新型大跨度雙拱曲面閘門形位尺寸控制與檢測探析

許 衡，高 升，昝圣瑞

（山東省水利工程建設監理有限公司，山東 濟南 250013）

威海市南海新區香水河擋潮閘是一座具有防潮（洪）、水資源開發利用、改善水環境等綜合效益的大（2）型水利工程，設計等別Ⅱ等。全閘共14 孔，總寬463 m，總凈寬為364 m，單孔凈寬26 m，工作閘門采用露頂式雙拱曲面鋼閘門雙向擋水。閘門門體材質采用Q355B，工程塑料合金自潤滑滑道支承，止水為雙P 型橡塑復合水封，埋件使用耐腐蝕合金鑄鐵軌道。

該新型大跨度雙拱曲面鋼閘門是由上弦拱、下弦拱、腹桿、弦桿、面板、拱腳等組成的型鋼拱桁架結構。閘門面板為圓弧拱曲面，弦桿兼作水平次梁，閘門面板與弦桿焊接為一體組成上弦拱，承擔臨海面荷載；下拱為兩道圓弧拱。下弦拱、弦桿和腹桿均為H 型鋼，端柱為箱型的拱腳結構。該結構使得閘門整體結構受力合理，各構件焊接方便，但由于閘門結構尺寸龐大且雙面圓弧拱，制作過程中形位尺寸的控制極為重要，這不僅影響閘門上弦拱、下弦拱結構的受力狀態，對減輕振動、降低噪音、延長構件使用壽命及安全運行等都具著重要意義。

1 閘門制造形位尺寸控制措施

1.1 正反向拱的制作

1）面板與弦桿曲率半徑的反變形控制。該閘門的面板與弦桿焊接為一體，組成圓弧形上弦拱，面板厚度12 mm，面板后的上弦桿為H 鋼型號H500×400。類似于弧形閘門的門葉制造，面板焊縫是在相對自由狀態下進行焊接，由于焊縫先焊弧度內側，焊接以后的變形特點是面板曲率半徑變小，為保證焊接后圓弧拱的面板曲率半徑，必須采用使面板外張的反變形措施，在拼裝前卷制時適當讓構件的圓半徑略大于設計圓半徑（一般控制在大于設計圓半徑1‰～6‰較為適宜），弧形工作臺和H 鋼上弦桿也按照放大后的圓拱半徑相應調整。

2）反向拱制作。香水河擋潮閘雙拱曲面鋼閘門為雙拱板桁結構，其反向拱為H 鋼型號H600×500，圓弧拱幾何尺寸是由H 鋼校正機滾圓、火焰矯正修弧配合精確的檢查樣板制作完成的。H 鋼上弦桿也采用了同樣的制作方法。

1.2 焊接變形的控制

1.2.1 影響焊接變形的主要因素

1）單構件截面形狀。構件盡量采用型鋼，以減小焊接量控制變形。構件選型是閘門前期設計人員考慮的問題，后期生產廠家只能是從制作工藝提出建議。香水河擋潮閘大跨度雙拱曲面鋼閘門的下弦拱、弦桿和腹桿設計均采用了H 型鋼，為閘門制作控制焊接變形提供了有利條件。

2）板厚。關系到焊接參數及工藝方法。閘門各構件的板厚在設計時已經考慮強度、剛度、穩定性、耐腐蝕和構件重要性等因素，閘門制造應針對構件不同板厚，實施不同的焊接參數及工藝方法。為控制構件焊接變形，厚板的焊接應當采用多層多道焊，并根據焊絲直徑及焊接位置和板厚選用適當的焊接電流、電弧電壓和焊接速度。

3）焊縫間隙和坡口。主要反映在下料及拼裝工序對鋼板或構件形位尺寸精度的控制。隨著數控設備的普及，閘門面板等部件的下料尺寸更加精確，拼裝時形位偏差（垂直度等）、焊縫間隙和坡口均較易滿足設計和工藝要求。

4）焊接順序。大跨度雙拱曲面鋼閘門主要采用了先立后平、先內后外、由上而下的焊接順序。

5）焊接方法。主要采用手工電弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧自動焊3 種焊接方法。面板對接長焊縫采用埋弧自動焊焊接方法、V 型坡口、坡口鈍邊2 mm，背縫用碳弧氣刨清根后焊接；其余焊縫優先采用生產效率高、焊接成本低、焊縫質量好、焊后變形較小、適用于各種位置和板厚焊接的CO2氣體保護焊，減少手工電弧焊焊接。1.2.2 焊接工藝設計原則

1）焊接工藝必須符合閘門制造詳圖、GB/T14173 規范及合同文件的要求。2）閘門焊接工序應符合焊接作業文件、水工金屬結構焊接通用技術條件SL36 的要求。3）對第一次使用的材料和未經驗證過的焊接工藝進行焊接工藝評定，以評定合格的工藝參數，作為編制焊接工藝規程的依據。4）焊工持證上崗，合理規定焊接設備、人員，焊接條件及焊接環境要求。5）選擇與閘門母材材質相匹配的焊接材料及輔材。6）根據閘門結構特點，合理確定焊接順序。7）合理選擇焊縫預熱、后熱等措施。8）明確焊縫質量等級類別、檢測方法及執行標準等。

