塔貝拉水電站超大型肋梁式斜Y形鋼岔管組裝技術(shù)

劉 云 坤，岳 廷 文，萬 天 明

(中國水利水電第七工程局有限公司 機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡西北方，其四期擴(kuò)建工程是通過將現(xiàn)有的4號灌溉隧洞改為引水發(fā)電洞，擴(kuò)容1 410 MW(3×470 MW)混流式水輪機(jī)機(jī)組，使電站現(xiàn)有裝機(jī)容量從3 478 MW增大到4 888 MW。

壓力鋼管布置在廠房上游側(cè)，設(shè)計為回填鋼管，由一條直徑為13 m的主管經(jīng)4個岔管分岔為3條直徑均為7.5 m的發(fā)電支管和2條直徑均為8 m的泄洪支管，兩條泄洪支管末端均由圓管變?yōu)? m(長)×7.65 m(高)的矩形管，該段矩形管出水端為事故閘門的安裝位置，其中一條泄洪支管在安裝間底部再由一個卜形岔管分支出一條直徑為2.8 m的減壓管。鋼管總長度為792.3 m，材質(zhì)為Q345R鋼管壁厚為18 mm、36 mm。材質(zhì)為07MnMoVR、抗拉強度為610 MPa級高強鋼管壁厚為46 mm、48 mm、54 mm、56 mm、60 mm。超大型斜Y形肋梁式鋼岔管材質(zhì)為07MnMoVR，抗拉強度為610 MPa級高強鋼的月牙肋和加強梁厚度均為150 mm。加勁環(huán)材質(zhì)均為Q345R，其規(guī)格為22 mm(板厚)×200 mm(環(huán)高)、36 mm(板厚)×300 mm(環(huán)高)。

其中超大型斜Y形肋梁式鋼岔管(簡稱鋼岔管)自重672.8 t，由左右各一塊腰部加強梁和中跨一塊月牙肋組成三梁空間梁系結(jié)構(gòu)，月牙肋和加強梁的厚度均為150 mm(圖1)。鋼岔管12點鐘和6點鐘位置的梁系匯交點各自設(shè)置一根直徑為300 mm，長度為2 000 mm的鍛造圓柱鋼(稱中心柱)作為焊接接頭錯縫構(gòu)造。三個基本錐殼板厚度均為56 mm。該鋼岔管月牙肋、加強梁、殼板等材質(zhì)牌號均為07MnMoVR，其抗拉強度為610 MPa，屬高強鋼。

1.中跨月牙肋；2.左腰加強梁；3.右腰加強梁；4.中心柱圖1 超大型斜Y形肋梁式鋼岔管示意圖

2 鋼岔管瓦片及肋梁等的制作

鋼岔管材質(zhì)均為抗拉強度為610 MPa級的高強鋼，其牌號為07MnMoVR。鋼岔管基本錐瓦片厚度均為52 mm。月牙肋和加強梁的厚度均為150 mm。

根據(jù)設(shè)計圖樣中的管形圖和相應(yīng)制作規(guī)范規(guī)定的焊縫錯縫及偏差等要求，在CAD繪圖工具下進(jìn)行展開排料，然后將鋼岔管加強梁、月牙肋和基本錐的瓦片展開等排料圖輸入到數(shù)控切割機(jī)上進(jìn)行火焰切割下料；亦采用了根據(jù)排料圖形狀和尺寸劃線后用半自動切割機(jī)下料；再用半自動切割機(jī)切割坡口，砂輪打磨坡口、清除火焰切割產(chǎn)生的熔渣、氧化皮等直至焊接坡口露出金屬光澤，再打磨掉0.8 mm左右的淬硬層。

因該鋼岔管月牙肋和加強梁尺寸較大、自重大，其中左腰加強梁為17.146 m(弦長)×2.5 m(等截面環(huán)高)×0.15 m(板厚)，單重達(dá)65.45 t; 右腰加強梁為17.348 m(弦長)×2.5 m(等截面環(huán)高)×0.15 m(板厚), 單重達(dá)75.15 t; 分岔角處的中跨月牙肋為17.152 m(弦長)×6 m(最大截面寬度)×0.15 m(板厚), 單重達(dá)121.51 t，加之預(yù)組裝場地受廠房橋機(jī)揚程限制，最終將月牙肋、加強梁均替換為臨時用、輕便小巧的鋼箱梁曲桿，焊接鋼箱梁曲桿橫截面尺寸為150 mm(寬)×260 mm(高)×24 mm(板厚)，其中需要對其寬度方向采用銑削加工成150 mm寬，通過銑削消除箱梁曲桿兩側(cè)表面的不平度和旁彎變形，將鋼箱梁曲桿作為鋼岔管預(yù)組裝的臨時性部件。

