塔貝拉水電站豎井圓形堵頭閘門(mén)加工工藝

趙 文 斌， 王 生 瓚

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴基斯坦塔貝拉水電站四期擴(kuò)建項(xiàng)目取水口3號(hào)豎井直徑為13.72 m，豎井混凝土襯砌壁厚1 m。豎井頂部設(shè)堵頭鋼閘門(mén)將豎井封堵，相當(dāng)于用蓋板蓋住豎井。由于該堵頭閘門(mén)的設(shè)計(jì)工況為雙向水壓而不同于普通閘門(mén)，設(shè)計(jì)時(shí)從安全、運(yùn)輸、安裝等角度進(jìn)行了全面考慮。該堵頭閘門(mén)工況分兩種:①當(dāng)隧洞內(nèi)施工時(shí)，堵頭閘門(mén)擋上方的水壓，②當(dāng)豎井上方的取水塔施工時(shí)，機(jī)組已發(fā)電，豎井內(nèi)充滿水，此時(shí)堵頭需要擋下方的水壓[1]。由于此種結(jié)構(gòu)形式的閘門(mén)制造在我單位尚屬首次，沒(méi)有現(xiàn)成成熟的工藝可以借鑒，我單位的技術(shù)人員依托多年常規(guī)水工金屬結(jié)構(gòu)制造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該堵頭閘門(mén)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其加工工藝進(jìn)行了深入地研究與分析，通過(guò)研究分析，制定出切實(shí)可行的加工工藝方案并付諸實(shí)施，確保了該堵頭閘門(mén)的順利制造，筆者詳細(xì)介紹了具體的制造過(guò)程。

2 堵頭閘門(mén)的結(jié)構(gòu)

堵頭閘門(mén)埋件沿豎井頂部設(shè)一周，埋件座板為厚120 mm，外徑16.52 m，內(nèi)徑13.72 m的圓環(huán)，材質(zhì)為Q355B，下方焊接351根錨桿，錨桿從圓中心向外布置3 排，直徑為70 mm，長(zhǎng)4.08 m，材料為Q355B。堵頭閘門(mén)埋件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 堵頭閘門(mén)埋件結(jié)構(gòu)示意圖

堵頭埋件座板的作用是支撐閘門(mén)并兼做閘門(mén)封水座面，座板上布置有448個(gè)φ68的螺栓連接孔。閘門(mén)安裝后，通過(guò)螺栓將閘門(mén)與埋件連接。按照設(shè)計(jì)要求，支撐面及封水座面均需進(jìn)行機(jī)加工，依據(jù)《水電工程鋼閘門(mén)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(NB/T 35045-2014)要求，具有止水要求的加工面直線度為1/2 000且不大于1 mm；局部平面度每m范圍內(nèi)不大于0.5 mm且不超過(guò)2處。沒(méi)有止水要求的加工面直線度為1/1 500且不大于3 mm；局部平面度每m范圍內(nèi)不大于3 mm[2]，即要求內(nèi)徑為13 720 mm，外徑為13 870 mm的止水座板環(huán)面直線度不大于1 mm；局部平面度每m范圍內(nèi)不大于0.5 mm且不超過(guò)2處。內(nèi)徑為14 720 mm，外徑為15 120 mm的支撐座板環(huán)面直線度不大于3 mm；局部平面度每m范圍內(nèi)不大于3 mm。堵頭閘門(mén)埋件座板結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

圖2 堵頭閘門(mén)埋件座板結(jié)構(gòu)示意圖

堵頭閘門(mén)為直徑15.84 m的圓形閘門(mén)，閘門(mén)主材材質(zhì)為Q355B，門(mén)重415 t。因堵頭閘門(mén)直徑較大，設(shè)計(jì)水頭高，堵頭閘門(mén)受力大，同時(shí)因現(xiàn)場(chǎng)安裝門(mén)機(jī)的最大起吊容量為400 kN，故堵頭閘門(mén)中間部位按880 mm分段，共分為15節(jié)，最大單元節(jié)重31.932 t。堵頭閘門(mén)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。

圖3 堵頭閘門(mén)結(jié)構(gòu)剖面圖

堵頭閘門(mén)單節(jié)門(mén)葉設(shè)雙主梁，主梁為焊接 T 型結(jié)構(gòu)，單節(jié)閘門(mén)一側(cè)主梁腹板同時(shí)兼做節(jié)間水封座板，另一側(cè)設(shè)有50 mm×100 mm的方鋼作為閘門(mén)節(jié)間支撐，同時(shí)控制節(jié)間水封壓縮量以起到保護(hù)橡膠水封的作用。堵頭閘門(mén)節(jié)間采用條形橡膠水封、螺栓連接，為保證水封能壓縮，在條形水封中間開(kāi)槽呈“工”字型，安裝時(shí)預(yù)壓縮4 mm。為滿足閘門(mén)節(jié)間封水要求，需對(duì)單節(jié)閘門(mén)兩側(cè)的水封座板及支撐座板面進(jìn)行加工，依據(jù)《水電工程鋼閘門(mén)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(NB/T 35045-2014)要求，止水座面平面度不大于2 mm。單節(jié)閘門(mén)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 單節(jié)閘門(mén)結(jié)構(gòu)圖

