塔貝拉水電站豎井圓形堵頭閘門加工工藝

趙 文 斌， 王 生 瓚

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴基斯坦塔貝拉水電站四期擴建項目取水口3號豎井直徑為13.72 m，豎井混凝土襯砌壁厚1 m。豎井頂部設堵頭鋼閘門將豎井封堵，相當于用蓋板蓋住豎井。由于該堵頭閘門的設計工況為雙向水壓而不同于普通閘門，設計時從安全、運輸、安裝等角度進行了全面考慮。該堵頭閘門工況分兩種:①當隧洞內施工時，堵頭閘門擋上方的水壓，②當豎井上方的取水塔施工時，機組已發電，豎井內充滿水，此時堵頭需要擋下方的水壓[1]。由于此種結構形式的閘門制造在我單位尚屬首次，沒有現成成熟的工藝可以借鑒，我單位的技術人員依托多年常規水工金屬結構制造經驗，結合該堵頭閘門的結構形式，對其加工工藝進行了深入地研究與分析，通過研究分析，制定出切實可行的加工工藝方案并付諸實施，確保了該堵頭閘門的順利制造，筆者詳細介紹了具體的制造過程。

2 堵頭閘門的結構

堵頭閘門埋件沿豎井頂部設一周，埋件座板為厚120 mm，外徑16.52 m，內徑13.72 m的圓環，材質為Q355B，下方焊接351根錨桿，錨桿從圓中心向外布置3 排，直徑為70 mm，長4.08 m，材料為Q355B。堵頭閘門埋件結構見圖1。

圖1 堵頭閘門埋件結構示意圖

堵頭埋件座板的作用是支撐閘門并兼做閘門封水座面，座板上布置有448個φ68的螺栓連接孔。閘門安裝后，通過螺栓將閘門與埋件連接。按照設計要求，支撐面及封水座面均需進行機加工，依據《水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》(NB/T 35045-2014)要求，具有止水要求的加工面直線度為1/2 000且不大于1 mm；局部平面度每m范圍內不大于0.5 mm且不超過2處。沒有止水要求的加工面直線度為1/1 500且不大于3 mm；局部平面度每m范圍內不大于3 mm[2]，即要求內徑為13 720 mm，外徑為13 870 mm的止水座板環面直線度不大于1 mm；局部平面度每m范圍內不大于0.5 mm且不超過2處。內徑為14 720 mm，外徑為15 120 mm的支撐座板環面直線度不大于3 mm；局部平面度每m范圍內不大于3 mm。堵頭閘門埋件座板結構形式見圖2。

圖2 堵頭閘門埋件座板結構示意圖

堵頭閘門為直徑15.84 m的圓形閘門，閘門主材材質為Q355B，門重415 t。因堵頭閘門直徑較大，設計水頭高，堵頭閘門受力大，同時因現場安裝門機的最大起吊容量為400 kN，故堵頭閘門中間部位按880 mm分段，共分為15節，最大單元節重31.932 t。堵頭閘門結構形式見圖3。

圖3 堵頭閘門結構剖面圖

堵頭閘門單節門葉設雙主梁，主梁為焊接 T 型結構，單節閘門一側主梁腹板同時兼做節間水封座板，另一側設有50 mm×100 mm的方鋼作為閘門節間支撐，同時控制節間水封壓縮量以起到保護橡膠水封的作用。堵頭閘門節間采用條形橡膠水封、螺栓連接，為保證水封能壓縮，在條形水封中間開槽呈“工”字型，安裝時預壓縮4 mm。為滿足閘門節間封水要求，需對單節閘門兩側的水封座板及支撐座板面進行加工，依據《水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》(NB/T 35045-2014)要求，止水座面平面度不大于2 mm。單節閘門結構見圖4。

圖4 單節閘門結構圖

堵頭閘門圓形面板上設置有環形水封座板及支撐座板，環形水封座板外直徑為14 040 mm，內環直徑為13 720 mm，環形支撐座板外直徑為15 070 mm，內環直徑為14 770 mm。環形水封座板及支撐座板均需進行機加工，依據《水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》(NB/T 35045-2014)要求，止水座面平面度不大于2 mm。

閘門與埋件之間采用448顆10.9等級M64的螺栓連接，閘門面板上與埋件的連接孔直徑為90 mm。閘門與埋件一周采用條形橡膠水封封水，安裝時預壓縮 5 mm，水封設在埋件上，節間水封端部與圓周水封設一橡膠塊現場黏結。閘門環形水封座板及支撐座板見圖5。

圖5 閘門環形水封座板及支撐座板結構圖

3 工藝難點分析

(1)閘門與埋件之間采用448顆高強螺栓連接，必然會對埋件、閘門連接孔的位置精度提出很高的精度要求，孔的數量龐大，閘門分節達到15節之多，每節閘門寬度方向的偏差累計有可能會造成閘門與埋件連接孔的位置度偏差超標而導致閘門與埋件在安裝過程中無法安裝螺栓。閘門與埋件的連接形式見圖6。

圖6 堵頭閘門與埋件連接形式圖

(2)因堵頭閘門整體外形尺寸大，分節多，閘門節間采用螺栓連接。而“工”字型條形水封封水結構必然會對節間連接螺栓孔的位置精度要求高，才能保證各節閘門在安裝過程中能夠順利進行螺栓安裝；同時，對節間配合面的平面度要求亦很高，閘門節間配合面長度最長達15.816 m，最短達10.966 m，平面度要求不大于2 mm，否則閘門節間不能滿足封水要求。閘門節間的連接形式見圖7。

