中国水利水电第七工程局有限公司水工机械厂 四川彭山 620860
摘要：带融冰装置的超大型弧形闸门主要由门槽埋件、支铰、支臂、门叶及融冰装置等组成，除支铰外其余均为焊接结构件，其外形尺寸大、结构复杂，焊接工作量大、焊缝质量要求高，设备接口关系多，涉及构件制造、机械加工、融冰设备电气安装及调试等多方面的工艺技术问题。本文结合多年来弧形闸门制造的实践经验，介绍带融冰装置超大型弧形工作闸门的制造工艺和技术措施。
关键词：超大型；融冰装置；弧形闸门；制造技术
一、前言
藏木水电站是目前西藏最大的水电开发项目，也是雅鲁藏布江干流上规划建设的第一座水电站，大坝水库正常蓄水位为3310米。由于该电站地区的海拔比较高，冬季气候条件非常严寒，水面上会长期出现覆冰，为避免水面覆冰的压力对闸门造成破坏，防止闸门启闭运行时对启闭机造成损坏，并防止对门叶水封橡胶装置造成撕裂损坏的现象。因此在弧形工作闸门门槽结构的内部设固定式融冰冻装置（如图1所示），在弧形工作闸门门叶的迎水面设移动式融冰冻装置（如图2所示），以防止临近闸门及门槽钢结构表面的水凝结成冰。
藏木水电站溢流坝弧形工作闸门共6套，其中3套设有融冰装置，均为露顶式弧形闸门，孔口尺寸15m×19.6m（宽×高），闸门底坎高程3290.831m，支铰中心高程3299.831m，设计水头19.169m。闸门门叶宽14960mm，面板弧长20412.4mm，弧面半径为R21000mm，门叶为双主横梁斜支臂框架结构，共分7节制作，支铰为球铰，支铰与支臂连接形式为高强度螺栓连接，单套闸门重约323.547t，主材材质均为Q345B。
弧形工作闸门门槽埋件的融冰装置设在水封座面的背侧，从门槽底端至顶端通长设置。而门叶融冰装置设在门叶顶端迎水面7m范围内，即闸门全闭时融冰装置导槽的底端高程在3303.825m，保证热板在死水位和正常蓄水位之间根据水位的变化上下浮动。
二、制造主要技术要求及关键控制点
1、弧形闸门埋件及门叶的制造、组装、焊接和质量控制技术条件必须符合施工详图和DL/T5018-2004规范的要求。
2、门叶面板拼板缝错开主横梁、小梁及隔梁200mm，且上下节门叶面板的拼缝错开500mm以上。
3、门叶对角线差≤5.0mm，支臂开口处弦长差≤4.0mm。支臂与门叶主横梁连接面、支臂与支铰连接面机加工Ra12.5μm。
4、制作关键质量控制点：门槽埋件及热管的曲率半径，门叶面板的曲率半径，主横梁制作的焊接变形，门叶整体装配的相关尺寸，一、二类焊缝的质量，融冰热板的制作，支臂的放样及制作，支臂端头板的机加工，闸门整体的预组装。
三、制作工艺流程
制作前的技术准备→材料进厂检验→板、型材矫正→部件切割下料 →单元零部件制作（包括门槽埋件热管的卷制、组焊；门叶主横梁组焊、边梁组焊、隔梁组焊、吊耳组焊、面板弧度卷制、上下支腿组焊、支腿竖杆组焊、融冰导槽及热板制作等）→整体放样组装及焊接（包括门槽放样组装、整体焊接、矫形及水封座面机加工；门叶面板铺设拼焊、面板焊后整体弧度检测及调整、整体放样、整体组焊、翻面矫正及尾工处理；支臂整体放样、整体组焊、矫正及后端板机加工）→预组钢平台上分别放出门槽及门叶整体预组装的地样→门槽单侧整体预组、门叶整体预组（门叶预组包括门叶、支臂和支铰）→分别解体防腐。
四、制作前准备
1、场地准备
制作场地包括零部件制作、拼装焊接和整体预组装场地。其中门槽埋件及门叶零部件制作在车间内的钢板平台上进行，门叶拼装焊接在车间外弧门专用拼焊胎架上进行，支臂拼装及总体预组装在车间外闸门大组专用钢平台上进行。
2、搭设弧形闸门门叶组装焊接弧形工作胎架
弧形闸门门叶组装采用卧式组装法，即面板凹面朝上，梁系结构在其上部的组装方法。由于弧形门叶在制作焊接过程中，不仅存在纵向和横向的收缩变形，还存在沿径向的收缩变形，使弧门在组装焊接后的曲率变小，其变小量Δ约为面板弧长的0.5∕1000，如图3所示。
因此在搭设弧形整体组装焊接工作胎架时，应将弧形工作胎架的曲率半径放大，以给予门叶焊接后的收缩补偿。其曲率半径放大值根据上述可确定为21090mm，如图4所示。
五、带融冰装置弧形工作闸门门槽制作
