斜支臂弧形閘門焊接支鉸制造關(guān)鍵技術(shù)

張茂華

(中國水利水電第十工程局有限公司機電安裝分局，四川 都江堰，611830)

1 概述

近年來，斜支臂弧形閘門焊接支鉸的應(yīng)用在不斷增多，與常規(guī)的斜支臂弧形閘門相比，其主差異在于支臂扭轉(zhuǎn)后，在兩支臂相交處采用軸套將支臂焊接成一體，并形成焊接支鉸，不再單獨設(shè)鑄鋼活動鉸。斜支臂制造時，調(diào)整支臂的扭角后，通過調(diào)整軸套與支臂的拼裝角度來控制支臂的水平偏斜角，同時控制軸套的中心位置，拼裝難度大，拼裝工藝較為關(guān)鍵。焊接支鉸整體預(yù)拼裝后再對鉸軸孔進行機械加工，對加工精度要求高。另由于軸套與支臂焊接成一體形成焊接支鉸后，外形尺寸較大，機械加工時找正、裝夾難度大。受零部件拼裝誤差、焊縫變形、熱處理、整體預(yù)拼裝測量誤差、加工精度等多種因素疊加，進一步加大了斜支臂弧形閘門焊接支鉸制造的技術(shù)及工藝難度。因此，斜支臂弧形閘門焊接支鉸制造的技術(shù)含量高，制造過程中，需制定合理的工藝，采取有效的控制措施。否則，極易出現(xiàn)質(zhì)量問題，造成大量返修、返工，造成不利后果。

2 閘門特性

老撾南歐江六級水電站共設(shè)置了3套露頂式溢流表孔弧形閘門，孔口尺寸13m×21m，設(shè)計水頭21.85m，弧門半徑22.5m，支承跨度10.6m，支鉸高度11.5m，總水壓力31062.2kN，弧門單套重量301.32t。

弧門支鉸采用的焊接支鉸(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，由支臂和軸套焊接組成，單件重量約27t，外形尺寸6.15m×3.65m×1.6m。支臂材質(zhì)為Q345B，由12mm～50mm的鋼板組裝、焊接而成。軸套材質(zhì)為Q345B，鍛造而成，最終加工后尺寸φ1080/φ670-820mm。

圖1 焊接鉸結(jié)構(gòu)

3 制造工藝流程

焊接支鉸斜制造過程中，調(diào)整前支臂的扭角后，通過調(diào)整軸套與支臂的拼裝角度來控制支臂的水平偏斜角，同時還需控制軸套的中心位置，且軸套在焊接支鉸上在組裝、焊接、退火的過程中會產(chǎn)生一定的誤差，造成焊接支鉸的角度或者中心位置發(fā)生偏移。因此，在焊接支鉸退火完成后，再以門葉為基準，在支臂和門葉整體預(yù)拼裝確定支鉸中心后再對軸套進行二次機械加工，以此精確控制焊接支鉸各部尺寸。其制造工藝流程為：軸套外協(xié)鍛造→軸套一次機加工→軸套、支臂聯(lián)合組裝→焊接→尺寸檢查、無損檢測→焊接支鉸整體退火→無損檢測→支臂、門葉整體預(yù)拼裝→檢測、劃線→軸套二次機加工→裝配→防腐→出廠。

4 焊接鉸制造關(guān)鍵技術(shù)

4.1 建立三維模型

焊接支鉸各個部件的角度相互影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，須精確控制各部件的裝配精度。因此，依據(jù)設(shè)計圖紙，創(chuàng)建弧形閘門三維模型(如圖2、圖3)，并應(yīng)用于以下幾個方面：

圖2 焊接支鉸斜支臂弧形閘門三維模型

圖3 焊接支鉸斜支臂三維模型

(1)協(xié)同參與碰撞檢測。將弧形閘門各部件在三維軟件中進行總裝，通過設(shè)定相應(yīng)碰撞檢測規(guī)則，即可進行碰撞檢測。根據(jù)碰撞檢測結(jié)果，快速定位碰撞點，提交碰撞檢測報告，供設(shè)計單位進行方案優(yōu)化。

(2)通過三維模型對焊接支鉸等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件進行分解，根據(jù)三維分解結(jié)果進行下料，提高產(chǎn)品下料、裝配的精確度。

