溪洛渡水電站8 000 kN/160 kN雙向門機門架制造工藝

曹 峽 榮， 李 友 明

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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溪洛渡水電站8 000 kN/160 kN雙向門機門架制造工藝

曹 峽 榮， 李 友 明

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

溪洛渡水電站壩頂8 000kN/160kN雙向門機是目前國內制造的水電站最大啟閉容量的門機。其門架結構具有外形尺寸大、自重大、制造工藝復雜等特點。在制造過程中，采用了合理的拼焊工藝及特定的預組拼方法，使該門架鋼結構制造達到了各項技術要求，為大型門機的制造提供了技術參考。

溪洛渡水電站；特大型門機；拼焊；預組拼

1 概 述

金沙江溪洛渡水電站壩頂8 000kN/160kN雙向門機額定起重量為800t，是目前國內水電站用最大啟閉容量的門機，使用工況為斜拉受載;小車行走采用液壓系統控制的兩根油缸同步驅動，安裝在溪洛渡水電站混凝土雙曲拱壩頂621.6m高程近300m圓弧半徑的弧形軌道上，總重量為860t。大車軌道跨距為12.5m，同軌臺車跨距為13m，主要用于溪洛渡水電站深孔弧門的吊裝。該門機門架鋼結構具有外形尺寸大、結構重、拼焊工藝復雜、預組拼安全風險高的特點。

2 門機門架結構特點、難點分析

溪洛渡水電站壩頂8 000kN/160kN雙向門機的門架結構由上部結構、H形門腿、下橫梁1、下橫梁2、立柱及外伸梁、懸臂梁等組成，各梁體之間采用連接板高強螺栓連接，總重量為352t，高度為25.5m，主材為Q345C。門架結構制作依據在滿足DL/T5019-94的同時，還須滿足圖紙技術要求與合同技術條款。門架結構及參數見表1。

門架的主要技術要求：

(1)主梁跨中上拱度為11.5～17.5mm；

(2)兩主梁同一截面水平高差≤5mm；

(3)上部結構四個對角頂點的標高相對差≤5mm；

(4)小車軌道中心相對主梁腹板中心相對偏差≤6mm；

表1 門架結構組成表

(5)H形門腿的上下開檔尺寸為13 500±2mm；

(6)門腿的高度為16 700±2mm；

(7)所有加工結合面間隙≤0.3mm。

溪洛渡水電站8 000kN/160kN門機的門架制作難點集中于上部結構中主梁、門腿的單件制作以及制作廠內的預組拼。

3 上部結構采用的制造工藝

3.1 主梁采用的制作工藝

上部結構中主梁為偏軌箱形梁。經有限元分析對腹板應力狀態不同的地方采用了薄厚板對接，主梁整體為為變截面箱形結構，主腹板與上翼板采用的是T型鋼與Q345鋼板的對接形式。主梁外形尺寸(長×寬×高)為19 500mm×1 800mm×4 850mm。單件腹板由5種不同厚度的鋼板組成，零件板厚差異較大，一、二類全熔透焊縫多，焊接變形不易控制。主梁結構見圖1。

圖1 主梁結構示意圖

3.2 單件主梁上拱值的預留及焊接坡口設置

門機在吊裝工作時會產生下撓，為保證門架結構的安全性，主梁制作完成后需有一定的起拱值。DL/T5019-94規范要求主梁制作完成后跨中上拱度范圍為F=(0.9～1.4)L/1 000，式中F為起拱值；L為主梁跨度。單件主 梁 的 跨 度 為12.5m，故跨中上拱度應控制在11.5～17.5mm范圍內。制作時主梁跨中上拱值的確定除需考慮焊接變形外，還要考慮主梁自重及小車軌道壓板焊接后的主梁產生的下撓，因此，在計算的最大上拱值基礎上還需再加3～4mm進行預起拱，并在主梁腹板下料時即放樣出起拱的形狀。

主梁腹板下料時采用整體預起拱，采用二次拋物線法計算。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，其方程式為：

y=F×(1-4a2/L2)

(1)

