超大型斜三支臂弧門制造的關鍵工藝

田 文 恒

(中國水利水電第十工程局有限公司 機電安裝分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

Nam Khan 2(南坎2)水電站位于老撾Luang Probang(瑯勃拉邦)東南約30 km的Nam Khan河上，是Nam Khan河規劃三個梯級電站中的第2級。該電站的溢洪壩弧形工作閘門孔口寬度為13.5 m，設計水頭為21.2 m，閘門高度為21.7 m，面板半徑為24 m，支臂形式為斜三支臂，門葉結構布置三根主橫梁，按閘門規格分類標準該門屬超大型弧門。老撾南坎2水電站溢流壩弧形工作閘門的結構形式見圖1。

圖1 老撾南坎2水電站溢流壩弧形工作閘門結構示意圖

斜支臂弧形閘門常為兩支臂，采用斜三支臂弧門的相對較少。在斜三支臂弧門制造過程中，除了常規兩支臂弧門的制造難點外，三根主橫梁之間的跨距、門葉焊接變形控制、三根支臂扭角及支臂之間開口尺寸控制、支臂裝置拼裝工藝等使斜三支臂弧門制造的技術及工藝難度更大。筆者結合老撾南坎2水電站溢流壩弧形工作閘門的制造，介紹了超大型斜三支臂弧門制造過程中的關鍵工藝和措施。

2 門葉結構的制造工藝及措施

2.1 確定弧門制造的曲率半徑

根據弧形門葉的結構特點及焊縫分布，特別是縱向隔梁與主橫梁間的焊縫焊接、隔梁后翼緣與主梁后翼緣的焊縫焊接，焊接收縮使門葉的曲率半徑變小，為了使焊接后閘門的曲率半徑符合圖紙要求的曲率半徑R，在閘門結構下料時，考慮弧門制造時的曲率半徑[1](R+△R)。弧門制造的曲率半徑可按下式計算：

a=(R×(1-cosα)-K

式中R為設計曲率半徑；R+△R為制造曲率半徑；α為設計面板弧長的一半與圓心的夾角；K為圓弧端部放大值。

2.2 門葉結構的拼裝控制

根據計算確定的弧門制造曲率半徑搭設弧形胎膜，在弧形胎膜上鋪設已巻制的面板，面板鋪設完畢、測量劃出主橫梁、縱隔梁、橫向小梁等部件的拼裝控制線并按控制鍵拼裝各部件。拼裝時，由于門葉結構尺寸較大，為減少拼裝尺寸誤差，首先拼裝中主梁，在中主梁拼裝定位后，分別往門葉頂端或門葉底緣方向依次拼裝橫向小梁→縱隔梁→上主梁(或下主梁)→橫向小梁→縱隔梁。拼裝過程中，嚴格拼裝間隙、主梁跨距、主梁平行度。整體拼裝結束后，在節間位置焊接臨時連接板，由于門葉橫向剛性薄弱，需沿橫向方向進行連接加固，以減少焊接及運輸變形。

2.3 門葉結構的焊接工藝

門葉結構在弧形胎膜上進行整體焊接。根據門葉結構特點：門葉尺寸較大，橫向小梁多，縱向隔梁間距大，三根主橫梁，頂節門葉剛性薄弱，焊接量大，為減少焊接變形，防止頂節門葉發生扭曲變形以及主橫梁與縱隔梁的焊縫焊接引起主橫梁跨距及主橫梁平行度超差，同時還要控制焊接收縮引起的門葉橫向直線度超差。為此，焊接順序為：第一步焊接中主橫梁腹板與兩側縱隔梁腹板的焊接；第二步焊接中、下主橫梁腹板內側與縱隔梁腹板的焊縫；第三步焊接中、下主橫梁腹板外側與縱隔梁腹板的焊縫；第四步焊接面板拼接縫；第五步焊接橫向小梁與面板的焊縫；第六步焊接縱隔梁腹板與面板的焊縫；第七步焊接縱隔梁翼緣板與主橫梁翼緣板的焊縫；第八步焊接勁板等剩余焊縫。焊接方法[2]為對稱、分段、間隔、退步焊，選用小焊接參數施焊且焊接參數一致。焊接方向從門葉中心向門葉頂底兩端、門葉左右兩邊的方向進行焊接，以減少焊接熱量集中，從而有效控制焊接變形，減少焊接應力。

