淺談超大型平面定輪閘門制造

丁 偉

（國能青海黃河瑪爾擋水電開發有限公司，青海 果洛州 814000）

0 引言

黃河瑪爾擋水電站樞紐工程規模為Ⅰ等大（1）型工程，電站以發電為主，正常蓄水位3275.0m，總裝機容量2200MW。工程樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道及泄洪放空洞、引水發電系統建筑物等組成?；炷撩姘宥咽瘔巫畲髩胃?11m；泄水建筑物由右岸溢洪道及泄洪放空洞組成，挑流消能；引水發電建筑物采用右岸地下式布置方式，由進水口、引水隧洞、地下廠房、尾水洞等組成。地下廠房安裝4臺單機容量520MW和1臺單機容量120MW的水輪發電機組。

瑪爾擋水電站設置1孔泄洪放空洞事故閘門，布置在泄洪放空洞進口，設計水頭100m，承受總壓力為70777kN，采用6300kN 固定卷揚式啟閉機進行啟閉。

1 閘門結構特點及制造難點

1.1 閘門主要結構特點

泄洪放空洞事故閘門屬于高水頭平面定輪閘門，該閘門的孔口尺寸為6m×12m，設計水頭為100m，門葉質量為248t，配重為189t。閘門分為5節，節間采用連接板進行現場焊接連接，設有側輪裝置、反滑塊裝置，主輪裝置設有20個定輪，頂節定輪直徑?700mm，其余4節定輪直徑?900mm，通過偏心軸將其調整在同一平面內。閘門采用上游止水，頂、側水封及防射水水封采用“山”形充壓止水，利用庫水充壓，底止水采用條形水封。閘門結構件主材為Q355C鋼板，鋼板厚度主要規格為30mm～55mm，閘門結構簡圖如圖1所示。

圖1 門葉結構簡圖及三維模型

1.2 制造難點

難點一：結構復雜，組裝質量要求高。

泄洪放空洞事故閘門共分為5節，邊梁為π型結構、底節主梁為箱型梁、頂節主梁為T型梁，中間門葉結構主梁為工字型梁，組裝過程中節間錯臺須控制在2mm之內，門葉底緣直線度不大于2mm，兩邊梁底緣平面度不大于2mm，采用先單個構件組裝再整體組裝的方式，須對各個構件質量進行控制。

難點二：焊接量大，會產生較大的焊接變形。

閘門面板、腹板和后翼緣板厚度30mm～55mm，設計坡口為50°雙面坡口，焊接填充量和收縮量大，產生的應力影響門葉整體精度；設計要求閘門的Ⅰ類、Ⅱ類焊縫和組合焊縫均須全融透焊縫，當焊接時會產生較大的焊接變形。

難點三：機加設備受限，加工精度要求高。

門葉水封座板截面為不規則的卡槽，頂部為90°圓弧轉角，節間為“T”形轉角，提高加工精度能夠保證裝配精度。邊梁為雙腹式邊梁，定輪軸孔設計的內孔為?330H1，外孔為?290H1，兩孔開檔尺寸440mm，保證定輪軸孔的同心度對加工的設備及工藝措施非常重要，水封座板平面度不大于1.5mm，水封踏面與定輪座面相對高差要求-0.5mm～+1.0mm。

難點四：定輪裝配精度高。

閘門共20個定輪，定輪軸設計為偏心軸，所有輪踏面設計共面度為不大于2mm，且定輪轉動自如，無抖動、卡阻現象。考慮到裝配的不確定因素，在制作過程中需要使共面度不大于1mm才能保證符合設計要求。

針對以上難點，在閘門制造過程中為了滿足設計要求及出廠驗收要求，在制造工藝、各部件質量控制及焊接變形控制等方面進行了深入探索與實踐。

2 制造工藝流程

制造工藝流程包括下料→單個構件加工→隔板、吊耳、邊梁、主梁組裝及焊接→組裝構件校正→邊梁機加工→門葉整體組裝、焊接→門葉解體→門葉校正→門葉預拼裝→水封座板及滑塊座板機加工→定輪裝配→附件裝配→防腐→出廠驗收。