带融冰装置弧形工作闸门门槽与一般弧门槽相比，主要是在门槽侧轨水封座面的背部设置了融冰热管，根据使用功能要求，热管部分须进行整体制作并打压试验，其试验压力不得小于0.2MPa。由于该弧门槽弧长为24.790m，无法整体制作运输，只能分段制作，但分段制作后热管又不能先与门槽在厂内组焊，因热管与门槽面板若先组焊，则分段处的现场焊缝在焊接时，无法保证门槽背面热管对接焊缝的焊接质量。
考虑这些因素的影响，采用将该融冰装置门槽分为门槽结构与热管结构分别分段制造及加工，在厂内分别进行大组验收后发工地现场，由现场安装单位先对门槽及热管分别进行整体大组及焊接，经矫形合格并对热管进行整体打压试验后，再将热管与门槽整体装配组焊成一体，最后整体进行安装。
带融冰装置弧形工作闸门门槽在制作过程中的主要难点在于门槽面板的焊接变形控制；门槽背面预留缺口宽度尺寸的控制；热管结构整体外形宽度尺寸及弧度尺寸的控制；门槽及热管扭曲的控制等。
六、带融冰装置弧形工作闸门门叶制作
1、主要零部件的制作
1）、面板
弧门门叶面板宽度和弧长方向下料均每米预留1mm的焊接收缩余量，且面板四周还需预留20mm的修切余量，待门叶整体焊接矫正后再进行修切。由于面板宽度超出卷板机的宽度，下料应分块下料，分别卷弧后在组装胎架上拼焊成整体，但分块时面板拼缝须错开主横梁、小梁及隔梁200mm，且上下节门叶面板的拼缝应错开500mm以上。面板卷弧时端头200mm范围应先压头，用样板靠弧检查，合格后进行整板卷弧，卷弧的曲率半径应与弧门胎架曲率半径一致。
为减少焊接变形，面板拼缝的坡口采用机加工，单节门叶面板的凹面开2/3板厚的“U”型坡口，凸面开1/3板厚的“V”型坡口。焊接时采用手工电弧焊进行焊接，先焊凹面，凸面待门叶整体拼焊翻身后再进行清根焊接。
2）、边梁及隔梁
弧门门叶弧度准确度的关键可依靠边梁及隔梁腹板的弧度来控制，在边梁及隔梁腹板下料时必须由数控切割机来完成，其曲率半径应与放大后的弧形工作胎架相同。边（隔）梁翼缘板与腹板焊接采用手工电弧焊和埋弧自动焊均可，装配焊接及矫正完成后与门叶面板待组。
3）、主横梁及支腿
该弧形工作闸门门叶的主横梁和支腿均为箱型梁，是弧门零部件制作中的重点和难点。组装时应先在下翼缘板上划线组装隔板，并控制隔板的垂直度≤1.5mm，然后组装两侧腹板，最后组装上翼缘板，两腹侧板与隔板以及翼缘板相互垂直，对装间隙应≤1.0mm。组装完成后加固焊接，其中腹板与翼缘板的组合焊缝采用1/3及2/3的双面“J”型坡口，装配时小坡口侧在内采用手工电弧焊焊接，大坡口侧在外采用埋弧自动焊焊接。
箱型梁的焊接顺序为：先焊腹板与隔板的立焊缝，再焊隔板与翼缘板的角焊缝，最后分段跳焊腹板与翼缘板的组合缝，焊接人员要求为偶数且对称施焊，焊完箱体内的焊缝，再用船形埋弧自动焊焊接箱体外的组合焊缝。箱型梁焊接后产生的变形采用机械和火焰加热相结合的方法来矫正，矫正合格后分别待组。
2、门叶的整体组装及焊接
门叶整体组装前先根据设计图纸在面板的内弧面放出主横梁、水平次梁、边梁、隔梁及吊耳等的位置线，同时每米应预留1mm的焊接收缩余量。放样经检查合格后打上样冲眼做为标记，然后进行各种零部件的整体组装。组装过程中要注意各拼接缝要顶紧，局部间隙不应超过1mm。组装完后，按设计图纸及规范要求进行检查验收，确定各形位尺寸符合规范要求后，对各条焊缝加固后进行施焊。
门叶整体施焊由偶数焊工同时、同步、分段、对称、倒退施焊，分段长度以500mm为宜，并应遵循由门体中部逐渐向四周发展的施焊顺序进行焊接，以便于焊缝应力均匀释放，减少门叶的整体变形量。其中主横梁、水平次梁及边梁与面板角焊缝的焊接，应采取多层多道焊接，且第一层焊缝的焊角应尽量偏小，以减少焊接变形。
门叶内弧面方向焊缝全部焊接完成后，将门叶拆下弧门胎架并翻身，用碳弧气刨清根后焊接外弧面面板焊缝和其它剩余焊缝，最后矫正及检验，合格后与支臂整体预组装。
3、支臂整体大组、焊接及加工
支臂整体组装应先在钢平台上根据设计图纸的相关尺寸进行整体放样，放样后采用吊坠的方法依次组拼支臂总成、支腿及竖杆，并检查无误后焊接。待支腿焊接完成后，对支臂整体按照所放地样进行复检，确认合格后对支臂后端板进行划线、机加铣削连接面，并配钻与支铰的连接螺栓孔，最后支臂整体与门叶整体预组装。
4、门叶融冰装置制作
1）融冰装置工作原理