鋼岔管基本錐殼板瓦片的制作。將下好料并開好焊接坡口的鋼板在卷板機(jī)或液壓機(jī)上進(jìn)行滾弧或模壓弧成形，并用弧度樣板進(jìn)行瓦片弧度檢查，然后在瓦片內(nèi)弧上焊接型鋼(亦可使用小直徑的鋼管)作為內(nèi)支撐，以便于隨后瓦片進(jìn)行鋼岔管預(yù)組裝時的對裝壓縫且防止其弧度變形。

3 鋼岔管預(yù)組裝

鋼岔管預(yù)組裝的目的是檢查瓦片弧度、瓦片對裝間隙、焊縫坡口、管形的幾何尺寸、位置和形狀等是否符合規(guī)范和設(shè)計要求。之所以要對鋼岔管進(jìn)行預(yù)組裝，主要是在發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠時便于在廠內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量返工處理，以減小鋼岔管在管床上安裝的難度。

由于鋼岔管兩分岔的2個基本錐殼板與月牙肋組合焊接的2條焊接坡口為K形翻轉(zhuǎn)坡口，即殼板端沿著與月牙肋組合的橢圓曲線焊接坡口的角度是在不斷變化的。為此，在鋼岔管預(yù)組裝前不開焊接坡口且預(yù)留5～10 mm的弧長余量。鋼岔管預(yù)組裝時，采用比樣劃線畫出開坡口形狀的尺寸，然后采用火焰切割和碳弧氣刨相結(jié)合的形式進(jìn)行坡口成形。預(yù)組裝解體后，對其殼板瓦片上的坡口進(jìn)行預(yù)熱焊補和打磨修整直到其符合焊接坡口尺寸和形狀的焊接工藝要求。

加強梁和月牙肋各自單獨進(jìn)行預(yù)組裝。在平整的地坪鋼平臺上放出地樣及控制點，對放置肋梁的板塊進(jìn)行油漆編號組裝，檢查其弧度、平面度、焊接坡口間隙、弦長和弦高等是否符合規(guī)范和設(shè)計要求。待各種技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求后，對加強肋和月牙肋的板塊用鋼銃在焊接坡口內(nèi)打上鋼銃眼簇線定位標(biāo)記，再用油漆圈上鋼銃眼簇線使其定位標(biāo)記醒目，才能將預(yù)組裝后的肋梁進(jìn)行解體，然后將解體后的板塊按拼裝位置順序編號入庫碼放。

鋼岔管預(yù)組裝根據(jù)其設(shè)計管形圖在鋼平臺上放出地樣和控制點并在鋼平臺上標(biāo)識控制標(biāo)記。安裝三根臨時鋼箱梁曲桿和中心柱，由基本錐大頭端開始向各自的管口掛裝瓦片。掛裝做好安裝編號標(biāo)識的瓦片，按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)整各項技術(shù)參數(shù)用拉板固定好后，使用型鋼支撐進(jìn)行內(nèi)外加固。采用的檢測工具為全站儀、劃針樣沖小錘、鋼琴線和線垂、鋼直尺和鋼卷尺等。預(yù)組裝完成后，在相應(yīng)焊接坡口內(nèi)打上樣沖眼簇線定位標(biāo)識并用油漆圈上，使其標(biāo)識醒目。組織驗收小組進(jìn)行檢查驗收并做好記錄備檔。驗收完成后，進(jìn)行預(yù)組裝解體，按部件的安裝編號順序入庫碼放。