制造工藝流程具體細節如下：1）制作前期主要進行技術準備工作，通過三維模型進一步校核圖紙。進行工藝文件編制，考慮焊接收縮量、焊接變形等影響因素來采取相應的工藝措施。下料工序是首要質量控制檢停點。2）當采用數控編程進行下料時，因為數控編程下料后可能存在不可控因素，所以主要檢查主梁腹板、邊梁腹板、吊耳腹板、邊梁翼緣板等異形構件的尺寸，單個構件加工采取抽查的控制措施。3）當進行門葉整體組裝時，將面板放樣作為關鍵檢停點，面板的平面度及放樣線是否合適影響著整體裝配精度。4）水封座板機加工作為關鍵的質量控制工序，須嚴格按工藝文件的要求進行機加工及檢驗。5）門葉預拼裝作為主要的質量控制檢停點。6）附件裝配作為最終質量控制檢停點。

3 組裝過程質量控制

為了提高閘門的組裝精度，提高生產效率并減少門葉結構焊接變形，先對π型邊梁、T型隔板、吊耳裝置等進行單個構件組裝質量控制，進一步提高裝配質量，主要措施如下：1）π型邊梁質量控制。邊梁為π型結構，由內外腹板、翼板、隔板和定輪軸孔加強板組成。邊梁后翼緣板開兩個主輪槽，邊梁后翼緣板開設的主輪槽影響邊梁焊接變形，下料過程中采取腹板寬度尺寸控制+2mm，后翼緣板下料采用斷續下料法，不割斷主輪槽的板，焊接完成后進行再修割，當裝配邊梁時先對翼緣板進行校正，保證翼緣板平面度≤1mm。2）T型截面隔板控制。閘門隔板分為中隔板和上、下隔板，隔板用裝配模進行組裝，CO氣體保護焊焊接，外觀檢驗合格后進行焊接變形矯正。3）吊耳制作質量控制。吊耳板的坡口將雙面50°坡口設計成雙面45°長舌大小坡口，吊耳孔單邊預留5mm的加工余量，檢查下料構件的尺寸，合格后組裝，當組裝時控制吊耳孔的同軸度、吊耳腹板的開檔尺寸。檢查合格后進行焊接，先焊接吊耳板翼緣板與腹板內側的小坡口側，焊接完成后用碳弧氣刨在打坡口側進行清根，最后焊接大坡口側，焊接完成后采用火焰校正法校正吊耳翼緣板及腹板。4）門葉整體組裝質量控制。面板采用定尺板，減少焊接量及焊接變形；依次從底節到頂節將面板鋪設在制作閘門的鋼平臺上，用鋼板塊固定面板三邊，然后用水準儀檢查并調整面板平面度，采用自制螺栓桿調整面板，面板不平度控制在1.5mm以內。重點須測量邊梁、主梁及節間位置，測量點間隔不大于1m；當放樣時各裝配線之間應根據焊縫的大小和多少放出焊接收縮量，按工藝文件進行劃線。面板寬度和高度方向上的焊接收縮余量均分在各部位，間距按/1000考慮焊接收縮余量（主梁、邊梁應放出對裝檢查線），檢查放出的打樣線，要求對角線相對差≤2.0mm，平行度≤2.0mm，尺寸偏差≤1.0mm；先組裝主橫梁，調整主梁中心，使之與面板上對應中心重合，保證與主梁腹板垂直度≤2.0mm（掛垂線檢查），主梁前翼板與面板組裝間隙≤0.2mm，依次組裝縱向隔板、邊梁、吊耳裝置、所有筋板等。隔板與主梁、主梁與面板的垂直度≤2.0mm，吊耳板與頂主梁腹板垂直度≤2.0mm，吊耳與門葉中心距偏差≤1.0mm，單側兩吊耳板間距偏差0mm～+1mm，且吊軸孔保持同心，其傾斜不大于1/1000，邊梁按線組裝，用檢查線進行檢查。邊梁中心距焊前余量預留合適，保證焊后兩邊梁中心距符合圖紙及規范。

裝配過程中控制隔板、腹板垂直度，保證與面板的間隙≤1.0mm，控制各個部件間的平行度≤2.0mm，各個部位裝配間隙≤1.0mm。

4 閘門焊接變形控制

門葉焊接選擇CO氣體保護焊，為了減少焊接變形，采用偶數焊工均布于門體上同步對稱施焊的方法。焊接原則一般為先焊門葉中間部分，自里向外，最后焊接邊梁部分，具體如下。

4.1 第一次焊接（由中間向外側擴散，同步施焊）

第一步焊主梁腹板與邊梁腹板間的立向角焊縫；第二步焊接隔板與主梁腹板間的立向角焊縫；第三步焊吊耳裝置與頂節門葉結構的組合焊縫；第四步焊接隔板、主梁前翼板、面板連接處的平角焊縫；最后焊接主梁翼板、邊梁翼板、隔板翼板連接處的平角焊縫。

