)制造安裝技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯李燕輝)