大藤峽超大型三支臂潛孔弧門制造技術(shù)

何 運(yùn)

（中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 樂山 614100）

1 概述

廣西大藤峽水利樞紐工程，為港珠澳大灣區(qū)水資源配套工程，其中底孔弧門用于庫(kù)區(qū)蓄水、泄洪及下游水資源調(diào)配，是大藤峽水利樞紐工程的核心設(shè)備之一。安裝于大壩泄水孔，由門葉、支臂、鉸鏈、弧門埋件及附屬設(shè)施組成。用于蓄水、調(diào)水、泄洪，閘門運(yùn)行過程中承受靜載荷和動(dòng)載荷[1]，具有局部開啟和動(dòng)水啟閉功能。

1.1 弧門特點(diǎn)

大藤峽大壩左右岸合計(jì)25套弧門，弧門安裝在水面以下39 m處，孔口寬度9 m，高度18 m，弧面半徑33 m，弧門為三腿支臂結(jié)構(gòu)，雙主縱梁結(jié)構(gòu)門葉，弧門的弦高21.6 m、弧長(zhǎng)24.13 m；門葉縱向分3節(jié)，最大運(yùn)輸單元長(zhǎng)22.16 m，單節(jié)寬3.14 m，高2.29 m，重達(dá)90 t。單片支臂165 t，弧形閘門自重載荷[2]為7 150 kN，為目前世界上半徑最大、體積最大、重量最重的潛孔式弧面加工的特大型弧門。

1.2 結(jié)構(gòu)難點(diǎn)

弧門外形尺寸超大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接變形難控制；弧門面板超長(zhǎng)，無(wú)法一次裝卡完成加工，加工精度難保證；立拼安全風(fēng)險(xiǎn)高，預(yù)拼裝難度大。孔口寬度大，弧形閘門高度高，設(shè)計(jì)水頭高?；￠T承受總的水壓力58 837 kN。采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)后拉式動(dòng)水啟閉，閘門為中、厚板焊接結(jié)構(gòu)，大多數(shù)焊縫設(shè)計(jì)要求全熔透，焊接要求高。三支臂組合結(jié)構(gòu)，尺寸大，重量重，支臂362.3 t/套，拼裝難度高。門葉為三節(jié)縱向組合結(jié)構(gòu)形式，單節(jié)尺寸大，重量大。吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)難度極高，弧門邊節(jié)門葉 2節(jié)，89.24 t/節(jié)；中節(jié)門葉1節(jié)，39.5 t/節(jié)。弧門整體拼裝難度大,弧門自重715 t，對(duì)支臂、門葉及支鉸座等的吊裝檢測(cè)要求高。結(jié)構(gòu)件消應(yīng)難度大,結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用震動(dòng)消應(yīng)，震動(dòng)點(diǎn)的選擇難度高。超大型門葉弧面加工難度大。支承鋼梁?jiǎn)渭兀跹b、翻身、轉(zhuǎn)運(yùn)難度大，焊縫質(zhì)量要求高。尺寸15.1 m×4.7 m×4.013 m；單件重量230 t，在工地現(xiàn)場(chǎng)制造。

2 制造工藝措施

針對(duì)制造難點(diǎn)進(jìn)行深入分析，特別是弧面加工精度的控制，弧門多套批量制造的特點(diǎn)，進(jìn)行工藝流程優(yōu)化及制定廠內(nèi)預(yù)拼裝方案，制定詳細(xì)的技術(shù)措施。采用分段制造、分段加工、側(cè)向拼裝工藝,通過科學(xué)的制造施工流程，嚴(yán)謹(jǐn)優(yōu)化的技術(shù)方案，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的制造方法，實(shí)現(xiàn)快速、安全、環(huán)保的施工作業(yè)。

2.1 門葉結(jié)構(gòu)的制造精度控制

弧胎精度和承載能力的控制。門葉結(jié)構(gòu)重量重、尺寸大，門葉拼裝弧胎應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛性，預(yù)放焊接收縮量，采用高精度全站儀檢測(cè)控制弧胎尺寸精度。門葉面板與弧胎緊密貼合，縱主梁?jiǎn)为?dú)拼焊滿足要求，控制拼裝間隙，通過焊接工藝中的焊接規(guī)范、順序等要求控制焊接變形，焊接過程中監(jiān)控門葉變形并及時(shí)調(diào)整焊接順序。通過工件擺放狀態(tài)、支墊方式等措施，確保消應(yīng)變形可控。應(yīng)用高精度測(cè)量技術(shù)，精確測(cè)量門葉結(jié)構(gòu)尺寸，測(cè)量確定各部位的加工余量，標(biāo)識(shí)出基準(zhǔn)線和定位點(diǎn)。