(3)輔助技術(shù)交底。利用三維可視化模型，協(xié)助完成制造前的技術(shù)交底，實現(xiàn)技術(shù)交底的快速性與準確性，使項目參與人員充分理解設(shè)計意圖，更形象、直觀地了解復(fù)雜關(guān)鍵節(jié)點，有效提升施工質(zhì)量和相關(guān)人員的溝通協(xié)作效率。

4.2 焊接支鉸聯(lián)合拼裝控制

為了能夠更加精確地控制支臂的水平偏斜角，同時控制焊接支鉸的鉸鏈中心位置，將以前支臂中心為基準，控制支臂扭角及兩支臂開口跨距，在相應(yīng)的平臺和胎膜上將支臂各模塊和焊接支鉸單件聯(lián)合拼裝。

4.2.1 焊接支鉸拼裝前準備工作

(1)將軸套進行第一次機加工。軸套為Q345B鍛件，鍛造時在各個方向上均預(yù)留了加工余量，因此在進行組裝前須對軸套進行加工，包括鉸內(nèi)孔、外壁、兩側(cè)端面。但是，在第一次機加工軸套時，不應(yīng)加工到圖示理論尺寸，仍須在軸套內(nèi)徑、外徑方向上留20mm的二次機加工余量，在寬度方向上留12mm的二次機加工余量。

(2)按照支臂中性層的角度、支臂長度和前端開口跨距放出前支臂中心線，兩件前支臂之間的中心線，并在平臺上畫出地樣。

(3)按照支臂中性層的角度、支臂長度和前端開口尺寸放出前支臂中心線，并進行地樣標識。

(4)按斜支臂的尺寸在地樣上搭設(shè)前支臂平臺，平面度≤2.0mm。

4.2.2 焊接支鉸聯(lián)合拼裝

(1)將前支臂按地樣尺寸設(shè)置到平臺上，使得支臂中心線為水平狀態(tài)。以中性層中心為旋轉(zhuǎn)中心按前支臂扭角進行旋轉(zhuǎn)?？刂魄爸П壑行暮椭П壑行木€重合。按支臂前端開口跨距和支臂長度將支臂前端的斜口標識在腹板和翼緣上，并根據(jù)焊接支鉸后翼緣與支臂中心線的角度在連接板背面搭設(shè)焊接支鉸組裝胎膜。

(2)將焊接支鉸后翼緣安裝到胎膜上，調(diào)整翼緣中心線和一致后與兩側(cè)的連接板固定，在后翼緣上按照圖示尺寸放樣，標識出腹板、隔梁、筋板位置，然后以腹板→隔梁→筋板的順序進行組裝。

(3)將軸套安裝到焊接支鉸上，利用水準儀和線錘測量、調(diào)整軸套與支臂的拼裝角度；利用水準儀測量、調(diào)整支臂中心線與軸套中心的高程度；利用卷尺測量、調(diào)整軸套(如圖4所示)。

圖4 焊接支鉸內(nèi)部三維模型

(4)軸套各尺寸調(diào)整、測量合格后對軸套進行加固。待焊接支鉸內(nèi)部的焊縫完成后，再將前翼緣安裝到焊接支鉸上，進行焊接。

4.3 焊接支鉸焊接

支臂裝置的焊接分為前支臂和連接板焊接和焊接支鉸部分的焊接，而支臂焊接支鉸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部焊縫要求均為全融合焊縫。如何減小焊接變形、保證焊縫質(zhì)量，是保障支臂裝置質(zhì)量的重要點。因此，在進行組裝、焊接前，先對焊接支鉸所有的焊縫進行編號，明確組裝、焊接順序，特別是一些狹小的半封閉空間，應(yīng)該先完成內(nèi)部焊縫，然后再進行組裝封閉，減少內(nèi)部焊縫的工作量，同時也更加利于提高焊縫質(zhì)量。同時，對焊接參數(shù)要進行嚴格控制，焊接工藝進行明確要求，所有焊縫在焊接前都須用加熱片進行預(yù)熱，焊接完成后用保溫棉進行保溫。預(yù)熱溫度、保溫時間均應(yīng)滿足NB/T 35045-2014相關(guān)要求。

焊接時采用小線能量，快速多層焊，每道的熔渣、飛濺物清理干凈。層間接頭應(yīng)錯開30mm以上，且應(yīng)保證層間溫度，層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度且不高于180℃，焊接完成后進行超聲波檢查。焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接支鉸焊接工藝參數(shù)

