白鶴灘水電站10 000 kN/500 kN超大型雙向門機關(guān)鍵構(gòu)件制造工藝技術(shù)研究

曹 峽 榮

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

白鶴灘水電站的主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧防洪并具有攔沙、發(fā)展庫區(qū)航運和改善下游通航條件等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點之一。水庫總庫容206.27億m3。電站裝機容量為16 000 MW，多年平均發(fā)電量為625.21億 kW·h。電站門式啟閉機的制造項目包括一臺10 000 kN/500 kN雙向門式啟閉機，裝設(shè)在壩頂836 m高程上。設(shè)備主鉤用于操作深孔事故閘門，下游側(cè)回轉(zhuǎn)吊用于表孔液壓啟閉機的安裝與檢修。

筆者介紹了白鶴灘水電站壩頂10 000 kN/500 kN雙向門式啟閉機的制造過程與下橫梁、門腿、主梁制作及H腿、上部結(jié)構(gòu)預組裝、門架立拼采用的制造工藝技術(shù)。

如圖1所示，10 000 kN/500 kN雙向門式啟閉機門架結(jié)構(gòu)主要由下橫梁、H腿(上下中橫梁、門腿)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)(主梁、端梁)及爬梯、扶手、平臺和護欄等附件組成。

圖1 門機門架示意圖

2 主要技術(shù)要求和制造難點

2.1 主要技術(shù)要求

(1)構(gòu)件預拼裝及組裝要求。門架下橫梁、門腿、主梁等是門式啟閉機的重要組成部分，門架結(jié)構(gòu)等單個構(gòu)件按NB/35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》標準拼裝制作后進入門架結(jié)構(gòu)的組拼。

①門架預拼裝前，按合同技術(shù)條款及規(guī)范要求提出組裝的施工工藝。

②沿門機跨度方向門腿垂直中心線與門機跨度一致，單側(cè)兩門腿垂直中心線與門機跨度之差不大于±3 mm，兩側(cè)門腿的垂直中心線相對差不大于±3 mm。

③門腿組裝后，其垂直中心線沿門機跨度方向的偏斜不大于門腿自身高度的1/2 000且門腿下部宜向內(nèi)偏斜。

④門架組裝后，測量上部結(jié)構(gòu)四個對角頂點，其標高相對差不大于5 mm，各點標高絕對差值不大于±10 mm。四個對角頂點對角線之差不大于5 mm。

(2)焊縫檢測要求。

① 焊縫分類按NB/T35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》執(zhí)行。

②對一、二類焊縫實施100%、50%超聲波探傷，且需分別達到GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測、超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》BⅡ、BⅢ級要求。必要時還要進行射線探傷并達到GB/T 3323-2005《金屬熔化焊接接頭射線照相》BⅡ級要求，探傷長度不小于全長的20%，且不小于300 mm。

③對設(shè)計未要求焊透的T形接頭組合焊縫應進行30%的超聲波探傷并達到GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測、超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》BⅢ級要求，未焊透深度應小于設(shè)計圖樣的規(guī)定值，并按中國長江三峽集團公司企業(yè)標準Q/CTG30-2015《水工金屬結(jié)構(gòu)T形焊接接頭未焊透深度超聲波檢測技術(shù)規(guī)范》進行10%的驗證性抽探。

④其它焊縫的探傷要求按NB/T 35051-2015執(zhí)行。

2.2 制造中的難點

根據(jù)門架的結(jié)構(gòu)特點，其制造難點包括下橫梁半封閉箱梁的拼焊順序、門腿和H腿結(jié)構(gòu)的拼裝焊接變形控制、兩主梁的上拱預制及相對差控制，下橫梁、門腿、主梁是門架制作的關(guān)鍵和重要構(gòu)件[1]。H腿、上部結(jié)構(gòu)的預拼裝和焊接變形控制是確保門架組裝質(zhì)量的關(guān)鍵工序，需要做好構(gòu)件制造工藝的策劃工作，用以指導工藝方案的編制。

