水電站雙向門機門架制造工藝技術研究

羅永川

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，樂山 614100）

雙向門機是水電站工程建設中的重要起重設備之一，機構多，可用于啟閉、吊運進水口、閘壩閘門、船閘閘門、液壓啟閉機以及檢修的吊裝工作[1]。門架制造不僅要滿足相關技術標準，還需要符合圖紙技術要求。雙向門機的門架結構自重大、揚程高及結構龐大，利用常規制造工藝和現有生產場地和設備進行制造的難度過大，需要嚴格按照設計要求，采取合理制造工藝，保證門架構件質量，并通過科學方法充分利用現有條件保證雙向門機門架制造的高質與高效。

1 雙向門機門架結構

水電站雙向門機結構由主小車、門架、上游副小車、夾軌器、司機室以及電氣設備等組成。其中，門架是雙向門機的重要組成部分，由上部結構、門腿、欄桿、平臺、上橫梁、中橫梁及下橫梁等構件組成[2]，見圖1。主梁和端梁等主要結構件是箱梁結構，設置有長短隔板，有縱向加強肋。主梁與副梁由高強螺栓連接，其中主梁上方安設起重機鋼軌。上部結構包括主梁、端梁及平臺等附件，且端梁內安設有電氣控制柜。門腿與主梁采用焊接方式連接，與下橫梁采用螺栓連接[3]。

雙向門機的制造難度主要在于主梁和門腿的制作和預拼裝。雙向門機制造工藝的技術要求較高。某雙向門機門架結構質量為360 t、高度為25.5 m，由上部結構、H形門腿、下橫梁、立柱以及外橫梁等組成，使用Q345B材料。制作工藝中需要控制主梁跨中上拱度為11.5～17.5 mm，兩主梁水平高差不超過3 mm，上部結構對角頂點標高相對差不超過5 mm，小車軌道與主梁腹板中心相對偏差不超過6 mm，H形門腿上下開口偏差不超過2 mm，門腿與下端頭板焊接端頭相對高差不超過2 mm，加工結合面間隙不超過0.3 mm。

2 雙向門機門架制造工藝技術

考慮雙向門機的制造要求，門架結構體積和重量大，受限于生產場地和設備能力，不能采用整體立拼的方法，需要科學設計門架制造工藝技術并有序實施[4]。先按照門架各構件圖紙要求開料制作，再按箱梁工藝進行拼裝和焊接，待焊接后調平、調直，根據制造規范檢查梁體彎曲和腹板垂直度等情況。

2.1 箱梁制造工藝

箱梁制造工藝流程主要包括板料調平、拼接、開料、組裝和焊接等程序。需要認真做好各個環節的施工操作，嚴格落實箱梁制造工藝要求，保證箱梁制造質量。箱梁開料時，需要對腹板和翼板在長度和寬度方向預留一定的收縮余量。排料時應避免接縫處于應力集中面，并使用切割機切割下料[5]。

焊接作業時應遵循一定的順序。首先，焊接筋板與腹板角接的焊縫，采用手工對稱焊接的方式分段退焊。腹板與翼板平角焊同樣采用手工對稱施焊的方式，從中間向兩頭進行焊接作業。其次，完成梁內部焊接作業后，需要檢驗梁內部焊縫的焊接質量。如果存在質量問題，應采取應對措施排除隱患。若質量合格，需要采取除銹防腐措施，然后開展外側焊縫的焊接作業[6]。再次，外部焊縫焊接應保持箱梁水平支撐穩固，可以使用自動焊機平行施焊。腹板厚度不足 14 mm時可采用一道焊，厚度較大時應采用兩道焊。最后，外部焊接作業后，使用無損探傷檢測外部焊縫的焊接作業質量，并檢測箱梁尺寸和變形量等，確保質量符合門架設計要求。如果存在箱梁變形情況，可以采用火焰法調整箱梁，確保質量達標。

