廣西大藤峽水電站主壩泄水低孔弧門的制造與研究

閆 軍

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

廣西大藤峽水利樞紐工程左岸泄洪壩段主壩泄水低孔工作弧門是目前我國水電站中弧形閘門曲率半徑最大的弧門，其主框架的結構型式采用雙主縱梁焊接結構，三直支臂支撐。弧門孔口尺寸為9 m×18 m(寬×高)，曲率半徑為33 m，面板表面機加工后要求其表面粗糙度Ra=12.5。弧門面板弧長22.16 m，門葉結構縱向分為3節(jié)，單節(jié)門葉重量達97 t，單片支臂重約165 t。支承鋼梁整體制作單件重量約為230 t。中國水利水電夾江水工機械有限公司需完成11套工作弧門的制作。

該弧門面板采用Q345B材質且門葉外形尺寸超大。為滿足弧門的各項技術檢測要求，必須通過加工過程的智能化和數控化以及新技術的應用來滿足設計要求。該弧門作業(yè)時調節(jié)頻繁且局部開啟，洪水全開，孔口數量多，因此，為滿足設備運行安全、可靠性高的要求，弧門制造精度高。

2 國內外弧門制造研究現(xiàn)狀

根據行業(yè)調查：國內水電站金屬結構件制造公司、工廠很多，但是能進行難度高的超大型弧門制造和安裝的公司不多；能開展系統(tǒng)工藝研究并形成文獻資料的則更少；制造過與大藤峽工程類似的水文、地質、氣候、環(huán)境條件并完成制作超大型弧門項目的公司根本沒有。

根據市場調研：在國內工程中，成功應用類似超大型弧門的工程尚沒有。

文獻資料查詢結果：目前還未搜索到與大藤峽水利樞紐低孔弧門工程類似(超大型)的設計、制造、安裝方面的文章或技術文獻。

綜上所述：大藤峽水利樞紐低孔弧門為國內外首創(chuàng)。

3 主要研究內容

該類型弧門的制造與其它弧門具有較大的差異性，需針對項目的技術難點及控制重點進行認真研究：(1)超大型弧形閘門設備的制造難點分析及質量保證措施。(2)應用智能化和數控化技術以滿足弧形閘門設備的制造加工要求。

4 研究成果

4.1 弧門及支臂結構制造工藝的研究成果

門葉面板弧長22.16 m，半徑為33 m，門葉縱向分3節(jié)制造。門葉縱主梁及支臂的主要材料為30 mm厚鋼板，其余板材厚度均為30 mm以上，而且需超聲波探傷滿足GB/T14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規(guī)范》要求的一二類焊縫占到全部焊縫總量的95%以上，這一點給焊接質量及焊接變形的控制難度造成了很大影響，焊接后會出現(xiàn)較大的變形，焊后數據難以滿足技術要求。該門葉結構制作的主要技術要求：

(1) 非加工面組合處的錯位≤2 mm。加工面組合處的錯位≤0.5 mm。

(2) 縱向隔板錯位≤2 mm。

(3) 面板與梁組合的局部間隙≤1 mm。

(4) 門葉底緣直線度≤1 mm。

(5) 門葉底緣傾斜度≤2 mm。

(6) 門葉橫向直線度≤2 mm。

(7) 支鉸軸孔中心至面板外緣的半徑R=

33 000 mm±3 mm，兩側相對差不大于 2 mm。

為保證各技術難題滿足合同技術要求，弧門變形控制成為實現(xiàn)滿足合同和技術要求的關鍵。

4.1.1 門葉及支臂結構拼焊的變形控制

(1) 優(yōu)化面板對接坡口。門葉面板外形尺寸為38 mm×9 050 mm×22 180 mm。為提高材料的利用率，面板采用定尺板縱向分三段、弧長方向分兩段下料。通常在面板制作分段下料起弧后在弧臺上對接拼焊，對接坡口均為K型45°，焊接時先焊接面板內側焊縫，門葉下弧臺后，在面板背后對焊縫進行清根后再焊接，但因清根較深、背縫焊接量大，將造成面板變形較大，焊縫會向門葉內側凹陷過深，最多可達10余mm，從而使面板弧度、直線度超標，修校很困難。針對面板對接焊變形大的情況，我們采取將38 mm厚的面板改為不對稱K型坡口，內側深23 mm，25°，外側深13 mm，30°，2 mm鈍邊，以達到消除背后清根較深、焊接填充量大且不對稱的目的。通過面板焊接試驗的檢測，焊接后門葉面板對接處的平面度為2 mm左右，不需修校即可滿足技術要求。

(2)優(yōu)化小縱梁小拼。門葉小縱梁為T型結構，腹板高度為745 mm，翼板寬300 mm，為細長構件，焊接變形不均衡易產生正向彎曲，對面板弧度影響大。針對上述情況，應用經驗公式對小縱梁腹板弧度變形進行了計算，根據計算結果，在小縱梁腹板下料編程時進行了反變形處理。經試驗得知效果較好，減少了構件焊后的修校工作量，有效地防止了門葉面板弧度焊后的變形。