3 構(gòu)件生產(chǎn)采用的主要工藝流程

構(gòu)件生產(chǎn)采用的主要工藝流程見圖2。

圖2 主要工藝流程圖

3.1 單個構(gòu)件的拼裝

為減少門架H腿、上部結(jié)構(gòu)整體焊接變形，制作工藝為單獨的梁體組裝焊接與矯正，最后拼成單片H腿與上部結(jié)構(gòu)。各梁體和單個構(gòu)件的制造嚴格按已編制的工藝流程和焊接工藝進行，且需考慮焊接收縮量和機械加工切削余量。制作過程中隨時進行檢測，嚴格控制焊接變形和焊縫質(zhì)量，每道工序堅持執(zhí)行“三檢制”。單個構(gòu)件制造的允許公差或偏差符合合同及NB/T35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》的規(guī)定。

3.1.1 下橫梁

下橫梁是連接大車行走機構(gòu)和支撐門腿、回轉(zhuǎn)立柱的箱梁，根據(jù)下橫梁的結(jié)構(gòu)特點需要注意以下拼裝要點：

(1)切割下料后，首先完成腹板、翼板的拼接焊接，經(jīng)探傷合格后對焊接變形進行矯正處理；

(2)受箱梁內(nèi)腔的焊接空間限制，拼裝宜采取先拼成Π型梁并完成內(nèi)腔焊接后封蓋上翼板，然后采用埋弧自動焊完成四條主縫的焊接。為減小翼板角變形，焊接前應采取反變形措施；

(3)焊接矯正后劃線轉(zhuǎn)加工上下支承座板連接面，將門腿下端板與上連接座面配鉆孔后用工裝螺栓連接加固，劃十字中心線，待門架整體立拼組裝。

3.1.2 門 腿

門腿是連接下橫梁、上部結(jié)構(gòu)的主要承壓構(gòu)件，其拼裝制作的質(zhì)量控制至關(guān)重要。根據(jù)門腿結(jié)構(gòu)特點，拼裝應注意以下工藝控制要點：

(1)嚴格控制門腿隔板的切割下料質(zhì)量，必須確保隔板的垂直度及對角尺寸偏差在允許值范圍內(nèi)方可進入拼裝工序；

(2)拼裝前，在考慮焊接收縮的同時，必須要以與上下中橫梁連接的中心為基準進行拼裝尺寸放樣，以滿足隔板與中橫梁的對位拼裝連接質(zhì)量要求；

(3)門腿為梯形結(jié)構(gòu)且單片H腿呈八字結(jié)構(gòu)，以翼板放樣拼裝各隔板時，應注意對隔板兩個轉(zhuǎn)角的控制。拼裝定位腹板時要控制大小頭在鉛垂方向的檢測數(shù)值偏差；大小頭隔板處的上下鉛垂值差δ見公式(1)：

δ=隔板長×sinα× sinβ

(1)

式中α為H腿“八”字單邊斜角；β為門腿腹板單邊斜角。

3.1.3 主 梁

門機主梁是門機上部結(jié)構(gòu)的重要承重部件，在自重和載荷作用下存在彈性下?lián)犀F(xiàn)象，需上拱制作[2]，其制作質(zhì)量的好壞將直接影響到該門機的動、靜載工況下的承載負荷能力和使用壽命。主梁制作按以下要點做好工藝控制：

(1)腹板下料上拱度的預制。其預拱值根據(jù)圖樣要求按二次拋物線法計算公式進行計算。

(2)應綜合考慮焊接收縮、主梁自重及經(jīng)驗數(shù)據(jù)等因素，拱度曲線采用編程數(shù)控切割下料可以保證線形準確，使門機兩根主梁的四塊腹板在同一截面的拱度差基本保持一致。主梁的翼板及腹板下料前應先進行整體放樣編程，避免出現(xiàn)焊縫重疊現(xiàn)象，拼接焊縫按規(guī)范標準做無損探傷檢查，坡口切割后完成其表面的打磨。

腹板下料時采用整體預起拱，采用二次拋物線法計算公式進行計算。以跨距中心點為坐標原點計算出跨度中任意點(一般取隔板處)的拱度，這些點為二次拋物線上的點，其方程式見公式(2)[3]：

y=F×(1-4a2/L2)

(2)