4.2 第二次焊接（待門葉翻身再進行焊接）

先焊工字型主梁腹板與邊梁后翼板的角焊縫；再焊工字型主梁翼板內側與邊梁后翼板的對接焊縫；再焊隔板與主梁后翼板的角焊縫；再焊隔板后翼板與主梁后翼板的對接平焊縫；再焊所有其他連接角焊縫；最后焊面板對接焊縫。

焊接過程中采取觀測法及測量法來判斷焊接應力產生的變形量，如果門葉焊接后出現焊接收縮的情況，采取調整焊接參數和改變焊接順序的方式來控制焊接變形。若門葉焊接變形嚴重且焊縫不合格，詳細記錄所在部位，分析產生的原因并制定處理措施，逐項進行處理，處理合格后進行下一道工序。

4.3 焊前預熱

閘門的一、二類焊縫預熱溫度按照斜Y型坡口焊接裂紋進行試驗可以防止裂紋產生。關于Q355C鋼板的預熱溫度，按照NB/T 35045規范表4.4.11的規定，該項目的板厚為30mm～50mm，選取的預熱溫度為85℃～95℃。

預熱采用加熱片對母材均勻加熱，預熱區的寬度根據焊縫中心線兩側各3倍板厚進行控制且不小于120mm。預熱后的溫度采用紅外線溫度儀沿著焊縫中心線兩側各50mm處對稱測量，每條焊縫測量點不少于3對。

4.4 焊后消氫

50mm鋼板焊接完成后立即進行熱消氫處理，溫度控制為260℃～360 ℃，保溫時間不少于1h。

4.5 焊接變形的校正

焊接變形的矯正主要采取兩種方式，一種機械校正，一種火焰校正。工字型梁主要采用翼緣矯正機進行校正，其余主要采用火焰進行校正，具體校正方法如下：1）針對面板焊接后的凸凹不平，先用火焰以三角形的方式進行加熱，凹凸不平嚴重的部位采用機械千斤頂調整，火焰在焊縫背面按點狀或線狀加熱，配合進行校平處理。2）針對門葉焊接產生的立彎，先在主梁、邊梁等部位進行三角形加熱，由于三角形加熱面積較大，因此收縮量也較大，可以消除立彎等焊接變形。3）針對面板四周產生的變形，主要采用火焰矯正法校正，能夠消除焊接變形。

4.6 焊接應力控制與消除

關于門葉結構組裝、焊接、校正工序過程中的焊接應力消除，具體措施如下：1）門葉裝配過程中進行應力消除的主要方式為組焊、校正各個零構件，然后再將各個構件進行整體裝配，有效控制焊接應力產生。2）門葉焊接過程中的應力消除一方面設計坡口為大小長舌坡口，另一方面當焊接時采用雙人對稱焊、跳焊、分段焊和多層多道焊等措施。3）門葉結構焊接并校正完成后，焊縫應力消除主要采取振動時效處理的方式，采用專用的振動時效設備進行單節門葉整體振動消應可有效地降低焊接殘余應力。

5 邊梁定輪軸孔及水封座板加工

受廠內加工設備的限制無法實現對整節門葉結構的邊梁軸孔鏜制，制作過程中將邊梁組焊成π型箱梁，邊梁整體高度控制偏差0mm～2mm來作為焊接的補給量，以邊梁后翼緣板為基準，用廠內的鏜床加工邊梁軸孔。當加工水封座板及水封壓板時，將頂部為90°的圓弧轉角下料成整圓，用銑床進行銑槽。

6 定輪裝配工藝

選用“熱裝配”方案，首先對定輪、軸承、襯套和輪軸進行一一測量，然后根據實測值，按照大軸配大孔的原則進行配對編號。組裝單個定輪，將定輪放入裝有20號機油的油槽內，通過加熱油槽將輪子均勻加熱至60℃～80℃，然后快速吊出定輪，把軸承壓入定輪并調整到位，組裝其余附件固定。最后進行定輪、輪軸的裝配，預先在輪軸和定輪端面作出偏心方向標識，先將定輪吊置在門葉邊梁腹板中間，把襯套的偏心方向調整在水平準線上（所有輪子的偏心量都在同一側），再將軸的偏心水平保持一致，穿入即可，最后組裝好其他附件。

7 結語

采用嚴格而科學的質量管理措施來設計相關工藝，使閘門在當制作各個工序時處于受控狀態，在生產制造過程中優化設計相關工序，提高了制作質量及生產效率，順利完成了閘門的制作任務，確保了閘門設備順利驗收出廠。