2.2 門葉結(jié)構(gòu)多次預(yù)拼裝措施

該閘門門葉縱向分3節(jié)，去應(yīng)力前在門葉結(jié)構(gòu)靠弧面位置的節(jié)間，設(shè)置輔助定位裝置保證弧面復(fù)位和定位精度；節(jié)間設(shè)置輔助定位裝置保證多次拼裝橫向直線度重復(fù)精度；結(jié)合預(yù)拼裝與配合面加工，結(jié)合整體預(yù)拼裝的要求和配合面加工定位與找正的要求，統(tǒng)一確定設(shè)置的定位裝置和劃線基準(zhǔn)。

2.3 分段多點(diǎn)位振動(dòng)消應(yīng)措施

引入頻譜分析技術(shù)，采用多點(diǎn)位、多頻段的振動(dòng)時(shí)效方案，解決超重、超大、高剛性復(fù)雜梁形結(jié)構(gòu)支承鋼梁、復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)褲叉焊接件的殘余應(yīng)力消除難題。

支臂先按標(biāo)準(zhǔn)位置取兩彈性支墊支撐工件，激振器分別選兩端及正中間共三點(diǎn)牢固裝卡，根據(jù)試振效果，可在支臂斜撐桿間增設(shè)加強(qiáng)板以提高支臂的穩(wěn)定性[3]， 適時(shí)調(diào)整支點(diǎn)、激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)位置，以達(dá)到最佳效果。門葉弧面朝下，按標(biāo)準(zhǔn)位置取兩點(diǎn)支墊好工件，激振器分別選兩端及正中間共三點(diǎn)牢固裝卡，分三次完成振動(dòng)即可；褲衩平放，選三點(diǎn)彈性支撐，激振器在支點(diǎn)之間位置選2~3個(gè)點(diǎn)牢固裝卡；支承鋼梁按標(biāo)準(zhǔn)位置取兩支點(diǎn)墊好工件，激振器分別選兩端及正中間共三點(diǎn)牢固裝卡，分三次完成振動(dòng)即可；必要時(shí)，各點(diǎn)用頻譜分析，3~5個(gè)最佳頻段進(jìn)行振動(dòng)。

2.4 模塊化預(yù)拼裝措施

根據(jù)規(guī)范要求，弧門在完成拼焊、支臂及面板加工后完成立體組裝進(jìn)行交驗(yàn)檢測(cè)，常規(guī)工況是正立拼裝，由于該弧形閘門單件或單部件重量和尺寸都很大，且是極少有的縱向分三節(jié)，門葉支臂的吊裝就位安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量控制均存在較大的風(fēng)險(xiǎn)且由于弧門尺寸較大在工況立拼狀態(tài)下取檢測(cè)數(shù)據(jù)特別困難，該弧形閘門具有高寬比較大的特點(diǎn)，故對(duì)門體拼裝方案、拼裝工裝及總拼工藝進(jìn)行了優(yōu)化。通過參數(shù)化建模技術(shù)[4]建立圖1弧門模型。

圖1 弧門模型

門葉和支臂部件單獨(dú)組拼合格、第一片右支臂側(cè)拼于支撐工裝上、配上鉸心同軸度檢測(cè)工裝及左活動(dòng)支鉸調(diào)整好、側(cè)拼右側(cè)門葉、調(diào)整門葉與支臂的連接對(duì)位及檢測(cè)半徑合格、加固右門葉支臂、側(cè)拼中節(jié)門葉、調(diào)整與右門葉的面板錯(cuò)位及垂直度合格、對(duì)右中門葉間的連接部位進(jìn)行加固、在右支臂上平面的上中下支臂上吊裝專用可調(diào)式支撐工裝、吊裝左片支臂于可調(diào)式支撐工裝上、調(diào)整左支臂上中下前端板及后端板中心與左支臂的重合度及左右支臂中心的開檔尺寸、吊裝就位左節(jié)門葉、調(diào)整其與中節(jié)門葉面板的錯(cuò)位、垂直度及與支臂端板中心重合度、配上左活動(dòng)支鉸及調(diào)整與右支鉸鉸孔中心的同軸度、加固左門葉與支臂、后端板與支鉸的連接、精調(diào)左右支鉸孔同軸度及面板至鉸心的半徑尺寸、按要求檢測(cè)量取各檢測(cè)尺寸、交驗(yàn)。

