白鶴灘水電站10 000 kN/500 kN超大型雙向門機關鍵構件制造工藝技術研究

曹 峽 榮

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

白鶴灘水電站的主要開發任務為發電，兼顧防洪并具有攔沙、發展庫區航運和改善下游通航條件等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點之一。水庫總庫容206.27億m3。電站裝機容量為16 000 MW，多年平均發電量為625.21億 kW·h。電站門式啟閉機的制造項目包括一臺10 000 kN/500 kN雙向門式啟閉機，裝設在壩頂836 m高程上。設備主鉤用于操作深孔事故閘門，下游側回轉吊用于表孔液壓啟閉機的安裝與檢修。

筆者介紹了白鶴灘水電站壩頂10 000 kN/500 kN雙向門式啟閉機的制造過程與下橫梁、門腿、主梁制作及H腿、上部結構預組裝、門架立拼采用的制造工藝技術。

如圖1所示，10 000 kN/500 kN雙向門式啟閉機門架結構主要由下橫梁、H腿(上下中橫梁、門腿)、回轉機構和上部結構(主梁、端梁)及爬梯、扶手、平臺和護欄等附件組成。

圖1 門機門架示意圖

2 主要技術要求和制造難點

2.1 主要技術要求

(1)構件預拼裝及組裝要求。門架下橫梁、門腿、主梁等是門式啟閉機的重要組成部分，門架結構等單個構件按NB/35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范》標準拼裝制作后進入門架結構的組拼。

①門架預拼裝前，按合同技術條款及規范要求提出組裝的施工工藝。

②沿門機跨度方向門腿垂直中心線與門機跨度一致，單側兩門腿垂直中心線與門機跨度之差不大于±3 mm，兩側門腿的垂直中心線相對差不大于±3 mm。

③門腿組裝后，其垂直中心線沿門機跨度方向的偏斜不大于門腿自身高度的1/2 000且門腿下部宜向內偏斜。

④門架組裝后，測量上部結構四個對角頂點，其標高相對差不大于5 mm，各點標高絕對差值不大于±10 mm。四個對角頂點對角線之差不大于5 mm。

(2)焊縫檢測要求。

① 焊縫分類按NB/T35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范》執行。

②對一、二類焊縫實施100%、50%超聲波探傷，且需分別達到GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測、超聲檢測技術、檢測等級和評定》BⅡ、BⅢ級要求。必要時還要進行射線探傷并達到GB/T 3323-2005《金屬熔化焊接接頭射線照相》BⅡ級要求，探傷長度不小于全長的20%，且不小于300 mm。

③對設計未要求焊透的T形接頭組合焊縫應進行30%的超聲波探傷并達到GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測、超聲檢測技術、檢測等級和評定》BⅢ級要求，未焊透深度應小于設計圖樣的規定值，并按中國長江三峽集團公司企業標準Q/CTG30-2015《水工金屬結構T形焊接接頭未焊透深度超聲波檢測技術規范》進行10%的驗證性抽探。

④其它焊縫的探傷要求按NB/T 35051-2015執行。

2.2 制造中的難點

根據門架的結構特點，其制造難點包括下橫梁半封閉箱梁的拼焊順序、門腿和H腿結構的拼裝焊接變形控制、兩主梁的上拱預制及相對差控制，下橫梁、門腿、主梁是門架制作的關鍵和重要構件[1]。H腿、上部結構的預拼裝和焊接變形控制是確保門架組裝質量的關鍵工序，需要做好構件制造工藝的策劃工作，用以指導工藝方案的編制。

3 構件生產采用的主要工藝流程

構件生產采用的主要工藝流程見圖2。

圖2 主要工藝流程圖

3.1 單個構件的拼裝

為減少門架H腿、上部結構整體焊接變形，制作工藝為單獨的梁體組裝焊接與矯正，最后拼成單片H腿與上部結構。各梁體和單個構件的制造嚴格按已編制的工藝流程和焊接工藝進行，且需考慮焊接收縮量和機械加工切削余量。制作過程中隨時進行檢測，嚴格控制焊接變形和焊縫質量，每道工序堅持執行“三檢制”。單個構件制造的允許公差或偏差符合合同及NB/T35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范》的規定。

3.1.1 下橫梁

下橫梁是連接大車行走機構和支撐門腿、回轉立柱的箱梁，根據下橫梁的結構特點需要注意以下拼裝要點：

(1)切割下料后，首先完成腹板、翼板的拼接焊接，經探傷合格后對焊接變形進行矯正處理；

(2)受箱梁內腔的焊接空間限制，拼裝宜采取先拼成Π型梁并完成內腔焊接后封蓋上翼板，然后采用埋弧自動焊完成四條主縫的焊接。為減小翼板角變形，焊接前應采取反變形措施；