3 支臂裝置的制造工藝及措施

3.1 支臂扭角的計算

3.2 支臂裝置的整體拼裝工藝及措施

由于上、中、下三根支臂按扭角旋轉后，支臂翼緣不在同一平面內，因此，拼裝平臺要根據支臂裝置放樣尺寸，確定拼裝平臺的高差后搭設平臺，支臂裝置拼裝放樣情況見圖3。支臂裝置拼裝平臺搭設后，根據支臂放樣圖及支臂裝置圖，在平臺上劃出支臂裝置拼裝控制線，焊接拼裝限位擋塊。

上、中、下三根支臂在后端板處交匯。為了有效控制各支臂的扭角、支臂間的角度、支臂間的開口尺寸，單根支臂按常規工藝制造后，在平臺進行整體水平拼裝。由于支臂扭角測量困難，可通過測量控制支臂扭角產生的偏移量，從而實現對扭角的控制，然后復測支臂開口尺寸、進一步驗證支臂扭角。支臂裝置整體拼裝完成并經檢查合格后進行連接板的焊縫焊接，最后在連接板上劃出加工控制線，分節后進行連接板的平面加工，從而消除焊接變形，確保節點板緊密貼合。

4 弧門廠內整體預拼裝工藝及措施

圖2 支臂扭角計算簡圖

圖3 支臂裝置拼裝放樣簡圖

4.1 拼裝狀態及其應具備的拼裝的基本條件

拼裝狀態為立式整體拼裝[4]，參與拼裝的零部件主要包括各單節門葉結構、支臂裝置、支鉸活動餃、支臂欄桿(視業主要求確定是否參與拼裝)。拼裝前檢查各工序的完成情況，避免上道工序未完成就進行整體拼裝而影響拼裝工作的正常進行及拼裝的效果，檢查數據的準確性。為此，拼裝前應確認各部件是否具備拼裝條件。

4.2 測量放出拼裝基準線

根據拼裝場地條件，采用計算機模擬拼裝，確定拼裝時門葉的仰角及支鉸中心高度，繪制拼裝基準圖，之后按基準控制圖采用水平儀、經緯儀等測量工具實測放出拼裝線，拼裝基準線[5]主要包括門葉中心線、門葉邊線、門葉底沿線、支鉸中心線等。測量并放出拼裝基準線后，在門葉底沿線位置設置墊塊和限位擋塊。

4.3 拼裝步驟及方法

從底節門葉往上依次進行單節門葉的拼裝，中主橫梁所在單節拼裝就位并調整結束后拼裝支臂。拼裝支臂前，首先在平臺上水平將下支臂、中支臂與半支臂拼裝為一體并進行支撐加固，然后整體立面吊裝與門葉進行拼裝，同理，完成另一側的支臂與門葉拼裝，支臂調整定位、支撐可靠后，依次拼裝中主橫梁以上的單節門葉，上主橫梁所在單節門葉拼裝就位并調整結束后吊裝上支臂，完成與門葉及半支臂的連接。吊裝活動鉸與半支臂端板螺栓連接，調整支鉸中心，復查已拼裝的門葉半徑。依次完成上主橫梁以上的各節門葉拼裝。整體拼裝完畢進行全面檢查，填寫檢查記錄表，完成整體拼裝作業。

5 結 語

通過老撾南坎2水電站溢流壩弧形工作閘門、老撾南立1水電站溢洪道弧形閘門(歐標)等類似超大型弧門的制造，其幾何尺寸及焊接變形控制均取得了良好效果，產品質量提升明顯，均一次性通過拼裝驗收，節約了大量矯正變形及尺寸修正所產生的各項費用，對類似超大型斜三支臂弧形閘門和其他類似弧形閘門的制造具有較好的參考價值。