弧形閘門橫向焊接變形估算及控制

(中國水利水電第十工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川 都江堰，611830)

1 引言

老撾南立1水電站溢洪道弧形閘門，共4套，為露頂式閘門，支臂形式為斜兩支臂，門葉分為6單節(jié)。門葉面板外徑為R20800mm，門葉寬度12970mm，面板總弧長為20229mm，面板厚度14mm，兩主橫梁跨距為8291mm，橫向次梁為12mm×200mm的鋼板，橫向次梁間距500mm，縱隔梁間距2050mm，支臂為箱形結(jié)構(gòu)，活動(dòng)鉸和固定鉸均為鋼板焊接件，材料為Q345B。

對常規(guī)的水工弧形閘門，門葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常外形尺寸大、面板薄、縱隔梁隔梁間距大、橫向次梁間距小、主橫梁跨距大、主橫梁2根(三支臂弧門為3根)，各單節(jié)門葉中，具有主橫梁的只有2個(gè)單節(jié)(三支臂弧門為3個(gè)單節(jié))，其余單節(jié)門葉均無主橫梁，對無主橫梁的單節(jié)門葉而言，門葉橫向剛性非常薄弱，且大量的焊縫分布在面板位置，焊接時(shí)容易產(chǎn)生較大變形，焊后校正困難，有必要預(yù)估焊接變形的大小，進(jìn)而預(yù)先采取相應(yīng)的控制措施。為此，本文結(jié)合老撾南立1水電站溢洪道弧形閘門的制造，介紹對門葉橫向焊接變形的估算方法，以及采取的控制措施。

2 焊接變形估算

2.1 焊接變形分析

根據(jù)弧形閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(門葉截面見圖1)，門葉結(jié)構(gòu)制造通常采取在弧形胎膜上整體拼裝、整體焊接，通過合理布置焊工，采取正確的焊接順序和焊接方法，門葉弧度、主梁跨距、扭曲及外形幾何尺寸均能得到有效控制。但對于無主橫梁的各單節(jié)門葉，由于橫向剛性薄弱及焊縫分布在面板位置，焊縫不對稱，為減少焊接殘余應(yīng)力，在弧形胎膜上進(jìn)行整體焊接時(shí)，門葉應(yīng)處于自由狀態(tài)，門葉與弧形胎膜之間無連接，橫向次梁與面板的焊縫焊接收縮變形是引起門葉橫向直線度超差的主要原因，應(yīng)采取措施控制該焊縫的焊接變形。

圖1 弧形閘門門葉截面

2.2 焊接方法及焊接參數(shù)

(1)焊接方法：CO2氣體保護(hù)焊。

(2)焊接參數(shù)：焊接電流I=260A；焊接電壓U=27V；焊接速度V=45cm/min。

(3)焊接線能量：qv=0.06×U×I/V=9.36kJ/cm。

2.3 橫向次梁計(jì)算截面

面板參與梁系有效寬度B，可參考《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35055-2015)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算取B=ζ1b=0.78×500mm=390mm，橫向次梁計(jì)算截面見圖2。

圖2 橫向次梁計(jì)算截面

截面慣性矩Ix=2717.7cm4，Iy=6923.4cm4；焊縫中心至截面中性軸的距離e=2.1cm。

2.4 橫向小梁焊縫縱向收縮產(chǎn)生的撓度

橫向次梁通過縱向隔梁的支撐形成多跨梁系梁，計(jì)算時(shí)，橫向次梁長度取縱向隔梁的間距。橫向次梁單道焊縫縱向收縮產(chǎn)生的撓度f按下式計(jì)算：

f=1.2×10-3×e×L2×qv/I

式中：f——橫向次梁單道焊縫縱向收縮產(chǎn)生的撓度(cm)；

e——焊縫中心至截面中性軸的距離(cm)，e=2.1cm；

qv——焊接線能量(kJ/cm)，qv=0.06×U×I/V=9.36(kJ/cm)；

I——形成截面慣性矩(cm4)，Ix=2717.7cm4；

L——構(gòu)件長度(cm)，L=205cm

故：f=1.2×10-3×e×L2×qv/Ix=1.2×10-3×2.1×2052×9.36/2717.7=0.36cm，向Y坐標(biāo)軸正方向凸起，左右兩條焊縫縱向收縮產(chǎn)生的撓度f合=2×0.36cm=0.72cm。

橫向小梁通過縱向隔梁支撐形成6跨梁系梁，各跨焊縫收縮產(chǎn)生的撓度疊加后，可近似估算門葉橫向撓度F=6×0.72cm=4.32cm。

2.4 主橫梁焊縫縱向收縮產(chǎn)生的撓度

主橫梁計(jì)算截面見圖3。

圖3 主橫梁計(jì)算截面

截面慣性矩Ix=4081370cm4，焊縫中心至截面中性軸的距離e=73.9cm，主橫梁焊縫縱向收縮產(chǎn)生的撓度：

f=1.2×10-3×e×L2×qv/Ix=1.2×10-3×73.9×12972×9.36/4081370=0.34cm，向Y坐標(biāo)軸正方向凸起，左右兩條焊縫縱向收縮產(chǎn)生的撓度f合=2×0.34cm=0.68cm。