(3)焊接矯正后劃線轉加工上下支承座板連接面，將門腿下端板與上連接座面配鉆孔后用工裝螺栓連接加固，劃十字中心線，待門架整體立拼組裝。

3.1.2 門 腿

門腿是連接下橫梁、上部結構的主要承壓構件，其拼裝制作的質量控制至關重要。根據門腿結構特點，拼裝應注意以下工藝控制要點：

(1)嚴格控制門腿隔板的切割下料質量，必須確保隔板的垂直度及對角尺寸偏差在允許值范圍內方可進入拼裝工序；

(2)拼裝前，在考慮焊接收縮的同時，必須要以與上下中橫梁連接的中心為基準進行拼裝尺寸放樣，以滿足隔板與中橫梁的對位拼裝連接質量要求；

(3)門腿為梯形結構且單片H腿呈八字結構，以翼板放樣拼裝各隔板時，應注意對隔板兩個轉角的控制。拼裝定位腹板時要控制大小頭在鉛垂方向的檢測數值偏差；大小頭隔板處的上下鉛垂值差δ見公式(1)：

δ=隔板長×sinα× sinβ

(1)

式中α為H腿“八”字單邊斜角；β為門腿腹板單邊斜角。

3.1.3 主 梁

門機主梁是門機上部結構的重要承重部件，在自重和載荷作用下存在彈性下撓現象，需上拱制作[2]，其制作質量的好壞將直接影響到該門機的動、靜載工況下的承載負荷能力和使用壽命。主梁制作按以下要點做好工藝控制：

(1)腹板下料上拱度的預制。其預拱值根據圖樣要求按二次拋物線法計算公式進行計算。

(2)應綜合考慮焊接收縮、主梁自重及經驗數據等因素，拱度曲線采用編程數控切割下料可以保證線形準確，使門機兩根主梁的四塊腹板在同一截面的拱度差基本保持一致。主梁的翼板及腹板下料前應先進行整體放樣編程，避免出現焊縫重疊現象，拼接焊縫按規范標準做無損探傷檢查，坡口切割后完成其表面的打磨。

腹板下料時采用整體預起拱，采用二次拋物線法計算公式進行計算。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，其方程式見公式(2)[3]：

y=F×(1-4a2/L2)

(2)

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；L為跨度距離。

由此得到主梁腹板下料時的上拱度拋物線。

(3) 內腔隔板采用編程數控下料。先做好首件切割質量的檢查工作，以保證主梁組裝時矩形截面的準確性，防止產生扭曲。

(4)拼裝時，在拼裝平臺上以主梁上翼板為基準放樣(放樣尺寸要考慮焊接收縮因素)并按工藝確定的上拱值要求在X/Y軸方向監測并確定各起拱支點的相應坐標值并支墊牢固。

(5)在上翼板上定位組拼各大小隔板。為減少整體焊接對主梁上拱值的影響，可采取偶數焊工由中心向兩端對稱、跳焊的焊接工藝措施先完成隔板與上翼板的組合焊縫焊接，配以釋放應力措施。經上拱值復測調整后，再拼上內腔的縱向加固筋條或型鋼，按順序組拼定位兩側腹板，封蓋定位已卷弧成型的下翼板。

(6)主梁拼裝交驗合格后，焊接是控制變形的重要工序，焊接必須按照焊接工藝要求進行并加強過程監控。

3.2 門機H腿、上部結構的預拼裝

3.2.1 H腿的預拼裝

門機H門腿結構是門架結構的重要組成部分，單片H門腿結構由兩根門腿和上下中橫梁通過高強螺栓聯接組成。H腿預拼裝工藝的控制要點為：

(1) H腿的組裝尺寸需要考慮焊接收縮因素，調整定位加固后，對中橫梁兩端的連接結構及外伸梁與門腿的組合焊縫進行施焊，焊接時必須采取兩端對稱焊接的工藝措施并監測H腿的幾何尺寸變化；

(2) 焊縫經UT探傷合格后需進行應力釋放，再對H門腿結構的組裝尺寸進行整體復測調整，定位后各聯接板穿定位銷和高強螺栓連接牢固；

(3)按圖紙要求以中橫梁中心為基準對門腿大小端頭尺寸、坡口進行修割并配上與主梁連接的上端板，施焊端板與門腿的連接組合焊縫，經UT探傷合格后矯正端板平面度，再對H門腿結構進行整體加固后劃門腿各組裝定位中心線，等待進行門架的整體立拼。