4.4 焊接支鉸退火

焊接支鉸所有焊縫焊接、檢測完畢并合格、幾何尺寸等檢查合格后進行退火，以降低焊接殘余應(yīng)力，平衡應(yīng)力分配。退火方式為爐內(nèi)整體退火，退火溫度、保溫時間、溫度升降速率均應(yīng)按要求嚴格執(zhí)行(退火參數(shù)見圖5)。從常溫加熱至300℃時的保溫使溫度均勻，加熱過程中升溫速度嚴格控制，防止裂紋產(chǎn)生；在保溫過程中，溫度要控制準確，保溫根據(jù)材質(zhì)及厚度確定，從而消除應(yīng)力峰值，降低殘余應(yīng)力；降溫過程中，降溫速度準確控制，避免降溫過程中產(chǎn)生新的冷卻應(yīng)力。保溫時使各部溫度均勻后方可開爐冷卻至常溫，退火后進行全面復(fù)查各尺寸，并再次進行超聲波檢查。

圖5 焊接支鉸整體退火曲線示意

4.5 弧形閘門整體預(yù)拼裝及放樣、劃線

通過門葉和支臂整體預(yù)拼裝來確定在安裝狀態(tài)下弧形閘門的實際鉸鏈中心，以此來對軸套進行二次機加工，消除焊接支鉸由于組裝、焊接引起的誤差，從而精確地控制斜支臂的各項尺寸。

4.5.1 整體預(yù)拼裝前的準備工作

(1)將前支臂、焊接支鉸的連接板以原來在其腹板、翼緣上的標記為基準，進行找正和加工；

(2)將前支臂、焊接支鉸進行整體組裝，按理論尺寸調(diào)整好支臂長度、前端開口尺寸后將前端余量切除

4.5.2 整體預(yù)拼裝、劃線

(1)按照放樣的位置，設(shè)置一件底檻，底檻平面度≤1.0mm，用經(jīng)緯儀分別在場地上和底檻上放出門葉中心線和門葉底緣控制線；

(2)將各節(jié)門以底緣線和門葉中心線為基準進行組裝，組裝時，應(yīng)對各節(jié)門葉進行可靠加固，防止傾倒；

(3)以已組裝好的門葉調(diào)整鉸鏈中心，并在球心器上做好標識；

(4)分別將左、右兩側(cè)的前支臂、焊接支鉸按圖紙組裝到門葉上并對支臂進行可靠加固，并用鋼琴線標示鉸鏈中心，檢查門葉、支臂的各項數(shù)據(jù)；

(5)數(shù)據(jù)合格后，開始在軸套上進行劃線標識。首先，在軸套兩側(cè)端面以鋼琴線為基準做好內(nèi)孔的加工基準，為提高加工精度，在兩側(cè)圓周上每隔45°就應(yīng)該做一個標識；在軸套寬度方向上以門葉中心線為基準標識出軸套寬度的實際中心，并用線錘找正；然后以軸套寬度實際中心為基準按軸套的寬度將軸套兩側(cè)端面的加工線標識在軸套上。

4.6 軸套二次機加工

機加工前，應(yīng)先根據(jù)軸套寬度中心標記找正，保證軸套內(nèi)孔及兩端面分別與門葉中心線垂直和平行。然后利用落地鏜床按軸套兩側(cè)端面圓周上的標記加工軸套內(nèi)孔。內(nèi)孔加工完成后，再利用銑床按軸套寬度方向上的標記將軸套加工到理論寬度。加工前，須按標記進行焊接支鉸整體找正。軸套內(nèi)孔的二次機加工必須同時以軸套兩側(cè)的加工標記為基準，控制軸套內(nèi)孔和門葉中心線垂直；軸套兩側(cè)端面的二次機加工須控制端面與鉸孔垂直度≤1.0mm。

4.7 活動鉸與固定鉸裝配

焊接支鉸加工完成、合格后，先將自潤滑軸套安裝到軸套內(nèi)部，再通過鉸軸將焊接支鉸和固定鉸進行連接。裝配完成后，應(yīng)保證焊接支鉸能夠靈活轉(zhuǎn)動，無卡阻。

5 結(jié)語

斜支臂弧形閘門焊接支鉸制造關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)解決了該類產(chǎn)品的制造難點，產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效控制，避免了因返工、返修造成的質(zhì)量隱患和其它不安全因素。目前，老撾南歐六電站溢流表孔弧形閘門已投入運行多年，運行狀態(tài)良好。