圖7 堵頭閘門節間連接形式圖

(3)閘門埋件座板為外徑16.52 m，內徑13.72 m的圓環，鋼板厚度為120 mm，設計分6塊進行制造。由于設備加工能力及成本因素，不能實現埋件座板組成圓環整體加工相應的加工面及孔；根據項目現場進度要求，埋件與閘門分批交付，不能實現閘門與埋件連接孔采用整體配作工藝。

(4)閘門與埋件的配合連接孔孔徑較大，埋件上的連接孔直徑為68 mm，閘門上的連接孔直徑為90 mm，配合間隙設計的比較大，由于孔徑太大，搖臂鉆、磁力鉆等常規鉆孔設備無法滿足相應的要求。

4 堵頭閘門埋件加工工藝措施

基于工藝難點分析，結合設備條件與進度要求，制定了以下閘門埋件加工工藝：埋件座板及支撐座板采用火焰數控切割機分6塊下料；放地樣在鋼平臺上整體組拼埋件座板，拼焊支撐座板；校正整體平面，整體狀態下作加工基準線，然后解體，在數控龍門銑上以加工基準線單塊分別加工支撐座板平面、埋件座板上的槽口和φ68連接孔；單塊分別拼焊錨桿及肋板，校正；最后進行整體預拼裝，確保合格后出廠。

堵頭閘門埋件加工工藝的重點在于數控精確下料及整體組拼精度的控制。數控精確下料是整體組拼精度的基礎保證，整體組拼精度是后續加工的基礎保證。

為保證數控精確下料，下料前，對火焰數控切割機進行了全面的檢查維護，對切割平臺進行了平面度校正，采用120 mm厚鋼板進行了試割，通過試割，確定了切割參數及修正割嘴垂直度，驗證了切割質量能夠達到質量要求[3]。

為保證整體組拼精度，搭設了專用組裝平臺，組裝平臺整體平面度要求不大于2 mm[4]，并確保其可靠、穩固，在組裝過程中不發生變形。整體組拼埋件座板時嚴格按照標準地樣進行，拼焊支撐座板后，對整體平面度進行了校正，待其滿足質量要求后，以地樣圓心為基準，畫出埋件座板上的槽口加工基準線及連接孔的基準線并做樣沖標識，解體后按照加工基準線采用數控龍門銑床進行單塊埋件的加工以確保加工精度。

埋件座板加工完成后，單塊拼焊錨桿及肋板，由于錨桿數量大，焊接過程中容易引起埋件座板的平面度變形，故對錨桿焊接工藝采取了大間隔的對稱跳焊方式，嚴格控制焊接參數以減少局部熱量過大而造成變形過大[5]。焊接完成后，對局部平面度超標部位進行了校正，以滿足最終技術規范要求。

5 堵頭閘門加工工藝措施

基于工藝難點分析，結合設備條件、閘門結構和精度要求最終采取了單節獨立拼焊，單節拼焊、校正完成后節間配合部位采用動力銑頭先加工、待所有單節完成后進行整體預拼裝，在整體狀態下加工閘門環形水封座板及支撐座板。

采取該工藝的核心是保證閘門面板448個螺栓連接孔的位置精度，只有位置精度得到保證，才能保證閘門安裝時與埋件實現所有螺栓的順利連接。為實現該目的，采取了以下工藝措施：

(1)閘門面板采用火焰數控切割機下料，面板上的φ90連接孔直接在下料過程中采用火焰數控切割機完成切割，單節閘門面板寬度方向兩側各預留5 mm的加工量。解決了φ90連接孔常規鉆孔設備無法加工的問題，同時亦控制了單塊面板上各連接孔孔間距的偏差。

(2)單節閘門的拼裝、節間配合面的加工均以面板上已切割的連接孔中心作為基準進行，該加工工藝在保證單節閘門寬度尺寸的同時，也保證了連接孔在閘門面板上的位置精度。解決了單節閘門寬度尺寸與面板連接孔相對位置精度的問題，同時，各節閘門的加工均以數控切割的連接孔為基準，實現了基準的統一，進而保證了閘門寬度尺寸的統一。

(3)在整體預拼裝過程中，同樣以面板上數控切割的連接孔為基準，在保證節間封水的情況下，兼顧面板節間對應孔的間距以保證整體連接孔的位置精度。

6 結 語

通過以上工藝措施的實施，解決了塔貝拉水電工程大型豎井圓形堵頭閘門的加工工藝難點問題。堵頭閘門整體制作完成后，由業主、設計組成的驗收小組在整體拼裝狀態下進行了出廠驗收，驗收現場對閘門的幾何尺寸、形位公差等進行了測量，重點測量了閘門與門槽連接的448個連接孔的相對位置精度、同心度、閘門面板環形封水座板平面度等，所有檢測數據均符合設計及規范要求，堵頭閘門制造質量符合設計文件和相關規范要求。鑒于圓形堵頭閘門比較少見，該工藝措施的成功實施，為今后類似閘門的制造提供了一條新的工藝思路，具有一定的借鑒意義。