通過以上弧門大拼組裝工藝優(yōu)化，最大程度上降低了按常規(guī)工況立拼門葉支臂的吊裝就位安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量控制的風(fēng)險(xiǎn)，在此拼裝狀態(tài)下同樣滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品交驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)的獲取。

模塊化拼裝：下片支臂拼裝、上片支臂拼裝、上、下支鉸、底節(jié)門葉、中節(jié)門葉、上節(jié)門葉、焊邊節(jié)門葉中接縫焊支臂前端板。

2.5 可調(diào)節(jié)工裝措施

弧門門葉疊加拼裝操作方便。門葉底節(jié)、中節(jié)及頂節(jié)拼裝均在水平面，吊裝簡(jiǎn)單、找正操作方便，門葉表面測(cè)量方便。測(cè)量弧門表面直線度均在垂直平面內(nèi)，測(cè)量簡(jiǎn)單，可調(diào)結(jié)構(gòu)操作方便。這種可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)給大拼操作者帶來(lái)很大方便，固定支撐工裝確定底平面支臂高度，可調(diào)支撐工裝根據(jù)上平面支臂的高度，通過調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)節(jié)支臂的安裝高度，支臂也變成水平吊裝。

3 制造技術(shù)應(yīng)用

3.1 縱向分節(jié)弧門門葉橫向分段制造技術(shù)

該弧門門葉面板外緣半徑33 m，最大弧長(zhǎng)22.16 m，寬9 m，總重每套254 t。門葉結(jié)構(gòu)采用縱向分節(jié)工地連接的方式，故每節(jié)門葉的面板弧長(zhǎng)都達(dá)到22.16 m。三節(jié)門葉最重的一節(jié)達(dá)到97 t，最輕的一節(jié)也達(dá)到60多t。工廠的制作車間，橋式起重機(jī)的最大起重量為50 t，滿足不了單節(jié)縱向分節(jié)門葉重達(dá)97 t的起重要求。即使兩車合吊，也存在吊裝的風(fēng)險(xiǎn)，50 t橋機(jī)不能長(zhǎng)期工作在極限重量的范圍。改造加大橋機(jī)容量，存在廠房主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，行走鋼梁強(qiáng)度問題。門葉長(zhǎng)度22.16 m，單節(jié)寬度3 m多，車間跨度22.5 m，整體轉(zhuǎn)運(yùn)車間跨度受限，即使雙車起吊問題解決，也無(wú)法吊裝旋轉(zhuǎn)及現(xiàn)場(chǎng)翻身[1]。

采用每節(jié)縱向門葉橫向分段制作，就能達(dá)到起重和轉(zhuǎn)運(yùn)要求，同時(shí)也提高制造廠的加工能力。由于弧門整個(gè)弧面需要加工，受制造廠大型加工設(shè)備的限制，大型加工設(shè)備數(shù)量有限，弧長(zhǎng)達(dá)22.16 m的弧面加工，對(duì)設(shè)備的要求更高，而門葉橫向分段后，更多機(jī)床適合門葉弧面加工，達(dá)到批量弧面的加工要求，并縮短生產(chǎn)制造周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

分段制造技術(shù)在針對(duì)超大超重型縱向分節(jié)門葉的生產(chǎn)過程中，由于起重設(shè)備和加工設(shè)備滿足不了生產(chǎn)的需求而采用的一項(xiàng)制造技術(shù)，具有可操作性強(qiáng)，減少超長(zhǎng)件的加工變形，便于轉(zhuǎn)運(yùn)，縮短生產(chǎn)周期的特點(diǎn)。在制作步驟上，與傳統(tǒng)的弧門制作區(qū)別在于弧面加工完后，在大拼現(xiàn)場(chǎng)，利用弧形工裝，弧形檢驗(yàn)樣板，把分段的上下門葉焊接為一體。焊接完成后，能保證弧面，弧度與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求一致。門葉橫向分段上節(jié)（外緣弧長(zhǎng)11.5 m）；門葉橫向分段下節(jié)（外緣弧長(zhǎng)11.66 m）在搭制的鋼制弧臺(tái)上增設(shè)橫撐、豎撐、斜撐、夾緊裝置。分段拼裝如圖2，便于分段的上下節(jié)門葉在弧面拼裝焊接。