堵頭閘門(mén)圓形面板上設(shè)置有環(huán)形水封座板及支撐座板，環(huán)形水封座板外直徑為14 040 mm，內(nèi)環(huán)直徑為13 720 mm，環(huán)形支撐座板外直徑為15 070 mm，內(nèi)環(huán)直徑為14 770 mm。環(huán)形水封座板及支撐座板均需進(jìn)行機(jī)加工，依據(jù)《水電工程鋼閘門(mén)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(NB/T 35045-2014)要求，止水座面平面度不大于2 mm。

閘門(mén)與埋件之間采用448顆10.9等級(jí)M64的螺栓連接，閘門(mén)面板上與埋件的連接孔直徑為90 mm。閘門(mén)與埋件一周采用條形橡膠水封封水，安裝時(shí)預(yù)壓縮 5 mm，水封設(shè)在埋件上，節(jié)間水封端部與圓周水封設(shè)一橡膠塊現(xiàn)場(chǎng)黏結(jié)。閘門(mén)環(huán)形水封座板及支撐座板見(jiàn)圖5。

圖5 閘門(mén)環(huán)形水封座板及支撐座板結(jié)構(gòu)圖

3 工藝難點(diǎn)分析

(1)閘門(mén)與埋件之間采用448顆高強(qiáng)螺栓連接，必然會(huì)對(duì)埋件、閘門(mén)連接孔的位置精度提出很高的精度要求，孔的數(shù)量龐大，閘門(mén)分節(jié)達(dá)到15節(jié)之多，每節(jié)閘門(mén)寬度方向的偏差累計(jì)有可能會(huì)造成閘門(mén)與埋件連接孔的位置度偏差超標(biāo)而導(dǎo)致閘門(mén)與埋件在安裝過(guò)程中無(wú)法安裝螺栓。閘門(mén)與埋件的連接形式見(jiàn)圖6。

圖6 堵頭閘門(mén)與埋件連接形式圖

(2)因堵頭閘門(mén)整體外形尺寸大，分節(jié)多，閘門(mén)節(jié)間采用螺栓連接。而“工”字型條形水封封水結(jié)構(gòu)必然會(huì)對(duì)節(jié)間連接螺栓孔的位置精度要求高，才能保證各節(jié)閘門(mén)在安裝過(guò)程中能夠順利進(jìn)行螺栓安裝；同時(shí)，對(duì)節(jié)間配合面的平面度要求亦很高，閘門(mén)節(jié)間配合面長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)15.816 m，最短達(dá)10.966 m，平面度要求不大于2 mm，否則閘門(mén)節(jié)間不能滿足封水要求。閘門(mén)節(jié)間的連接形式見(jiàn)圖7。

圖7 堵頭閘門(mén)節(jié)間連接形式圖

(3)閘門(mén)埋件座板為外徑16.52 m，內(nèi)徑13.72 m的圓環(huán)，鋼板厚度為120 mm，設(shè)計(jì)分6塊進(jìn)行制造。由于設(shè)備加工能力及成本因素，不能實(shí)現(xiàn)埋件座板組成圓環(huán)整體加工相應(yīng)的加工面及孔；根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度要求，埋件與閘門(mén)分批交付，不能實(shí)現(xiàn)閘門(mén)與埋件連接孔采用整體配作工藝。

(4)閘門(mén)與埋件的配合連接孔孔徑較大，埋件上的連接孔直徑為68 mm，閘門(mén)上的連接孔直徑為90 mm，配合間隙設(shè)計(jì)的比較大，由于孔徑太大，搖臂鉆、磁力鉆等常規(guī)鉆孔設(shè)備無(wú)法滿足相應(yīng)的要求。

4 堵頭閘門(mén)埋件加工工藝措施

基于工藝難點(diǎn)分析，結(jié)合設(shè)備條件與進(jìn)度要求，制定了以下閘門(mén)埋件加工工藝：埋件座板及支撐座板采用火焰數(shù)控切割機(jī)分6塊下料；放地樣在鋼平臺(tái)上整體組拼埋件座板，拼焊支撐座板；校正整體平面，整體狀態(tài)下作加工基準(zhǔn)線，然后解體，在數(shù)控龍門(mén)銑上以加工基準(zhǔn)線單塊分別加工支撐座板平面、埋件座板上的槽口和φ68連接孔；單塊分別拼焊錨桿及肋板，校正；最后進(jìn)行整體預(yù)拼裝，確保合格后出廠。

堵頭閘門(mén)埋件加工工藝的重點(diǎn)在于數(shù)控精確下料及整體組拼精度的控制。數(shù)控精確下料是整體組拼精度的基礎(chǔ)保證，整體組拼精度是后續(xù)加工的基礎(chǔ)保證。