2.2 上部結構制造工藝

上部結構中，主梁屬于偏軌箱型梁，需要通過有限元分析確定腹板應力狀態，對應力狀態不同部位采用不同厚度的板材。上部結構整體為變截面箱型結構，單件腹板使用不同厚度的鋼板，板厚差異較大，全熔透焊縫較多，難以解決焊接變形問題。考慮雙向門機吊裝作業狀態下會產生下撓，需要在制造主梁時有一定的起拱值來提升門架結構穩定性，因此應結合主梁跨度等數據將跨中上拱度控制在合理范圍。同時，需要考慮主梁自重等因素產生的下撓，在最大上拱值上增加約3 mm預起拱，腹板下料時放樣起拱形狀。此外，由于主梁對焊接變形控制有較高的要求，需要合理設置焊接坡口，在主腹板和上翼板對接處等部位開制鈍邊的焊接坡口。

主梁的拼裝需要將腹板和翼板對接為整板，之后才能拼焊主梁梁體。翼板對接時，根據上拱坐標值支墊，并控制主梁與T形梁翼板同截面的平面度不超過1 mm。腹板根據上拱度拋物線對接，在端梁中線對應腹板位置作基準線。在上翼板上拼裝隔板，吊裝腹板，并根據基準線對應坐標值有效控制拼裝尺寸。完成主、副腹板拼裝作業后，拼裝其他附件。經過質量檢測后，拼裝下翼板，進入焊接工序[7]。

焊接工藝對主梁焊接質量具有直接影響，需要綜合考慮各方面因素，如梁內通風問題等。因此，主梁的焊接需要考慮各種安全因素，科學選擇恰當的焊接方式，合理設置焊接順序，嚴格遵守焊接規范。由于主梁焊接不能同時采用過多人員同時施焊的工作方式，一般建議采用二氧化碳氣體保護焊，焊接線能量不高，可以由4名專業焊工同時作業。要控制立焊焊接電壓不高于21 V，電流為160 A，而平焊電壓不超過26 V， 電流為240 A。外側翼緣板等焊縫可以采用熔深大、焊縫美觀的埋弧焊方式，焊接效率高，可采用焊接電壓為38 V、焊接電流為650 A的參數設置。焊接順序應先焊接隔板與主腹板、上翼板等連接部位的L形焊縫，再焊接主腹板與T形梁的筋板焊縫，然后是隔板與腹板、翼板的焊縫，加勁筋與腹板、翼板的焊縫，腹板與翼板的對接焊縫，最后是梁體內的其他焊縫。完成內側焊縫焊接作業后，使用埋弧焊焊接對外側主腹板和T形梁、主腹板與下翼板的焊縫，再焊接梁體另一側腹板與翼板焊縫、翼板與T形梁焊縫。完成主梁焊接作業后，需要檢查焊接質量和主梁的幾何尺寸，確保各項數據滿足技術標準。

拼裝制造好的主梁與端梁。主梁間的中心距離在理論數值基礎上可以增加6 mm作為焊接收縮量。焊接后打開焊前的臨時連接部位以釋放應力，再次組拼復檢幾何尺寸。滿足組拼尺寸要求后，焊接小車軌道墊板可以采用跳焊方式從中間向兩頭施焊，從而控制焊接變形量。檢查小車軌道墊板焊接后的上部結構數據，在幾何尺寸滿足要求后，鉆制主梁和端梁連接處的螺栓孔，制作各種中心線、對位線以及拼焊臨時爬梯等構件。另外，拆解上部結構的所有連接板，成對放在一起，對連接板用電焊條進行相應標志，并標記主梁和端梁連接處等部位，整體預拼裝門架。

2.3 門腿制造工藝

門腿制造中，單件圖是投影圖，需要經過換算后求得腹板和翼板的實際長度，再放樣拼焊[8]。第一，制造門腿時應在腹板上預先做好隔板位置線，并在翼板上做好隔板位置線，將翼板以底平面拼裝。第二，根據計算的垂球差調整門腿兩端隔板位置，以兩端隔板為基準，設鋼絲線調整中間隔板位置，控制腹板和翼板等尺寸誤差，從而進入門腿組拼焊工序。第三，以門腿腹板和翼板中心線為基準找正，將兩門腿上下開口尺寸偏差控制在5 mm內，拼裝中橫梁。第四，在上下開口處使用20號工字鋼加固，焊接門腿與中橫梁連接焊縫，采用對稱施焊方式控制焊接電壓為23 V、電流為220 A。第五，在門腿組拼焊工藝中，按照兩個門腿腹板中心線水平放置進行組拼焊，對兩門腿預留一定的焊接收縮量后完成中橫梁拼裝。此外，用工字鋼連接兩門腿上下開口處，以控制焊接變形量。