3.2.2 上部結構的預拼裝

上部結構是門機重要的承載受力構件結構，由兩件主梁、兩件端梁及懸臂梁拼裝組成，通過高強螺栓聯接而成。上部結構預拼裝的工藝控制要點為：

(1)預拼裝時，調整并檢測主梁與端梁連接的幾何尺寸且需兼顧腹板的垂直度尺寸，重點調整控制兩主梁同截面小車軌道中心線對應點的上拱值相對差；

(2)調整定位加固主梁與兩端梁的連接結構，焊前兩主梁中心距必須考慮焊接收縮因素；

(3)焊接時必須對稱施焊主梁與端梁、懸臂梁連接結構的組合焊縫；

(4)焊縫經UT探傷合格后，對各聯接板進行應力釋放，調整并復測整體尺寸，定位后配鉆、穿定位銷和高強螺栓連接加固，配上小車軌道并對主梁與門腿上端板的連接邊進行修割打磨，劃各組拼定位中心線，等待進行門架的整體立拼。

3.3 門架的整體立拼組裝

門機在完成行走組裝及H腿單片、上部結構的預組裝工序后，按工藝流程進入門架整體立拼組裝工序(圖3)。

圖3 工藝流程圖

其工藝流程為：

在立拼現場鋪設門機大車行走軌道并按圖紙尺寸調整檢測軌道中心軌距及軌面的水平數據滿足要求后吊裝行走機構，對軌道、行走機構進行加固；按工藝流程依次組裝下橫梁、H腿和上部結構及回轉機構等，門架的主要部件立拼并檢測定位、加固后，實施H門腿與下端板的組合焊縫焊接，中間穿插應力釋放并檢測下端板與下橫梁連接端板間的間隙符合規范要求。

門架組裝經專職檢驗員檢測交出廠驗收；驗收合格后進行門架的拆解，完成零部件的編號后轉防腐工序，最后按單元包裝運輸發運出廠。

4 總體焊接工藝要求及過程控制

(1)主梁等單個構件及H腿、上部結構的焊接按合同技術條款、設計圖紙及NB/T35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范》執行。

(2)各鋼板零件宜采用整體下料。若需接板，其拼接接頭應避開構件應力集中斷面，避免十字焊縫，相鄰平行焊縫的間距應大于200 mm。盡量將焊縫安排在結構截面的中性軸上或靠近中性軸，力求中性軸兩側的變形大小相等、方向相反，以起到相互抵消作用[4]。

(3)焊接方法的選擇：一般選擇CO2(GMAW)氣體保護焊；對于下橫梁、門腿、主梁長直條箱型梁，其單條焊縫長度大于3 mm的接板焊縫和外側組合焊縫，通常選擇(SAW)埋弧自動焊。

(4)焊接材料的選擇：焊絲代號及焊劑必須符合施工圖樣規定，應選用與母材強度相適應的焊接材料。

(5)焊接工藝參數：焊接時應盡可能采用較小的焊接熱輸入量以減小加熱區的范圍及焊縫收縮量(表1)。

表1 焊接工藝參數表

(6)對于下橫梁、門腿和主梁長直條箱梁的焊接，為減少扭曲、旁彎、角變形等焊接變形和焊接應力，根據結構的特點和坡口形式，應選擇合理的焊接順序并采用跳焊、分段退步焊和多層多道焊或采用反變形等措施。焊接順序應先焊各梁的連接接頭焊縫，從里向外焊，然后焊接底面的各條焊縫[5]。因主梁腹板高度大于1 mm，隔板立焊可分三段施焊，焊接所用的焊材應符合圖樣規定，應選用與母材強度相適應的焊接材料。

(7)對于下橫梁、門腿、主梁、H腿、上部結構等制作、組裝的重要焊接工序，必須做好焊前的技術交底工作，同時，在焊接過程中必須加強過程的監控工作。

5 安全技術措施

(1)在工藝文件設計內容中，除對構件的制造工藝流程作主要描述外，還要將制作過程中的安全技術要求作為重點強調內容。

(2)根據生產現場、起重設備資源情況，依據《水電水利工程金屬結構與機電設備安裝安全技術規程》DL/T5372-2017、《水電水利工程施工人員安全技術操作規程》DL/T5373-2017及公司安全生產管理制度，必須安排專業工程技術人員編寫、制定門機廠內立拼組裝的《門機大拼組裝安全技術方案》，其中包括場地選擇、加固方案、吊耳設計、組裝拆解順序等重要內容。

(3)根據安全生產管理制度要求，按照層級管理之規定，分級做好《門機大拼組裝安全技術方案》的安全技術交底工作，確保白鶴灘水電站10 000 kN/500 kN超大型雙向門式啟閉機的安全生產。

6 結 語

白鶴灘水電站10 000 kN/500 kN超大型雙向門式啟閉機是我國目前水電站起吊容量最大的壩頂門機，通過該門機的生產制造，使我公司在超大型門式啟閉機構件的生產制作方面取得了寶貴的工藝技術經驗，完善并提高了門機關鍵構件、工序的工藝技術水平，亦將進一步提升公司在超大型門式啟閉機制造行業的地位。