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。

由此得到主梁腹板下料時的上拱度拋物線。

由于主梁的焊縫多、等級高，對焊接變形控制要求高，因此，焊接坡口的設置尤為重要。主梁中T型梁采用的是對稱剖開的HW414×405×18×28的H型鋼，T形梁與主梁主腹板、主梁上翼板對接處、主腹板與下翼板的連接處均開制為K45°、2mm鈍邊的焊接坡口，副腹板與上、下翼板的連接處開制為V45°/2mm鈍邊坡口。

3.3 主梁的拼裝流程

由于主梁較長，故翼板、腹板下料后需先對接成整板，再進行主梁梁體的拼焊。

(1)主梁翼板先對接后再與T型梁對接。對接時按主梁腹板的上拱坐標值進行支墊，誤差≤2mm，控制T型梁的翼板與主梁上翼板的同一截面的平面度≤1mm。

(2)主梁腹板按照上拱度拋物線進行對接，焊接后距離腹板上拱的零點(端梁中線對應主梁的位置)做一條基準線。

(3)在放樣后的主梁上翼板上拼裝隔板、縱向加勁筋，吊裝主梁的腹板，按腹板上的基準線所對應的坐標值控制拼裝尺寸。

(4)主梁的主、副腹板拼裝后，拼裝其余的零件。檢測、調整各項數據滿足要求后，拼裝下翼板成箱梁。交檢轉入焊接工序。

3.4 主梁的焊接流程

焊接方式、規范、順序對控制主梁的焊接變形至關重要，單件主梁的焊接還需考慮梁體內通風等安全問題。因此，主梁內的焊接采用焊接線能量較小的二氧化碳氣體保護焊，由4名焊工同時焊接，控制立焊焊接電流為160～180A，電壓為21～22V，平焊焊接電流為240～260A，電壓為26～28V。對于主梁外側的焊縫，充分利用埋弧焊熔深大、效率高、焊縫成型美觀的特點進行埋弧焊接。埋弧焊焊接參數如下：打底焊接電流采用500～550A,電壓33～35V;層間及蓋面采用650～670A，電壓38～39V。在確定好焊接方式、人員、參數后，按以下焊接順序焊接：

(1)焊接隔板與主梁腹板、T型梁、上翼板連接形成的L形焊縫，每條焊縫長度約為400mm。

(2)焊接主腹板側與T型梁連接的筋板焊縫。

(3)焊接隔板與腹板、翼板的連接焊縫。

(4)焊接主梁縱向加勁筋與翼板、腹板的連接焊縫。

(5)焊接腹板與翼板、T型梁的對接焊縫。

(6)焊接主梁梁體內其余焊縫。

主梁梁體內側焊縫焊接完后，采用埋弧焊首先焊接外側主腹板與T型梁的對接焊縫，再焊接主腹板與下翼板的焊縫，然后翻身焊接梁體另一邊腹板與翼板的焊縫，最后焊接主梁翼板與T型梁翼板的對接焊縫。

主梁焊接完經UT檢查合格后，檢查其各項幾何尺寸，主梁1上拱值為19mm，主梁2上拱值為18mm，水平彎曲為3.5mm，其余各項幾何尺寸均滿足技術要求。由于主梁還需與端梁連接部位焊接并焊接小車軌道墊板，將會產生一定的焊接變形，因此，對主梁的上拱超標部位暫不做修校。

3.5 上部結構的組拼焊

(1) 將單件制作好的主梁與端梁按圖紙要求組拼在一起，兩主梁的中心距按理論尺寸預加6mm的焊接收縮量進行拼裝。

(2)焊接完成后對其上部結構焊前的臨時連接部位打開釋放焊接應力，重新組拼復檢各項尺寸，待其符合技術要求后，開始拼焊小車軌道墊板。焊接小車軌道墊板時采取跳焊、從中間往兩邊對稱施焊的方式，以盡量減小焊接變形。

(3)小車軌道墊板焊接后檢測其上部結構的各項數據，主梁1的跨中上拱值為17mm，主梁2的跨中上拱值為16m，水平彎曲為4mm，上部結構四個對角頂點其標高相對差為2mm，各項幾何尺寸均滿足技術要求。再進行主梁與端梁連接處的高強螺栓孔和鉸制孔的鉆制，最后劃出上部結構的各種中心線、對位線拼焊臨時爬梯、欄桿后拆解上部結構待門架整體預組拼。