融冰装置是在密封的容器内充装适量的传热介质，当在容器的传热介质端加热时，介质吸收热量后迅速的气化，将热量传递到容器的另一端放热，放出热量后的气体凝固落回到加热段。如此循环不己，热量由容器的一端传至另—端。
2）门叶融冰装置的组成
门叶融冰装置由传热装置、加热装置、导热介质、传感器、控制系统等组成。其中传热装置须制作成一个密闭的容器，在容器内填充一定量的导热介质，导热介质内放入套管，套管内放入电加热装置。容器上端安装有压力传感器、温度传感器，并通过导线与电器控制柜相连接形成带电加热的门叶热板。
3）门叶融冰装置制作
弧形工作闸门门叶融冰装置分导向槽和热板制作。其中导向槽为U型折弯件，并在一侧的翼缘上装焊与门叶面板相接的连接板，制作过程中主要控制导槽的开口尺寸偏差应≤2.0mm，且导槽整体直线度≤2.0mm；热板在单套门叶迎水面的左右侧各设一件，热板采用浮箱的形式制作，以型钢骨架为主，在骨架内布置热管的管路，热管管路与骨架的间隙采用保温材料进行填充，最后在钢骨架的外侧敷设2mm厚不锈钢板进行四周水密性封焊形成浮箱，并在热板浮箱的两端端面上以及两端的前后侧装焊导向滑条，且前后导向滑条的距离应小于导槽开口尺寸20mm，以保证热板浮箱能在导槽内根据水位的变化自由上下浮动。
其次，因热板浮箱为焊接结构件，通过组装焊接很难保证浮箱自重与浮力的平衡，以及浮箱自身的平衡，因此在热板浮箱制作完成后须在预制的水箱中对每个浮箱进行调试，以保证浮箱在现场安装后正常的运行。导槽及浮箱制作完成，经检验及调试合格后在门叶整体预组装配时不参与大组，因门叶上主横梁以上的两节门叶不参与门叶整体立组装配。
5、弧形闸门厂内整体预组装
弧形闸门厂内整体预组装采用立式组装法，即支臂下支腿水平放置于钢支墩上，门叶竖起的方式进行预组，如图5所示。
组装前先在钢平台上测放出支铰中心线、支臂中心线、门叶整体中心线、面板外缘与底坎的交线等，并在各支墩及钢平台上测出相对高程，作出标记点，然后按放样依次进行支臂、支较及门叶的整体装配。其中第二节及第一节门叶重心太过靠向与支臂侧，且高度较高不易加固，因此组装只进行下面五节门叶的组装。
门叶整体组装调整完成后，检测相关形位尺寸，符合设计图纸及规范要求后进行支臂前置板的焊接，最后根据曲率半径划支臂前置板铣削加工线，整体拆组后对支臂前置板进行机加铣削。同时将第三节门叶与第二节及第一节门叶整体进行平卧组装，并检查其相关形位尺寸，以及整体弧度、节间配合等，均合格后拆组防腐。
七、有待解决和完善的问题
根据藏木水电站溢流坝带融冰装置弧形工作闸门实际投产运行情况分析，现有以下问题还需解决和完善。
1）门槽与门叶水封间的结冰是在门叶水封的背面侧，因此为更好更快速地溶解门叶水封两侧的结冰，可以将门槽埋件的融冰热管向内弧侧整体偏移50mm。
2）门叶融冰热板浮箱的平衡调试精度要求还需提高，以保证融冰热板在实际工况下的平稳运行。
3）门叶融冰热板导槽的结构形式需进一步改善，取消导槽内的橡胶垫以减少摩擦阻力，保证热板浮箱的正常运行。
4）门叶融冰装置导槽与热板的配合间隙需进一步优化，减小间隙，以避免水面上的漂浮物卡阻在导槽内，使融冰热板不能根据水位的变化而正常上下浮动。
八、结语
制定并实施正确的工艺措施是保证制造质量的有效措施，该带融冰装置的超大型弧形工作闸门的制作工艺和技术措施，在藏木水电站溢流坝弧形工作闸门制作中运用效果良好，可为高海拔地区超大型带融冰装置弧形工作闸门的制造提供一定的参考和借鉴作用。
参考文献：
[1] DL/T 5018-2004，水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范[S].
[2] 张民.大型弧形闸门制造焊接技术及质量控制[J].水利水电施工.2009，（1）.
[3] 李娟，赵书杰.浅谈弧形闸门的制作工艺.水电施工技术.2013，（4）.
作者简介：
王国兴，（1984----），男，本科，工程师，从事水电金属结构制作及安装技术管理工作12年。
论文作者:王国兴
论文发表刊物:《基层建设》2016年30期
论文发表时间:2017/1/13
标签：闸门论文; 弧形论文; 装置论文; 面板论文; 曲率论文; 工作论文; 横梁论文; 《基层建设》2016年30期论文;