水电站超大型弧门制造工艺研究与应用

水电站超大型弧门制造工艺研究与应用

费发樱

中国水利水电第四工程局有限公司  青海 西宁 810000

摘要：通过对超大型弧形闸门的结构变形控制技术、大型结构件的振动消应处理技术、弧形面板整体加工技术、侧止水座面整体加工等关键技术的创新、研究与应用，总结形成了一套成熟的超大型弧门制造工艺，具有推广意义。

关键词：超大型弧门；制造工艺；研究应用

1拼装专用工作坑的建造

由于拼装后弧门门叶高度大，单元起吊重量大，若按照常规方案在地面上进行拼装，一般的厂内起重设备难以满足起升高度要求，必须配备起重能力超大的汽车吊，其使用成本高，不利于厂内长期或批量制造。为此专门设计建造弧门拼装专用工作坑，从坑底到地面进行斜面过渡，过渡斜面上预设锚板进行生根、加固和定位。超大型弧门的拼装充分利用车间地面以下的负高程空间，使起吊高度大大降低，同时也降低了整个车间厂房总高度，节约了加工车间建造成本。工作坑位置配套龙门吊，能够满足超大型弧门的起吊。

2 超大型弧门整体弧面加工

2.1 加工工装设计制作

为了满足设计精度要求，设计制造一套整体弧面加工专用工装，该工装以整体立拼找正后的弧门为基础，以支铰圆心作为工装轴心，面板外缘曲率半径理论值为加工半径，对弧门面板整体进行加工，该工装的投入使用，使超大型弧形工作门一次立拼、一次加工、一次验收得以实现。

2.2 弧面加工工艺

在弧门面板整体加工前，要求总拼后的弧门各项技术指标符合规范[1]要求，对检查数据作出记录，且标出控制点、线，为弧门的工地安装提供方便。弧门面板采用专用工装架和动力铣进行加工，动力铣置于工装横梁的行走轨道上，通过工装架绕支铰中心旋转和在轨道上横向走刀完成弧面的整体加工。

加工工装设计原理：加工工装由动力铣和工装架两部分组装，其中工装架又分为定位轴、旋转梁、横梁三部分，横梁上铺设钢板组成操作平台，各梁体均由钢板组焊成工字梁或箱形梁。

加工时通过定位轴将整个工装架连接在铰座上，动力铣每横向加工一次后再通过工装架绕弧面上下运行，铰座、铰链由专用工装轴进行定位。

加工前先利用加工装备整体划出门叶两侧的加工线、控制线，然后整体检测加工线、控制线尺寸无误后，再进行弧面加工。

根据动力铣的走刀路线，加工后的弧面呈折线式弧形曲线。加工分粗铣、精铣两次进行，形成的高点到弧面的距离约为0.1mm。加工方向从门叶底缘到顶缘依次进行，成型后弧面曲率半径偏差控制在±1mm之内。

为防止加工时出现震动，工装架通过两侧定位块与门叶侧水封座面上的螺栓孔连接成一体，用定位销固定，沿弧面上下进刀采用门机起吊工装架绕支铰中心旋转即可。

3 弧门侧水封座板整体加工

设计要求弧门侧水封座面整体平面度≤1.0mm，面板宽度偏差为±1.5mm。为满足以上精度要求，专门设计了门叶装夹弧形工作台，弧形工作台和门叶面板两者的曲率半径完全一致，两侧弧形台各布置一台动力铣床，弧门门叶在工作台上找正后，控制两水封座面间距，同时整体加工两侧水封座面。

4 结合面整体加工

在弧门制造中，门叶与支臂、支臂与支铰、支臂分节间的结合面间隙控制，是制造中的技术难点和重点，为了满足结合面的技术要求，专门配置落地镗铣床，床体总长度22米，总高度2.5米，能够满足门叶后翼板垫板、支臂前后端连接板、分段连接板等的整体加工。

5 焊接残余应力振动时效处理

根据设计要求，单节门叶、支臂、支承大梁组焊完毕，机加工前，须采取有效措施消除焊接应力及变形。

焊接残余应力的消除方法大致分为：自然时效、热时效、振动时效[2]、静态过载时效、热冲击时效等，其中最常见的为自然时效和热时效。但水工金属结构制造一般工期紧、任务重，自然时效难以保证工期，热时效很难找到如此大的退火炉，而且成本很高。相比之下 ，振动时效处理经济、环保、快速且方便。