3 焊接變形估算結(jié)果分析

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，主橫梁所在單節(jié)門葉，主橫梁前翼緣與面板的貼角焊縫焊接引起的門葉橫向直線度偏差較小。無主橫梁的單節(jié)門葉，僅橫向小梁縱向焊縫焊接收縮產(chǎn)生的撓度就達(dá)43.2mm，向面板內(nèi)緣方向凸起，焊后門葉橫向直線度偏差將達(dá)43.2mm，如再考慮面板對接焊縫、縱向隔梁與面板的貼角焊縫等因素疊加后，引起門葉橫向直線度偏差將超過43.2mm，嚴(yán)重超出《水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(NB/T 35045-2014)中門葉橫向直線度偏差8mm的允許值。在弧形門葉制造中，當(dāng)出現(xiàn)類似橫向直線度超差時(shí)，校正十分困難，通常采取火焰校正，但費(fèi)工費(fèi)時(shí)，不易控制。因此，需提前采取措施加以控制，避免后續(xù)投入大量人力物力。

4 控制措施

從計(jì)算過程看出，主橫梁所在單節(jié)門葉，由于主橫梁鋼性大，主橫梁前翼緣與面板的貼角焊縫焊接引起的門葉橫向直線度偏差較小，焊接時(shí)，注意分段、間隔焊，即可有效控制門葉橫向直線度。無主橫梁的單節(jié)門葉，由于門葉橫向剛性薄弱，焊接橫向次梁與面板的焊縫引起門葉橫向直線度偏差較大，為有效控制橫向次梁焊接收縮產(chǎn)生的橫向直線度偏差，采取以下措施。

4.1 設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)橫向剛度

對無主橫梁的各單節(jié)門葉，在分節(jié)位置，利用縱向隔梁為連接支撐點(diǎn)，在縱向隔梁后翼緣上設(shè)置橫向連接桿件，與縱向隔梁后翼緣焊接連接，將各縱向隔梁連接為一體，然后在橫向次梁與縱向隔梁后翼緣之間設(shè)置斜向支撐，增強(qiáng)橫向次梁的剛度。增設(shè)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)后，單節(jié)門葉橫向剛度將大幅提高，不僅可有效控制焊接收縮產(chǎn)生的橫向撓度，還能減少吊裝、運(yùn)輸產(chǎn)生的變形。臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)待閘門運(yùn)至工地安裝后去除，臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)布置見圖4。

圖4 臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)布置

4.2 拼裝質(zhì)量控制

焊接收縮產(chǎn)生變形，與拼裝質(zhì)量、焊縫間隙、焊縫受熱不均、焊接線能量大小有著密切關(guān)系。門葉在弧形胎膜上整體拼裝時(shí)，卷制面板的弧度及橫向直線度應(yīng)嚴(yán)格控制，避免鋪設(shè)面板時(shí)過多施加約束力，造成焊接時(shí)變形增加。面板拼裝間隙、梁系拼裝間隙也應(yīng)嚴(yán)格控制，拼裝間隙越大，焊接收縮就越大，焊接變形也將隨之增加。

根據(jù)計(jì)算確定的弧門制造曲率半徑搭設(shè)弧形胎膜，在弧形胎膜上鋪設(shè)已卷制的面板，面板鋪設(shè)完畢后，測量劃出主橫梁、縱隔梁、橫向小梁等部件的拼裝控制線，并按控制線拼裝各部件。拼裝時(shí)，由于門葉結(jié)構(gòu)尺寸較大，為減少拼裝尺寸誤差，首先拼裝中主梁，在中主梁拼裝定位后，分別往門葉頂端或門葉底緣方向，依次拼裝橫向小梁→縱隔梁→上主梁(或下主梁)→橫向小梁→縱隔梁。拼裝過程中，嚴(yán)格拼裝間隙、主梁跨距、主梁平行度。整體拼裝結(jié)束后，在節(jié)間位置焊接臨時(shí)連接板，由于門葉橫向剛性薄弱，需沿橫向方向進(jìn)行連接加固，以減少焊接及運(yùn)輸變形。

4.3 焊接工藝控制

從焊接收縮變形計(jì)算可以看出，焊接線能量對焊接收縮變形影響較大，焊接線能量越大，焊接收縮變形就越大。焊接線能量大小反映出焊接熱量輸入的大小，焊接線能量與焊接電流、焊接電壓、焊接速度有關(guān)，焊接時(shí)采用小電流焊接，減少熱量輸入。由于橫向次梁多，間距小，焊工采用對稱分布，焊接步驟采取從中心往兩端對稱、分段、間隔焊，完成一條橫向次梁與面板的貼角焊縫焊接后，調(diào)過一根橫向次梁，焊接下一根橫向次梁與面板的貼角焊縫，依此循環(huán)完成所有橫向次梁與面板的貼角焊縫焊接，從而避免焊接熱量集中輸入，使焊接受熱均布且分散，從而有效控制焊接變形。

5 小結(jié)

通過焊接變形估算，清楚可能產(chǎn)生的焊接變形量，進(jìn)而分析產(chǎn)生焊接變形的主要原因，有針對性地采取了相應(yīng)的控制措施，通過老撾南立1水電站4套溢洪道弧形閘門的制造驗(yàn)證，采取的措施效果明顯，4套弧形門葉在弧形胎膜上整體焊接后，門葉橫向直線度偏差均控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，避免了后續(xù)校正，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又降低了制造成本，對類似弧形閘門的制造具有較好的參考價(jià)值。