(3)優(yōu)化焊接工藝。為減少門葉整體及支臂焊接變形，最終采取小規(guī)范、小電流焊接。焊接參數：立焊電流120～140 A，電壓22～24 V , 平焊電流180～220 A，電壓25～27 V。焊接時只允許2名焊工同時焊接，采用由中間向兩端對稱跳躍焊接，先立焊、再平焊，先橫向焊接、再縱向焊接的焊接順序，嚴格控制焊接順序，采用焊接過程中監(jiān)控變形、穿插修校等多種焊接方式。

(4)殘余應力消減措施：為消減構件焊接后的殘余應力，穩(wěn)定結構尺寸，門葉完成拼焊后進行了振動時效消應處理。

通過以上控制優(yōu)化措施，有效地控制了弧門的焊接變形，使各項焊后數據檢測滿足要求，為今后類似弧門的制作積累了寶貴的經驗。

4.1.2 門葉結構加工工藝研究

最終確定的門葉制造工藝流程為：門葉拼焊→振動時效→復拼劃線→面板加工→大拼→后翼板加工→大拼→驗收合格后按編號拆解門葉，點焊加固側水封壓板→鉆孔→拆解打磨按編號收尾→防腐。

門葉加工分兩步，第一步：加工門葉面板及側水封座板、側輪座板，劃門葉面板加工線及檢查線，劃門葉水平找正線，劃側水封座板加工線及檢查線。第二步：加工門葉主梁后翼板及吊耳孔，配沖主梁后翼板螺栓孔，在主梁后翼板四周筋板處劃加工檢查線，配沖螺栓孔并標注螺孔位移尺寸，劃吊耳十字中心線。

(1)門葉面板加工工藝。弧門半徑R=33 m，門葉單節(jié)最大寬度為3.115 m，門葉弧長為22.16 m,面板加工表面粗糙度Ra=12.5,弧門半徑R的偏差小于l mm,局部平面度小于0.3 mm。根據工件尺寸及加工輪廓的復雜程度，選用數控鏜床進行加工， 工件在工作平臺上側臥裝夾(與構件劃線狀態(tài)一致)，門葉面板對主軸、弦長方向同設備軌道平行，根據構件所劃的、與主縱梁縱向中心線等高的水平找正線、門葉弧長方向兩端頭劃出的垂線找正工件。加工步驟如下：

①數控編程走刀，虛擬加工校核構件所劃面板加工線半徑(R=33 m)是否準確，待其無誤后，根據該線虛擬走刀，對整體面板橫、縱向進行走刀，檢查各處余量是否足夠(數值差標注在未加工的面板上)，最終檢查無誤后方可進行后續(xù)加工。

②編程加工基準邊，加工后檢查面板厚度并與虛擬加工理論數值進行對照，確認各處板厚度不小于名義尺寸(即>25 mm)、半徑R=33 m無誤后整體加工面板。

③面板加工完成后在工件不動的狀態(tài)下(同基準)加工下段底緣，按構件加工線加工底緣。

(2)門葉后主梁翼板的加工。

①校正構件劃線，使主梁后翼板面對主軸，按構件所沖孔位(注意：沖孔位置由于需要在第一次沖孔的基礎上挪動以消除后翼板加工厚度后的偏移差，因此，加工該孔前需與構件確認沖孔位置的準確性，待確認其進行了挪孔工作后再加工)加工主梁后翼板上的孔。

②鉆孔后按構件劃線加工主梁后翼板。

4.1.3 鉸座、鉸鏈的制造

(1)鉸座、鉸鏈的鑄造。鉸座、鉸鏈各22件，材料為ZG35CrMo，單件重量為20 t,其在水工行業(yè)已屬于超大鑄鋼件，在國內無幾家廠家可鑄造。裂紋、縮松、氣孔、夾渣是最常見的鑄造缺陷，而裂紋是鑄鋼件中不允許存在的危害性缺陷。對于批量如此大的鑄件，根據預計的技術難題，技術人員積極與鑄造專家進行技術研討，研究生產過程中聯(lián)合開爐和澆筑工藝，加強過程控制，制訂科學合理的操作控制規(guī)程，解決了大型鑄件的澆筑難題。鑄件預熱處理，割除澆鑄冒口時防止產生裂紋，再進行鑄件熱處理以消除鑄造內應力、均勻內部成分及組織。經過水工專家及大型鑄造行業(yè)專家的聯(lián)合研討，最終確定了大型鉸鏈、鉸座的鑄造驗收要求，給今后的大型鑄件積累了寶貴的經驗。

(2)鉸座、鉸鏈的機加工。鉸座加工時，控制單件鉸座兩軸承孔與底面的相對高度為0.l mm，控制兩鉸座的相對高度為l mm。加工時先加工內孔，再在鏜床上以內孔為基準進行校正，加工底面。鉸鏈采用同樣的加工方法控制兩端面軸孔中心線與底面的相對距離。

5 弧門檢驗

弧門檢驗內容見表1。

表1 弧門檢驗內容及要求表

6 結 語

廣西大藤峽水利樞紐工程左岸泄洪壩段主壩泄水低孔工作弧門的成功制造，滿足了大藤峽水利樞紐工程的需要，完善了我公司制造產品的種類，使我公司的技術水平和影響力得到了進一步提升，同時為今后類似水電工程采用該類型弧門提供了充分的技術保證。