4 H形門腿采用的制作工藝

4.1 門腿的單件拼焊

門架中H形門腿為斜八字形門腿。門腿單件圖為投影圖，腹板及翼板不能反映實長，需經換算、求得實長后再進行放樣拼焊。在單件門腿制作時，門腿腹板上應預先放出隔板的位置線，以翼板做為底平面進行拼裝。在翼板上放出斜頭及隔板位置線，拼裝隔板及腹板，隔板板厚方向對應的腹板處有垂球差，其垂球上下差值δ由式2求得。

δ=隔板長×sinα×sinβ

(2)

按式2計算出門腿兩端隔板的垂球差值，依據所計算出的垂球差值將門腿箱梁內兩端的隔板調整到位后,再以門腿兩端隔板為基準布置鋼絲線檢測并調整中間隔板的拼裝位置。控制門腿腹板的垂球值≤2mm,腹板、翼板的直線度≤2mm。待焊接完成后修校并轉入H形門腿組拼焊工序。

4.2H形門腿的組拼焊

以兩門腿腹板中心線水平放置狀態組拼焊H形門腿，在組拼放樣兩門腿的開檔尺寸時預留5mm的焊接收縮量拼裝中橫梁。拼裝完成后，用20#工字鋼連接兩門腿之間的上下開口處，防止焊接變形。

焊接中橫梁與門腿的連接焊縫，對稱施焊，焊接時控制電流采用220～260A，電壓24～26V。焊接完成并經UT檢查合格后，將H形門腿上下開口處的臨時連接打開以釋放應力，檢查門腿的尺寸、修校變形后再將其重新組拼再一起。復查各項數據符合技術要求后，配鉆中橫梁與門腿連接處的高強螺栓孔與絞制孔。

劃出門腿中心線、預拼裝對位線后拼焊預拼裝所需的行走平臺、欄桿、爬梯、吊裝吊耳等并修割掉門腿多余的部位，最后拆解H形門腿待門機整體預拼裝。

5 門架在工廠內的預組拼工藝

依據合同技術條款，該門機需在制作廠內預組裝。由于參與門機預組拼結構的重量達到近400t，故預組拼前需對地面基礎進行處理，在行走臺車以及各支撐部位均需設置地錨，防止地基下沉。另外，受限于制作廠內的起吊能力(制作廠有60t、30t門座起重機各一臺，25t汽車吊一臺)，且因門架上部結構重達114t，單片H形門腿重約80t，導致上部結構和H形門腿無法進行整體吊裝，因此，只能采取單件分段吊裝、在空中進行連接的施工方法。

5.1 預組拼作業所采用的吊具、索具

由于溪洛渡水電站8 000kN/160kN雙向門機門架重量重，因此其對吊具、索具的要求極高。門架在組裝前必須按照安全施工需要編寫《門架組裝安全技術方案》，除合理制定部件組裝順序外，對吊裝使用的吊、索具及風繩的選取，必須通過標準及采用科學的計算方法進行選定。

起重鋼絲繩的選擇須充分考慮吊裝過程中的不均勻受力，在其使用過程中，兩繩之間的夾角不得大于60°。根據GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》規定，選用6×37，φ26，公稱抗拉強度1 770N/mm2，鋼絲繩最小破斷拉力為395kN的纖維芯鋼絲繩進行吊裝。

門架拼裝時需承受較大的風力。因此，纜風繩的選擇需考慮門腿預拼裝所受到的水平風力與防傾覆拉力。按照GB/T3811-2008《起重機設計規范規定》規定，在8級風中應繼續使用的起重機的最大計算風壓為500N/m2，因此，我們在計算水平風力時按上述極限值進行計算。每片H形門腿最大擋風面積約為65m2，每片H形門腿所受的水平風力F1=500N/m2×65m2=32 500N，每片H形門腿的重心高為16m，H形門腿橫向偏移最大安全距離為150mm，重量約為83.5t(包括平臺、走臺、欄桿、爬梯和加 固 用 料，合 計3.5t)。纜風繩捆綁點高20.5m，則單根纜風繩防傾覆最大水平拉力F2=835kN×0.15m/20.5m≈6.1kN；防傾覆需要的水平拉力總F=F1+F2=32.5kN+6.1kN=38.6kN。