1.2.3 焊接變形控制措施

1）根據雙拱閘門的特點，按工序制定合理的下料、平板、焊接、組裝、反變形方法。對于一、二類焊縫通過焊接工藝評定確定焊接參數、焊接順序及焊縫質量檢驗方法。2）嚴格控制單構件制作質量，板材采用數控下料，保證構件尺寸的一致性。合理選擇焊接方法，降低單構件誤差對閘門門葉結構整體組裝質量精度的影響。3）合理制定焊接順序和方向，利用焊接本身的變形規律減少焊接變形，達到控制閘門結構尺寸的目的。對面板反變形法，以保證門葉組裝焊接收縮后面板的平面度，同時組裝過程中優化各構件的拼裝順序，以減少拼裝不當引起門葉結構強制內應力。4）盡量保證門體均勻收縮，按照焊接工藝評定確定的焊接參數和順序，分區、分段對稱施焊，保持焊接方向、速度和線能量的一致。5）采取小范圍施焊，增加焊接層次，以此減少焊接變形量，減小構件外形尺寸的偏差。6）焊接過程中設置監控點監控門葉結構豎向平直度和圓拱弧度的變形情況，做到變形異常及時調整焊接工藝。焊后全部焊縫要進行外觀和無損探傷檢驗，局部變形用火焰加熱矯正幾何尺寸。

2 閘門制造質量檢測

2.1 閘門幾何尺寸和形位公差檢測

2.1.1 檢測方法

根據雙拱曲面閘門設計圖樣，采用Leica AT402 激光跟蹤測量系統對設備的幾何尺寸和形位公差進行檢測，重點控制參數：

1）閘門的外形幾何尺寸，包括寬度、高度等。

2）門體主要構件形位公差，包括前后雙曲拱面的曲率、吊耳形位公差、主梁與邊梁的形位公差等。雙拱曲面閘門門體結構復雜，尺寸龐大，門體結構尺寸和形位公差必須嚴格控制，否則易導致閘門啟閉困難，并產生應力集中，對閘門的安全運行極為不利。本次采用Leica AT402 激光跟蹤測量系統對閘門制造質量進行檢測，具有精度高、速度快、空間三維、自動跟蹤測量等特點，尤其對該閘門的大型曲面結構具有獨特優勢，可精確構建出閘門的前后雙曲拱面。

2.1.2 檢測儀器

Leica AT402 激光跟蹤測量系統是一種便攜式高精度的空間幾何量測量與評價系統，能對大型工件、工具和構件進行尺寸測量與誤差評價、形位誤差計算與評價；能根據CAD 模型進行比對測量，并完成空間位置測量；測量結果與分析報告能圖形化顯示與輸出；測量的原始數據和分析報告皆能按通用的幾何和文本格式輸出，能夠輸出AUTOCAD 圖形，能夠生成數控加工程序；能夠進行相應的測量編程與自動測量功能。

2.1.3 檢測結論

依據閘門制造詳圖及《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》GB/T 14173—2008，對威海市南海新區香水河擋潮閘工程編號為1#的雙拱曲面鋼閘門主要幾何尺寸進行了檢測（抽檢），所檢項目全部合格。

2.2 閘門焊接質量檢測

2.2.1 檢測方法

根據《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》GB/T14173-2008、《水工金屬結構制造安裝質量檢驗通則》SL582-2012、《水工金屬結構焊接通用技術條件》SL36-2007、《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果的分級》GB11345-2013 等技術標準，對設備制造焊縫的外觀質量和內部質量進行檢測。相應的檢測方法和檢測比例按上述技術標準要求執行。

2.2.2 檢測儀器

焊縫外觀采用焊縫檢驗尺進行檢測；對焊縫表面質量有懷疑時，用磁粉探傷機檢測。焊縫內部質量采用全數字智能超聲波探傷儀PXUT-320C 進行檢測。

2.2.3 檢測結論

依據有關規范，對編號為1#的閘門主梁翼板對接焊縫與腹板對接焊縫進行了超聲波檢測，未發現超過驗收等級的缺欠反射回波信號，檢測質量評定為合格。

3 結 論

威海市南海新區香水河擋潮閘大跨度雙拱曲面閘門為原創性新型閘門，根據閘門的結構特點，金屬結構設備制造監理重點對正反向拱的制作、焊接變形控制和檢測方法等進行了過程控制，取得了較好的效果。工程自2018 年汛前投入運用至今，閘門啟閉靈活、止水嚴密、運行狀況良好，大幅提高了當地防風暴潮能力，對保障區域供水安全、促進當地經濟發展和社會穩定發揮了重要作用。