為保證數(shù)控精確下料，下料前，對(duì)火焰數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行了全面的檢查維護(hù)，對(duì)切割平臺(tái)進(jìn)行了平面度校正，采用120 mm厚鋼板進(jìn)行了試割，通過(guò)試割，確定了切割參數(shù)及修正割嘴垂直度，驗(yàn)證了切割質(zhì)量能夠達(dá)到質(zhì)量要求[3]。

為保證整體組拼精度，搭設(shè)了專用組裝平臺(tái)，組裝平臺(tái)整體平面度要求不大于2 mm[4]，并確保其可靠、穩(wěn)固，在組裝過(guò)程中不發(fā)生變形。整體組拼埋件座板時(shí)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)地樣進(jìn)行，拼焊支撐座板后，對(duì)整體平面度進(jìn)行了校正，待其滿足質(zhì)量要求后，以地樣圓心為基準(zhǔn)，畫(huà)出埋件座板上的槽口加工基準(zhǔn)線及連接孔的基準(zhǔn)線并做樣沖標(biāo)識(shí)，解體后按照加工基準(zhǔn)線采用數(shù)控龍門(mén)銑床進(jìn)行單塊埋件的加工以確保加工精度。

埋件座板加工完成后，單塊拼焊錨桿及肋板，由于錨桿數(shù)量大，焊接過(guò)程中容易引起埋件座板的平面度變形，故對(duì)錨桿焊接工藝采取了大間隔的對(duì)稱跳焊方式，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)以減少局部熱量過(guò)大而造成變形過(guò)大[5]。焊接完成后，對(duì)局部平面度超標(biāo)部位進(jìn)行了校正，以滿足最終技術(shù)規(guī)范要求。

5 堵頭閘門(mén)加工工藝措施

基于工藝難點(diǎn)分析，結(jié)合設(shè)備條件、閘門(mén)結(jié)構(gòu)和精度要求最終采取了單節(jié)獨(dú)立拼焊，單節(jié)拼焊、校正完成后節(jié)間配合部位采用動(dòng)力銑頭先加工、待所有單節(jié)完成后進(jìn)行整體預(yù)拼裝，在整體狀態(tài)下加工閘門(mén)環(huán)形水封座板及支撐座板。

采取該工藝的核心是保證閘門(mén)面板448個(gè)螺栓連接孔的位置精度，只有位置精度得到保證，才能保證閘門(mén)安裝時(shí)與埋件實(shí)現(xiàn)所有螺栓的順利連接。為實(shí)現(xiàn)該目的，采取了以下工藝措施：

(1)閘門(mén)面板采用火焰數(shù)控切割機(jī)下料，面板上的φ90連接孔直接在下料過(guò)程中采用火焰數(shù)控切割機(jī)完成切割，單節(jié)閘門(mén)面板寬度方向兩側(cè)各預(yù)留5 mm的加工量。解決了φ90連接孔常規(guī)鉆孔設(shè)備無(wú)法加工的問(wèn)題，同時(shí)亦控制了單塊面板上各連接孔孔間距的偏差。

(2)單節(jié)閘門(mén)的拼裝、節(jié)間配合面的加工均以面板上已切割的連接孔中心作為基準(zhǔn)進(jìn)行，該加工工藝在保證單節(jié)閘門(mén)寬度尺寸的同時(shí)，也保證了連接孔在閘門(mén)面板上的位置精度。解決了單節(jié)閘門(mén)寬度尺寸與面板連接孔相對(duì)位置精度的問(wèn)題，同時(shí)，各節(jié)閘門(mén)的加工均以數(shù)控切割的連接孔為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)的統(tǒng)一，進(jìn)而保證了閘門(mén)寬度尺寸的統(tǒng)一。

(3)在整體預(yù)拼裝過(guò)程中，同樣以面板上數(shù)控切割的連接孔為基準(zhǔn)，在保證節(jié)間封水的情況下，兼顧面板節(jié)間對(duì)應(yīng)孔的間距以保證整體連接孔的位置精度。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上工藝措施的實(shí)施，解決了塔貝拉水電工程大型豎井圓形堵頭閘門(mén)的加工工藝難點(diǎn)問(wèn)題。堵頭閘門(mén)整體制作完成后，由業(yè)主、設(shè)計(jì)組成的驗(yàn)收小組在整體拼裝狀態(tài)下進(jìn)行了出廠驗(yàn)收，驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)對(duì)閘門(mén)的幾何尺寸、形位公差等進(jìn)行了測(cè)量，重點(diǎn)測(cè)量了閘門(mén)與門(mén)槽連接的448個(gè)連接孔的相對(duì)位置精度、同心度、閘門(mén)面板環(huán)形封水座板平面度等，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，堵頭閘門(mén)制造質(zhì)量符合設(shè)計(jì)文件和相關(guān)規(guī)范要求。鑒于圓形堵頭閘門(mén)比較少見(jiàn)，該工藝措施的成功實(shí)施，為今后類似閘門(mén)的制造提供了一條新的工藝思路，具有一定的借鑒意義。