圖2 弧臺(tái)門葉分段拼裝

由于門葉加工后焊接，在分段處焊接形成整體，故對(duì)焊接變形的控制要求相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確。采取系列控制焊接變形的措施：焊接收縮，對(duì)接縫焊接完成后曲率半徑將會(huì)有一個(gè)縮小的趨勢(shì)，故在大拼狀態(tài)下，上下節(jié)門葉對(duì)接處，弧門曲率半徑，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算放大一定量的焊接預(yù)收縮量；門葉大拼對(duì)接狀態(tài)下，門葉與支臂前端板使用螺栓緊固，再用加固板連接，使門葉與支臂牢度連接，控制焊接變形；在面板內(nèi)弧分段處設(shè)置多排臨時(shí)加固板用于控制面板對(duì)接處的焊接變形；焊接采用小規(guī)范電流焊接，對(duì)稱焊接，焊接后消除焊接應(yīng)力。

3.2 焊接組合技術(shù)

門葉分段加工后，上、下兩段門葉在大拼狀態(tài)下的組合焊接，組合對(duì)接處開制出焊接坡口，在門葉組合處面板內(nèi)弧使用弧形加固板，增設(shè)足夠的弧形加固板，確保焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響，門葉對(duì)接焊縫以及橫向小梁對(duì)接焊縫均在大拼狀態(tài)焊接完成，消除焊接應(yīng)力，弧面打磨光滑，探傷檢測(cè)至焊縫合格，用內(nèi)弧樣板檢測(cè)弧面形狀。

3.3 模板劃線技術(shù)

門葉中節(jié)焊接完，震動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力之后，門葉呈側(cè)立狀態(tài)，在工地焊坡口上點(diǎn)焊小鋼板，作為劃線基準(zhǔn)塊。使用經(jīng)緯儀和水平儀找正調(diào)整好門葉，在找好半徑R33 m的基準(zhǔn)點(diǎn)情況下，使用劃線模板將基準(zhǔn)點(diǎn)連線，劃出門葉加工線，同時(shí)做出門葉加工后的檢查線。加工時(shí)采用刻畫基圓的方式，在數(shù)控機(jī)床上刻畫出加工基圓后，轉(zhuǎn)入數(shù)控機(jī)床加工。邊節(jié)門葉采用相同的方法劃出加工線和基圓線。加工完成，轉(zhuǎn)入大拼工序，大拼調(diào)整完成，邊節(jié)門葉對(duì)接焊完成之后，支臂前端板焊接完成，劃出吊耳孔內(nèi)孔與支鉸中心十字中心線。

3.4 弧面分段加工技術(shù)

超長(zhǎng)面板銑削加工，門葉長(zhǎng)度為22.16 m，數(shù)控銑鏜床X軸最大行程為12 m，單個(gè)加工行程超過工件長(zhǎng)度一半還多近1 m，該機(jī)床的最大工件擺放空間28 m，采用分段半段弧面加工的技術(shù)，應(yīng)用近景攝影測(cè)量技術(shù)，解決弧門大尺寸檢測(cè)精度問題。

3.5 側(cè)向拼裝技術(shù)

弧門常規(guī)拼裝方式為支臂立拼，針對(duì)該弧門門葉立拼，高和窄為超大型弧門，帶來(lái)安全、質(zhì)量及工期風(fēng)險(xiǎn)，特別是精度要求高的弧面加工弧門，半徑大，門葉高，縱向分節(jié)的大型弧形閘門。該弧門大拼采用門葉側(cè)向拼裝的方法及可調(diào)工裝，使弧門門葉拼裝高度降低，重心穩(wěn)定，方便移動(dòng)調(diào)整，易于操作[5]，側(cè)拼能夠克服傳統(tǒng)拼裝的一些不方便之處，對(duì)于門葉疊加拼裝、支臂的拼裝和調(diào)整找正，極為方便，整個(gè)拼裝都變成在不同水平面的調(diào)整和找正，克服了傳統(tǒng)立拼在空間范圍的調(diào)整和找正、操作困難的難題，使用可調(diào)節(jié)的定位工裝裝置，使支臂、支鉸座等定位準(zhǔn)確，降低操作難度[6]。