式中y為主梁跨度中任意點的上拱度；a為主梁跨中任意點坐標到跨中心坐標的水平距離；L為跨度距離。

由此得到主梁腹板下料時的上拱度拋物線。

(3) 內(nèi)腔隔板采用編程數(shù)控下料。先做好首件切割質(zhì)量的檢查工作，以保證主梁組裝時矩形截面的準確性，防止產(chǎn)生扭曲。

(4)拼裝時，在拼裝平臺上以主梁上翼板為基準放樣(放樣尺寸要考慮焊接收縮因素)并按工藝確定的上拱值要求在X/Y軸方向監(jiān)測并確定各起拱支點的相應坐標值并支墊牢固。

(5)在上翼板上定位組拼各大小隔板。為減少整體焊接對主梁上拱值的影響，可采取偶數(shù)焊工由中心向兩端對稱、跳焊的焊接工藝措施先完成隔板與上翼板的組合焊縫焊接，配以釋放應力措施。經(jīng)上拱值復測調(diào)整后，再拼上內(nèi)腔的縱向加固筋條或型鋼，按順序組拼定位兩側(cè)腹板，封蓋定位已卷弧成型的下翼板。

(6)主梁拼裝交驗合格后，焊接是控制變形的重要工序，焊接必須按照焊接工藝要求進行并加強過程監(jiān)控。

3.2 門機H腿、上部結(jié)構(gòu)的預拼裝

3.2.1 H腿的預拼裝

門機H門腿結(jié)構(gòu)是門架結(jié)構(gòu)的重要組成部分，單片H門腿結(jié)構(gòu)由兩根門腿和上下中橫梁通過高強螺栓聯(lián)接組成。H腿預拼裝工藝的控制要點為：

(1) H腿的組裝尺寸需要考慮焊接收縮因素，調(diào)整定位加固后，對中橫梁兩端的連接結(jié)構(gòu)及外伸梁與門腿的組合焊縫進行施焊，焊接時必須采取兩端對稱焊接的工藝措施并監(jiān)測H腿的幾何尺寸變化；

(2) 焊縫經(jīng)UT探傷合格后需進行應力釋放，再對H門腿結(jié)構(gòu)的組裝尺寸進行整體復測調(diào)整，定位后各聯(lián)接板穿定位銷和高強螺栓連接牢固；

(3)按圖紙要求以中橫梁中心為基準對門腿大小端頭尺寸、坡口進行修割并配上與主梁連接的上端板，施焊端板與門腿的連接組合焊縫，經(jīng)UT探傷合格后矯正端板平面度，再對H門腿結(jié)構(gòu)進行整體加固后劃門腿各組裝定位中心線，等待進行門架的整體立拼。

3.2.2 上部結(jié)構(gòu)的預拼裝

上部結(jié)構(gòu)是門機重要的承載受力構(gòu)件結(jié)構(gòu)，由兩件主梁、兩件端梁及懸臂梁拼裝組成，通過高強螺栓聯(lián)接而成。上部結(jié)構(gòu)預拼裝的工藝控制要點為：

(1)預拼裝時，調(diào)整并檢測主梁與端梁連接的幾何尺寸且需兼顧腹板的垂直度尺寸，重點調(diào)整控制兩主梁同截面小車軌道中心線對應點的上拱值相對差；

(2)調(diào)整定位加固主梁與兩端梁的連接結(jié)構(gòu)，焊前兩主梁中心距必須考慮焊接收縮因素；

(3)焊接時必須對稱施焊主梁與端梁、懸臂梁連接結(jié)構(gòu)的組合焊縫；

(4)焊縫經(jīng)UT探傷合格后，對各聯(lián)接板進行應力釋放，調(diào)整并復測整體尺寸，定位后配鉆、穿定位銷和高強螺栓連接加固，配上小車軌道并對主梁與門腿上端板的連接邊進行修割打磨，劃各組拼定位中心線，等待進行門架的整體立拼。

3.3 門架的整體立拼組裝

門機在完成行走組裝及H腿單片、上部結(jié)構(gòu)的預組裝工序后，按工藝流程進入門架整體立拼組裝工序(圖3)。

圖3 工藝流程圖

其工藝流程為：

在立拼現(xiàn)場鋪設(shè)門機大車行走軌道并按圖紙尺寸調(diào)整檢測軌道中心軌距及軌面的水平數(shù)據(jù)滿足要求后吊裝行走機構(gòu)，對軌道、行走機構(gòu)進行加固；按工藝流程依次組裝下橫梁、H腿和上部結(jié)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機構(gòu)等，門架的主要部件立拼并檢測定位、加固后，實施H門腿與下端板的組合焊縫焊接，中間穿插應力釋放并檢測下端板與下橫梁連接端板間的間隙符合規(guī)范要求。

