大直徑栓接式鋼堵頭閘門制造工藝淺析

李濤 蘇運富

中國水利水電第五工程局有限公司第一水工機械廠 四川廣元 628003

某國外水利水電改擴建工程，擬在原隧洞的上半段上方分別新建豎井和取水塔等結構物，以抬高取水高程。根據施工需要，在豎井施工完成后，取水塔施工前，需在豎井口EL409m部位安裝臨時堵頭閘門將豎井臨時封閉，主要用于堵頭閘門上、下工作面施工時的隔水、抵擋水壓等作用。

項目取水口豎井直徑為13.72m，豎井混凝土襯砌壁厚1m，豎井頂部設堵頭鋼閘門，將豎井封堵，相當于蓋板蓋住豎井。

大直徑栓接式鋼堵頭閘門為直徑15.84m的圓形閘門，閘門主材材質為Q355B，門葉總重415噸，共分為15個制造單元節，現場組拼成整體，最大單元節重31.932噸；鋼堵頭閘門各制造單元節段間采用條形橡膠水封、螺栓連接，為保證水封能壓縮，條形水封中間開槽，成“工”字形，安裝時預壓縮4mm；閘門與埋件之間采用448顆10.9等級M64的螺栓連接，螺栓分別布置在?15.62m、?15.22m、?14.62m、?14.22m的圓周上，閘門與埋件一周采用“I”字條形橡膠水封封水，安裝時預壓縮5mm，水封設在埋件上，封水圓直徑13.88m。節間水封端部與圓周水封設一橡膠塊現場粘結[1]。

1 制造工藝難點

鋼堵頭閘門制造過程中，門葉與門槽連接為4個大圓周圈上448個連接螺栓，螺栓孔為?90mm，分布于15節門葉面板上，其每個螺栓孔均分布在指定圓上，螺栓孔與螺栓孔之間的相對位置精度、孔的加工精度等要求高，待門葉制造完成后加工、定位困難，效率低下。

鋼堵頭閘門整體外形尺寸大，分15節制造，分節處閘門節間靠面板一側采用螺栓連接，“工”字型條形水封封水，這種結構必然對連接螺栓孔的位置精度要求高，才能保證各節閘門安裝過程中螺栓能夠順利進行安裝，封水效果好；同時門葉節間配合面的平面度要求也很高，閘門節間配合面加工寬度230mm，加工長度最大達到15.816m，最短達到10.966m，平面度要求不大于3mm，否則閘門節間不能滿足封水要求。單節鋼堵頭閘門節間加工要求如圖1所示。

圖1 單節門葉節間加工要求圖

鋼堵頭閘門門葉主梁結構為箱型結構，其箱型結構腹板靠面板一側焊后平面度要求高，否則影響其止水面加工質量（存在局部加工不到、局部加工量大的現象）。

2 制造工藝流程及措施

2.1 工裝設計、制造

結合本項目大直徑栓接式鋼堵頭閘門門葉結構特點，根據項目的實際需要研究、設計、制造：可調式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝（見附圖3）、鋼閘門止水面快速加工裝置（見附圖4）、圓孔中心距離快速測量裝置等。工裝制造、加工過程中，各環節應嚴格按各工裝的設計圖紙進行，并在使用過程中針對使用效果、功能要求進行進一步的提升、優化、改進；鋼閘門止水面快速加工裝置制造時，嚴格控制行走軌道的平面度≦1mm、直線度≦1mm，嚴格控制加工設備與平臺之間垂直度等。

2.2 零部件下料

大直徑栓接式鋼堵頭閘門的關鍵部件“門葉面板”下料前，通過模擬焊接實驗及依據相似鋼結構焊件的收縮經驗值，測算門葉焊接后收縮量對門葉連接螺栓孔位置控制直徑的影響，并利用連接螺栓與連接孔的允許公差，在下料放樣時對門葉連接螺栓孔的位置做工藝性擴大，以彌補門葉焊接時的收縮量，在下料時利用激光數控切割機高精度切割螺栓孔，實現了門葉連接螺栓孔的直接下料成型，避免了后期門葉制造成型后門葉與門槽的連接螺栓孔難以定位（大圓周上、分散在多節門葉上）、鉆床加工慢的缺點；門葉其余零部件的下料均按工藝要求嚴格進行。門葉面板的下料控制如下圖“圖2單節門葉面板激光下料圖”，門葉面板上的連接螺栓孔下料直接激光下料成型，下料時孔的位置半徑向外擴大1mm，門葉面板兩側面預留節間各預留5mm加工量[2]。