弧門門葉側(cè)向拼裝方法及可調(diào)式工裝裝置結(jié)構(gòu)：采用門葉支撐工裝、支臂支撐工裝、支臂可調(diào)支撐工裝、支鉸座可調(diào)支撐工裝、支鉸座支撐工裝有效的支撐門葉、支臂及支鉸座。支臂工裝及支鉸座工裝設(shè)置成可調(diào)式，弧門側(cè)拼見圖3。

圖3 側(cè)向拼裝

側(cè)拼流程：底片支臂+支鉸、頂片支臂+支鉸、支臂調(diào)整、底節(jié)門葉安裝、中節(jié)門葉安裝、頂節(jié)門葉安裝、調(diào)整端板、端板焊接。

側(cè)拼技術(shù)及模塊化分段制造，將門葉、支臂模塊化分段，采用標(biāo)準(zhǔn)化工藝焊接和加工，確保各模塊高精度制造，多工序多工位并行制造，提高了生產(chǎn)效率，解決了超大弧門制造技術(shù)難題，對(duì)批量制造提高效率更為明顯。

3.6 支鉸中心檢測(cè)技術(shù)

中心檢測(cè)裝置是基于弧門側(cè)拼的狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)適用于弧門門葉橫向分段，這種弧門結(jié)構(gòu)的中心檢測(cè)裝置，針對(duì)支鉸座中心很難找正的特點(diǎn)，采用一種新型的定位檢測(cè)裝置，來(lái)準(zhǔn)確定位及檢測(cè)，降低操作難度。檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)時(shí)考慮空間位置的因素，采用逐節(jié)加長(zhǎng)的辦法，適用于各種鉸座中心距尺寸的結(jié)構(gòu)，中心檢測(cè)裝置是采用指針旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，該裝置找正容易，接桿與底座可以通過加工保垂直度，底座可以通過水平儀找平，借助調(diào)整螺栓調(diào)整水平，再用緊固螺栓固定。

3.7 弧門不銹鋼面板塞焊復(fù)合技術(shù)

不銹鋼層切削量大且厚度均勻性難保證，成本高、效率低。超大弧面不平度與翹曲量大，需要增加至少10 mm的不銹鋼切削量。不銹鋼切削難度大、時(shí)間長(zhǎng)且易變形。要保證不銹鋼層最終厚度，面板厚度增加，從而增加弧門重量，影響啟閉設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施等工程設(shè)計(jì)，推高整個(gè)工程制造成本。因保證弧門面板不銹鋼層最終厚度≥4 mm，必須選不銹鋼層厚度≥14 mm的復(fù)合板材進(jìn)行焊接，其基材厚度則需≥42 mm。而實(shí)際設(shè)計(jì)面板僅需要25 mm的面板基材，足足增厚17 mm，單套增加27 t重量。

弧面不銹鋼板塞焊復(fù)合技術(shù)：弧面預(yù)加工滿足基體尺寸精度要求；在表面塞焊復(fù)合4~6 mm不銹鋼面板保證不銹鋼層厚度。不銹鋼與弧面碳鋼層的塞焊孔位及大小，經(jīng)設(shè)計(jì)與拉撥試驗(yàn)驗(yàn)證，通過三維有限元輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)塞焊復(fù)合孔點(diǎn)陣；制作試樣進(jìn)行拉撥試驗(yàn)驗(yàn)證。不銹鋼板進(jìn)行鉆孔、修邊、壓弧。工裝壓緊，進(jìn)行塞焊復(fù)合。

4 結(jié)語(yǔ)

潛孔弧門制造技術(shù)的瓶頸的突破，使我國(guó)在超大型弧門制造中處于領(lǐng)先地位，有利于促進(jìn)水電技術(shù)的進(jìn)步，為國(guó)家重點(diǎn)工程建設(shè)，提供設(shè)備的技術(shù)保障，模塊化分段制造、不銹鋼面板復(fù)合及弧門臥拼、調(diào)整、檢測(cè)等技術(shù)，完成大藤峽工程20多套超大型潛孔弧門的制造，獲得多方的好評(píng)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。保證弧形鋼閘門的正常、安全運(yùn)行，此類超大型弧門的制造施工技術(shù)值得推廣和應(yīng)用。