4 鋼岔管的安裝

將鋼岔管各部件運至安裝現(xiàn)場，在其設(shè)計圖規(guī)定的安裝點對應(yīng)的管床位置進(jìn)行組裝。首先用全站儀放出中心柱、月牙肋和左右腰部加強梁等的安裝控制點。安裝6點鐘方向的下中心柱、吊裝組焊好的月牙肋吊裝單元體(本項目為4個吊裝單元——由起重機(jī)額定載荷確定)、吊裝12點鐘方向的上中心柱、吊裝拼焊好的左右腰部加強梁吊裝單元體(本項目每根加強梁為2個吊裝單元——由起重機(jī)額定載荷確定)。用Ⅰ25b、Ⅰ32b工字鋼進(jìn)行加固支撐。焊接月牙肋吊裝單元之間的拼接焊縫、焊接左右腰部加強梁吊裝單元之間的拼接焊縫，并焊接加固其他臨時部件，待探傷檢測各安裝焊縫合格后，用全站儀復(fù)核各部件的安裝控制點。中心柱、月牙肋和加強梁安裝好后，再進(jìn)行基本錐瓦片的掛裝。瓦片掛裝、壓縫由各自基本錐的大頭端開始往小頭端的順序依次進(jìn)行。由全站儀結(jié)合管床上的控制點實施安裝質(zhì)量參數(shù)的控制。瓦片焊接完成后，再安裝基本錐外壁上的加勁環(huán)。加勁環(huán)端頭不得與月牙肋、加強梁焊接連接，其之間必須保證50～100 mm的間隙，否則會改變月牙肋和加強梁部位的受力狀態(tài)。降低月牙肋和加強梁的承載能力。

5 鋼岔管焊接的要點

(1)焊接按規(guī)范要求進(jìn)行預(yù)熱、保持道間溫度、焊后立即進(jìn)行后熱。

(2)采取對稱焊接。每條焊縫采用分段倒退焊接和分段間隔跳躍焊接，分段長度為300～400 mm。

(3)將焊接熱輸入控制在15～35 kJ/cm。

(4)定位焊縫，在清理焊縫時必須全部清除，否則將影響焊接的內(nèi)部質(zhì)量。

(5)焊接順序。先焊接各基本錐瓦片之間的縱縫。瓦片之間的縱縫焊接完畢再焊接環(huán)縫。環(huán)縫焊接的順序為：由各自基本錐的大頭端(瓦片與加強梁間的組合焊縫先不焊接)瓦片之間的環(huán)縫開始焊接，焊完一條環(huán)縫，再焊下一條環(huán)縫，逐次向基本錐的小頭端遞進(jìn)。瓦片之間的環(huán)縫焊接完畢、再焊基本錐殼板與月牙肋的組合焊縫，焊接由月牙肋最大橫截面起焊，對稱偶數(shù)焊工焊接。下半弧采用分段倒退焊接，上半弧采用分段間隔跳躍焊接。向月牙肋兩端尾部對稱同步推進(jìn)。焊接完月牙肋一側(cè)的組合焊縫后，再焊接其另一側(cè)。月牙肋組合焊縫焊接完畢、才能最后焊接三個基本錐各自大頭端與加強梁之間的組合焊縫，其組合環(huán)縫焊接由偶數(shù)焊工對稱焊接，由上、下中心柱起焊，下半弧采用分段間隔跳躍焊接，上半弧采用分段倒退焊，向離中心柱最遠(yuǎn)端同步推進(jìn)。焊接完加強梁一側(cè)的組合焊縫后，再焊接其另一側(cè)。采用該焊接順序的主要目的是盡量使焊接時有較大的收縮自由度，以降低焊接收縮應(yīng)力，并可防止焊接裂紋的產(chǎn)生。

6 結(jié) 語

該工程為2個肋梁式斜Y形鋼岔管。筆者介紹的是壓力鋼管上游處的肋梁式斜Y形鋼岔管，下游處的肋梁式斜Y形鋼岔管結(jié)構(gòu)形狀與其相同，只是尺寸和重量稍小，其安裝程序與筆者介紹的肋梁式斜Y形鋼岔管相同。

鑒于鋼岔管幾何形狀較為復(fù)雜，故應(yīng)進(jìn)行預(yù)組裝。因廠(或制作場)內(nèi)加工設(shè)備較為齊備、制作環(huán)境較好，鋼岔管在廠(或制作場)內(nèi)預(yù)組裝可及時發(fā)現(xiàn)制作中存在的缺欠并方便立即處理。

由于該工程鋼岔管加強梁和月牙肋板厚度已達(dá)150 mm，為了保證其心部質(zhì)量，增加了鋼廠冶煉、軋制和熱處理等的難度。對此，可提高鋼板的強度等級鋼牌號，從而減薄加強梁和月牙肋厚度，進(jìn)而減少焊接量并可改善其受力狀況。中心柱因承受徑向應(yīng)力，故其必須是鍛造件，才能保證其質(zhì)量和力學(xué)性能。為了保證組裝的精度和焊接坡口的質(zhì)量，中心柱必須車削加工。焊接時一定要注意鋼岔管焊縫的焊接順序，使所焊接的焊縫拘束度盡量減小，其既可降低焊接收縮應(yīng)力，也可防止焊接裂紋的產(chǎn)生。