在門腿與中橫梁連接焊縫對稱施焊后，需要檢測焊接作業的質量。經探傷檢測焊接質量合格后，打開門腿上下臨時連接釋放焊接應力，待修校變形后重新組拼。在各項數據滿足要求的前提下，鉆制門腿與中橫梁連接部位的螺栓孔，劃出預拼裝對位線后，拼焊行走平臺、爬梯等組件。最后，按上部結構拆解方法拆解門腿，等待整體預拼裝。

2.4 預拼裝工藝

雙向門機需要在廠內完成預拼裝。考慮預拼裝結構重量過大，需要加固地面基礎，對行走臺車和支撐部位設置地錨，避免出現地基下沉問題。由于廠內的起吊能力有限，門架結構重量往往超過起重機起吊能力，導致無法整體吊裝，需要采取單件分段吊裝的方式在空中連接。

門架預拼裝作業對吊具和索具有較高要求，需要科學制定組裝安全技術方案，合理制定組裝順序，選用適合的吊具和索具。吊具和索具的選擇需要考慮多方面因素，尤其是風力等現場的實際情況。這需要準確計算門架拼裝過程中的不均勻受力情況和風力等因素，選擇抗拉強度符合要求的纖維芯鋼絲繩。根據水平風力和防傾覆拉力選擇纜風繩，并設計纜風繩系結點，將其焊接在門腿上端板附近位置。

預拼裝作業過程中，需要在預設地錨上鋪設軌道，通過吊裝方式將行走臺車等安裝到位，再在安裝行走臺車等構件后使用鋼性支撐進行加固，并用螺栓對門腿下端板與下橫梁進行緊固。使用門座起重機吊裝門腿和中橫梁等進行分片，組裝成H形門腿。組拼到位后，用經緯儀檢測校準垂直度等參數，待檢測的各項數據達到要求后，焊接門腿箱梁與下端板，并通過錘擊方式釋放焊接應力控制連接處間隙。組拼第二片門腿時使用同樣的方法先將其吊裝到位，按要求調整門腿間的垂直度和中心跨距等數值，再用型鋼連接兩片門腿。門腿焊接作業建議采用小規范的焊接形式，以減少焊接熱輸入，降低焊接變形，使焊接后的連接處間隙不超過0.3 mm。

門腿的預拼裝需要在24 h內完成，以免出現安全事故。為了保證空中作業安全且快速，應在主梁和端梁連接處設置臨時爬梯和連接板，利用門座起重機吊裝主梁，加固焊接主梁與門腿的焊縫。主梁吊裝完成后，需要檢測并調整主梁垂直度和水平度等數據，確保與上部結構組拼焊檢測數據保持一致，并采取必要的加固措施。另外，吊裝另一件主梁需要檢測兩個主梁起拱度和中間跨距等幾何尺寸，確保與預拼裝時尺寸一致，再開始吊裝端梁。用工裝螺栓連接主梁與端梁，再組裝回轉吊和平臺等部件，整體檢測驗收門架，確保門架技術指標滿足要求。

3 結語

雙向門機是水電站建設施工的重要設備之一，而門架的制作與組裝是雙向門機制造的重點和難點。雙向門機門架需要在廠內完成整體組裝，而門架重量大且尺寸大，需要大場地和大噸位起重設備，耗費大量人力物力。單件分段和空中連接的方式更符合實際工作要求，可以較好地代替整體組裝方案。實際工作中應注意工藝技術的科學性和合理性，監督門架制造過程的作業規范性，并采取積極措施保障門架制造質量。門架制造工藝技術采用合理的裝配焊接次序、方向來控制焊接變形，釋放和降低焊接應力，鉆制高強度螺栓連接孔來強化端梁與主梁的連接，利用水平儀等精準劃線門架構件并測量，有助于提高門架制造精度，達到水電站雙向門機的使用要求。