該門架結構的組裝共設計了8個纜風繩系結點，每片門腿4個。系結點焊接在門腿靠近門腿上端板位置，離水平基面21.5m，離門腿上端面約1.5m左右。綱絲繩向H形門腿兩側斜向拉牽，纜風繩系結點單件沿纜繩方向允許拉力不小于50kN。

按照以上計算值及GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》規定，選用6×37，φ16，公 稱 抗 拉 強 度1 770N/mm2，鋼絲破斷拉力總和為153kN的纖維繩芯鋼絲繩，選取3.5倍安全系數進行強度校核。同向兩根φ16纜風繩的允許拉力：153kN×2/3.5=87.4kN。以夾角60°計算水平拉力：87.4kN×cos60°=43.7kN，滿足強度要求。每片H形門腿每側選用2個5t手動葫蘆。拉力之和為F=50kN×2=100kN，滿足要求。同時要求纜風繩地錨承載能力不小于220kN/m2，風繩錨點承載內力不小于50kN/個點。

5.2 門架廠內預組拼流程

在預設的地錨上鋪設軌道，吊裝行走臺車、下橫梁安裝到位后用鋼性支撐加固。要求預先將門腿下端板用螺栓緊固于下橫梁上。

門腿預組拼時采用分片組拼，采取由項目部現場30t與60t門座起重機分別吊裝1件門腿、25t汽車吊吊裝中橫梁的方式進行吊裝。組拼第1片門腿到位后，檢測門腿各項數據滿足技術要求后張緊纜風繩后再進行門腿箱梁與門腿下端板連接處的焊接。依照上述吊裝方式組拼另一片門腿。要求在調整第2片門腿時需檢測兩片門腿的中心跨距、對角線差值符合技術要求后用型鋼連接兩片門腿。在焊接門腿箱梁與門腿下端板連接處的焊縫后需采用鉚槍錘擊的方式釋放應力以控制該連接處的間隙≤0.3mm。為保證預拼裝的安全性，要求兩片門腿的預組拼必須在一個工作日內完成。

為了在空中能安全、快速地成功組拼上部結構并滿足各項技術要求，需預先在主梁與端梁的連接處搭設臨時爬梯并裝上50%的連接板。正式吊裝時，先利用60t門座機吊裝距該起重機遠端的主梁。檢查主梁各項數據滿足技術要求后焊接主梁與門腿連接處的加固焊縫并保持吊車不松鉤的狀態直到加固焊縫焊接完成；再采用同樣的方法吊裝第2件主梁。檢測調整兩件主梁的各項數據與上部結構組拼焊時的數據一致；再利用30t門座起重機吊裝兩件端梁，并用工裝螺栓連接主梁與端梁，要求螺栓數量應達到35%～40%。最后組裝梯子、平臺、立柱、回轉吊等部件后，整體復測各項數據交檢待驗收。

6 結 語

溪洛渡水電站8 000kN/160kN雙向門機門架通過采用筆者以上所述的制造工藝，實現了安全、高效、優質的生產作業，于2014年8月29日成功完成了空載試驗、靜載試驗(額定起重量的125%)和動載試驗(額定起重量的70%、100%、110%)，并持續通過了荷重試驗以及靜載斜拉起吊1 000t工況試驗，正常運行至今。

[1] 王先文，等.焊接結構[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2] 李亞江，等.焊接原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2009.

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-28

TV7;TV547;TV

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1001-2184(2016)06-0055-04

曹峽榮(1964-)，男，四川宜賓人，金結分廠廠長，工程師，從事金屬結構制造生產技術與管理工作；

李友明(1983-)，男，四川中江人，助理工程師 ，學士，從事金屬結構制造生產技術與管理工作.