圖2 單節門葉面板激光下料圖

2.3 門葉組拼、焊接

根據大直徑栓接式鋼堵頭門葉的結構特點，門葉結構件主要是由面板、主梁腹板、主梁后翼、邊梁等組成的箱型梁，且門葉位置不一樣受力不一樣，致使箱型梁的寬度尺寸不一。首先，根據工藝圖紙對箱梁進行組拼、加固；然后利用“可調式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝”對箱型梁進行焊接，焊接時通過調整焊接工裝的液壓缸，實現門葉多種寬度箱型（工字）主梁可以在同種工裝上的埋弧自動焊接，且可調節船形焊接角度，提高焊接一次合格率，減少門葉變形；焊后對門葉上類焊縫根據規范、圖紙等要求進行無損檢測，合格后進行振動效應，去除門葉內部殘余應力。說明：門葉拼裝、焊接過程中，采用“圓孔中心距離快速測量裝置”配套測量設備對門葉面板連接螺栓孔定期監測，確?？椎奈恢闷钤诠に囈蠓秶鷥取Ｏ湫土洪T葉焊接工裝如下圖“圖3可調式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝”。

圖3 可調式H型梁（箱型梁）埋弧焊工裝圖

2.4 門葉節間止水面、節間限位裝置結合面加工

根據單節門葉制造圖紙，待門葉焊接完成無損檢測合格，應力消除后，對門葉腹板位置節間水封止水面、限位裝置結合面進行加工。由于門葉分段較多（15個單元節），加工面多（單節門葉左右兩側都需要加工），工期緊，且根據門葉風水要求：門葉節間加工精度要求高，平面度要求不大于3mm。因此在門葉加工時，研發了“鋼閘門止水面快速加工裝置”進行門葉節間水封止水面、限位裝置結合面加工，實現了門葉加工面的快速、流水化、高質量的加工。加工過程中，隨時采用水準儀檢測加工面的平面度，及相關面的相對高差，確保加工尺寸符合要求。門葉加工裝置見下圖“圖4鋼閘門止水面快速加工裝置圖”[3]。

圖4 鋼閘門止水面快速加工裝置圖

2.5 門葉節間單側螺栓孔加工

門葉加工完畢，以圖紙尺寸為標準，采用磁座鉆先鉆門葉“限位裝置結合面”一側的節間連接螺栓孔，要求孔的間距、位置、加工精度均需符合圖紙及規范的要求，鉆孔完畢清理毛刺并驗收合格。

2.6 預拼裝、門葉面板側止水面加工，圓孔測量裝置快速測量驗收

單節門葉驗收合格后，以門葉面板向上狀態，搭設門葉預拼裝平臺，以中節門葉為基準，拼裝定位、加固后，向兩側依次拼裝相鄰節門葉。門葉拼裝過程中，每節門葉定位、整體門葉驗收測量時使用“圓孔中心距離快速測量裝置”、全站儀等對門葉面板上圓周圈大范圍內連接螺栓孔進行快速定位、測量，確保螺栓孔的相對位置公差及精度。拼裝完成后，加工門葉面板側止水工作面，整體尺寸驗收合格。

2.7 專用鉆頭鎬眼門葉節間連接處

門葉預拼裝驗收合格后，兩節門葉的節間連接為螺栓連接、左右兩節門葉連接處螺栓孔的位置精度要求高，否則會引起連接處孔錯位、面板錯位、封水面錯位等系列現象。由于門葉節間空隙小，無法直接鉆孔，采用先鉆門葉“限位裝置結合面”一側節間連接孔（見工序3.5），然后另一側門葉連接處在整體拼裝調整到位后鎬眼定位，門葉解體后單節門葉鉆孔的方式，從而提高門葉連接處螺栓孔的位置精度，確保穿孔合格率100%。

2.8 完成門葉制造

對所有門葉及附件進行消缺處理，并按防腐作業指導書進行防腐蝕，完成門葉的制作。

3 結語

通過以上系列化工藝措施的實施，解決了水電工程大直徑栓接式鋼堵頭閘門的制造、加工工藝難點技術問題。實現了大直徑栓接式堵頭閘門門葉的快速、流水化、高質量加工；實現了大直徑范圍內螺栓孔的快速定位、測量；解決了閘門連接面螺栓孔的高精度對正等系列問題，保證閘門高效率、高質量的生產制造，實現了閘門節間、門葉與門槽之間的安裝一次穿孔合格率100%，封水效果良好。該工藝措施的成功實施，也為今后類似閘門的制造提供了一條新的工藝思路，具有一定的借鑒意義。