振动时效处理是将构件用特定的弹性物体支承好，其支承位置尽量选在构件共振时的节线处。再将激振器刚性固定在离节线稍远的位置与控制系统连接好，上述准备工作完成之后，进行振动处理工艺数选择：打开控制器开关，使激振器处于最低转数，打开记录器、动态应变仪等仪器开关，逐渐调整激振器的频率旋钮（或自动选频按键），同时观察记录器上画出的曲线，当构件出现共振现象时，振幅-频率将出现一个波峰，动应力曲线也将出现一个最大值，一直扫频到控制器的额定频率时，由上述曲线可以观察到在设备允许的范围内构件可出现的共振次数及其共振频率和在共振的情况下动应力的最大值。

在共振的同时，注意观察构件的振型，以调整支承位置到节线上。在停机后可再适当调整激振器的位置，以使构件产生最大的振幅。支承点位置、激振器激振力档级调整好之后，开始进行振动时效处理，将控制器调到构件的共振频率上使其共振，同时进行时间-振幅曲线的测量，以观测振动时效的效果。经30分钟的处理，振幅-时间曲线变平，这时降频到初始频率后再进行第二次幅频特性扫描，即可在同一记录纸上得到两条幅频特性曲线，对比两条曲线的区别是共振频率下降、共振峰左移、峰值升高。

6 超大型弧门焊接技术

减少和防止焊接变形是弧门制造的一道关键工序，弧形工作闸门板厚从20～60mm，一、二类焊缝要求全部焊透，可采用手工焊、气体保护焊和埋弧自动焊。焊接位置涉及平焊、立焊、横焊和仰焊等。尤其是一、二类焊缝的对接缝、组合焊缝等焊缝厚度大、焊缝层数和道数多，焊缝质量要求高，焊接电流、电压以及线能量和焊接环境的控制直接影响焊缝质量，也带来很大难度。

主横梁、支臂的对接缝为一类焊缝，腹板与翼板的组合焊缝为二类焊缝，面板的对接焊缝为二类焊缝，吊耳板的对接焊缝为一类焊缝，吊耳板与门叶的组合缝为二类焊缝，一、二类焊缝全部要求焊透，焊缝密集，焊接量大，焊后容易产生大的焊接残余应力和焊接变形。

为满足焊缝高质量要求，必须针对外部焊接条件和焊接质量特征进行大量焊接工艺试验和焊接工艺评定，以合格的工艺评定为依据制定焊接工艺，最大限度消除残余应力和减小焊接变形。其中针对弧门的有:板厚40mm低合金钢对接的平焊、立焊、仰焊焊接工艺评定试验。

焊接过程中对关键和薄弱焊接部位采取履带加热片焊前预热和焊后后热，考评、选拔优秀的焊工按拟定的焊接顺序进行不间断施焊，并进行现场焊接记录，从工艺的角度保证焊缝质量。针对焊接现场风速、湿度等影响因素，采取防风、防潮等各种应对措施，以保证施焊条件与焊接质量。

7 超大型弧门制造技术保证措施

下料采用数控火焰切割机，以保证零部件的尺寸偏差及精度；各坡口及边面采用刨边机、龙门刨等设备进行加工，以保证焊接质量、定位边和定位面的准确性；为减少焊接变形和残余应力，大量采用CO2气体保护焊进行焊接；搭设弧形装配台，进行门叶整体放样、组装和焊接，有效控制节间误差、面板整体弧度等，保证了弧门门叶的制造精度。

支臂先进行单节组焊，然后通过两次整体拼装和连接板面的加工，保证与门叶、支铰连接面的间隙偏差和支臂本身的制造精度。门叶、支臂在整体组焊完毕，在加工前进行整体振动时效处理，有效减小和消除焊接残余应力。

弧门进行两次整体预拼，第一次拼装解体后需进行面板修边、侧止水座面加工、主梁后翼板垫板加工、消缺等工作，第二次拼装合格后进行弧面的整体加工，附件装配等，最后进行出厂验收。

8 结束语

超大型弧门制造工艺的研究、创新与应用总结，在保证质量、加快进度、降低成本、减小能耗、保护环境等方面有积极作用，社会和经济效益显著，推广应用前景广阔，给其它工程建设提供借鉴经验。

参考文献

[1]  NB/T 35045-2014.水电工程钢闸门制造安装及验收规范[S].北京:中国电力出版社.2015

[2] 王猛.振动消除应力的原理与应用[J].热处理,2010,25(0):57-59.