門架組裝經(jīng)專職檢驗員檢測交出廠驗收；驗收合格后進行門架的拆解，完成零部件的編號后轉(zhuǎn)防腐工序，最后按單元包裝運輸發(fā)運出廠。

4 總體焊接工藝要求及過程控制

(1)主梁等單個構(gòu)件及H腿、上部結(jié)構(gòu)的焊接按合同技術(shù)條款、設(shè)計圖紙及NB/T35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》執(zhí)行。

(2)各鋼板零件宜采用整體下料。若需接板，其拼接接頭應避開構(gòu)件應力集中斷面，避免十字焊縫，相鄰平行焊縫的間距應大于200 mm。盡量將焊縫安排在結(jié)構(gòu)截面的中性軸上或靠近中性軸，力求中性軸兩側(cè)的變形大小相等、方向相反，以起到相互抵消作用[4]。

(3)焊接方法的選擇：一般選擇CO2(GMAW)氣體保護焊；對于下橫梁、門腿、主梁長直條箱型梁，其單條焊縫長度大于3 mm的接板焊縫和外側(cè)組合焊縫，通常選擇(SAW)埋弧自動焊。

(4)焊接材料的選擇：焊絲代號及焊劑必須符合施工圖樣規(guī)定，應選用與母材強度相適應的焊接材料。

(5)焊接工藝參數(shù)：焊接時應盡可能采用較小的焊接熱輸入量以減小加熱區(qū)的范圍及焊縫收縮量(表1)。

表1 焊接工藝參數(shù)表

(6)對于下橫梁、門腿和主梁長直條箱梁的焊接，為減少扭曲、旁彎、角變形等焊接變形和焊接應力，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和坡口形式，應選擇合理的焊接順序并采用跳焊、分段退步焊和多層多道焊或采用反變形等措施。焊接順序應先焊各梁的連接接頭焊縫，從里向外焊，然后焊接底面的各條焊縫[5]。因主梁腹板高度大于1 mm，隔板立焊可分三段施焊，焊接所用的焊材應符合圖樣規(guī)定，應選用與母材強度相適應的焊接材料。

(7)對于下橫梁、門腿、主梁、H腿、上部結(jié)構(gòu)等制作、組裝的重要焊接工序，必須做好焊前的技術(shù)交底工作，同時，在焊接過程中必須加強過程的監(jiān)控工作。

5 安全技術(shù)措施

(1)在工藝文件設(shè)計內(nèi)容中，除對構(gòu)件的制造工藝流程作主要描述外，還要將制作過程中的安全技術(shù)要求作為重點強調(diào)內(nèi)容。

(2)根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場、起重設(shè)備資源情況，依據(jù)《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)與機電設(shè)備安裝安全技術(shù)規(guī)程》DL/T5372-2017、《水電水利工程施工人員安全技術(shù)操作規(guī)程》DL/T5373-2017及公司安全生產(chǎn)管理制度，必須安排專業(yè)工程技術(shù)人員編寫、制定門機廠內(nèi)立拼組裝的《門機大拼組裝安全技術(shù)方案》，其中包括場地選擇、加固方案、吊耳設(shè)計、組裝拆解順序等重要內(nèi)容。

(3)根據(jù)安全生產(chǎn)管理制度要求，按照層級管理之規(guī)定，分級做好《門機大拼組裝安全技術(shù)方案》的安全技術(shù)交底工作，確保白鶴灘水電站10 000 kN/500 kN超大型雙向門式啟閉機的安全生產(chǎn)。

6 結(jié) 語

白鶴灘水電站10 000 kN/500 kN超大型雙向門式啟閉機是我國目前水電站起吊容量最大的壩頂門機，通過該門機的生產(chǎn)制造，使我公司在超大型門式啟閉機構(gòu)件的生產(chǎn)制作方面取得了寶貴的工藝技術(shù)經(jīng)驗，完善并提高了門機關(guān)鍵構(gòu)件、工序的工藝技術(shù)水平，亦將進一步提升公司在超大型門式啟閉機制造行業(yè)的地位。