淺談大跨度翻板閘門的制造技術(shù)

周雄聰

(廣東江海機(jī)電工程有限公司，廣東 廣州 510500)

1 概述

大跨度翻板閘門是平面鋼結(jié)構(gòu)閘門的一類分支，閘門通過支鉸配合啟閉機(jī)實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)啟閉，全開狀態(tài)下整扇閘門平放于河道底部，不影響過水和通航，全閉狀態(tài)下能實現(xiàn)河道的雙向止水。由于閘門能同時實現(xiàn)大跨度河道通航及防洪擋潮功能，也能兼顧河道的自然景觀，因而近年來城市河道水利建設(shè)中應(yīng)用越趨廣泛。

此類閘門的特點是：① 單扇閘門封水寬度大；② 一般設(shè)計為整個河道只采用1個通航閘門；③ 單扇閘門擁有多個同軸心轉(zhuǎn)動支鉸；④ 閘門的支鉸和轉(zhuǎn)軸布置于閘門底部，與固定在河道底部的支鉸座組成鉸鏈副；⑤ 啟閉多采用液壓啟閉機(jī)，并布置于兩邊的閘墩上；⑥ 閘門開啟時放平于流道底部，不影響過水和通航；⑦ 閘門關(guān)閉時利用液壓啟閉機(jī)驅(qū)動閘門提起，啟閉過程閘門繞著支鉸轉(zhuǎn)動翻起；⑧ 閘門鎖定裝置設(shè)置在兩側(cè)閘墩頂部，閘門全閉狀態(tài)下對閘門進(jìn)行鎖定。

2 閘門制造

2.1 閘門分節(jié)

廣州市黃埔區(qū)西滘涌的通航工作閘門設(shè)計采用大跨度翻板閘門，閘門孔口尺寸為26.74 m×10.5 m(寬×高)，閘門整體止水跨度為26.66 m，設(shè)計有3條主梁，邊梁長度達(dá)11.077 m，閘門門葉總重量約為161.444 t。

閘門布置側(cè)視如圖1所示，門葉結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 西滘涌通航閘門布置側(cè)視示意

圖2 閘門門葉結(jié)構(gòu)示意

大跨度翻板式閘門分節(jié)主要考慮以下幾點：

1) 充分利用和考慮車間生產(chǎn)場地的綜合因素，結(jié)合閘門尺寸及重量分配廠房生產(chǎn)場地和起重設(shè)備能力。

2) 分析閘門整體結(jié)構(gòu)特點，主梁和次梁的分布情況，合理選擇分節(jié)位置。

3) 應(yīng)盡可能將閘門底部多個支鉸孔分布于同一分節(jié)上，方便制造加工。

4) 考慮閘門拼接板件的開料尺寸，減少板件的對接拼板焊縫。

5) 考慮運(yùn)輸?shù)缆返倪\(yùn)輸車輛的運(yùn)輸條件。

6) 綜合考慮施工現(xiàn)場的施工安裝條件。

綜合考慮各項條件，將閘門分為5節(jié)，其中左右兩側(cè)邊梁整體各分為Ⅰ節(jié)，Ⅱ節(jié)，各分布有1個支鉸開孔，寬度取至第1跨中隔板板腹板位置。中間部分按主梁結(jié)構(gòu)布置方式自下而上分為Ⅲ節(jié)，Ⅳ節(jié)，Ⅴ節(jié)，Ⅲ節(jié)分布有4個支鉸孔。分節(jié)注意Ⅲ節(jié)，Ⅳ節(jié)，Ⅴ節(jié)主梁分節(jié)切割位需與縱向隔板切割位分別錯開750 mm、500 mm、750 mm，主梁前翼板、后翼板與腹板分別錯開200 mm。面板的橫向?qū)雍缚p設(shè)在主梁或者次梁中心，采用“Ⅴ”型坡口單面焊[1]，坡口向外，面板對接應(yīng)避免十字焊縫。具體分節(jié)尺寸和重量見圖3和表1。

圖3 閘門分節(jié)示意

表1 各分節(jié)尺寸及重量統(tǒng)計

2.2 閘門組拼

閘門的拼裝應(yīng)結(jié)合分節(jié)方案，板件的開料尺寸均按照分節(jié)后的基礎(chǔ)上增加焊接收縮量及切割、加工余量，焊接收縮量按1.2%考慮[1]。閘門分節(jié)后的主梁、邊梁及中縱梁按照分節(jié)尺寸單獨組拼焊接成型后再進(jìn)行整體拼裝，并注意將各分節(jié)位置的腹板及翼板對接位置均按照規(guī)范開好“V”型坡口并預(yù)留2～3 mm間隙[1]。

閘門整體拼裝前先搭建整體拼裝平臺，平臺需用水準(zhǔn)儀測量調(diào)平。閘門整體拼裝先在平臺上鋪設(shè)各分節(jié)面板，再利用經(jīng)緯儀輔助在面板上分別畫好各主梁、邊梁及縱梁定位線并做好標(biāo)記，再將各提前焊接成型的梁體吊裝到面板上進(jìn)行拼裝[2]。

具體的閘門拼裝順序為：面板鋪設(shè)→主梁→中縱梁及隔板→邊梁→各類補(bǔ)強(qiáng)板。閘門各分節(jié)整體拼裝定位后，需要復(fù)查閘門各主梁及邊梁定位尺寸，確認(rèn)無誤后再焊接成型。

2.3 焊接

2.3.1焊前準(zhǔn)備

閘門的鋼板材質(zhì)是Q345B，所有焊件組對焊接前應(yīng)清理好板件的毛刺、鐵銹、氧化皮及其他殘渣，并清除坡口及兩側(cè)不少于20 mm范圍內(nèi)的水、油等雜質(zhì)。

2.3.2焊接方法和順序

如圖4所示，所有板件拼接的對接焊縫均采用雙“V”型坡口焊縫。H型截面梁體用鋼板T型搭接焊成型，梁體腹板與翼板采用單“V”型坡口焊縫。圖5為H型梁半自動埋弧焊焊接方式示意[3]。

圖4 對接焊及T型埋弧焊接示意

圖5 H型梁體焊接示意[3]

對接焊和T型搭接焊接前應(yīng)先用CO2氣體保護(hù)焊1.2 mm(ER50-6)打底，再用半自動埋弧焊，直流反接法(焊絲采用4 mm H10Mn2焊絲，焊劑采用HJ431)按圖4焊接層次順序進(jìn)行焊接，不同焊接位置和層次的焊接工藝參數(shù)，根據(jù)表2調(diào)整，在半自動埋弧焊在進(jìn)行第2施焊前，應(yīng)用碳弧氣刨清根和砂輪機(jī)打磨干凈。

表2 半自動埋弧焊焊接工藝參數(shù)

對無法使用半自動埋弧的，均用手工CO2氣體保護(hù)焊，采用直流反接法，焊絲采用1.2 mm(ER50-6)，具體的焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 CO2保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)[1]

閘門組拼焊接焊縫主要集中在面板側(cè)，且面板厚度比主梁前翼板厚度小1/2，因此面板側(cè)容易因焊接導(dǎo)致熱量集中而造成收縮變形，再加上閘門分節(jié)主梁跨度大，導(dǎo)致閘門整體拼門焊接出現(xiàn)上拱變形，影響閘門整體質(zhì)量。針對這種情況，可采用反變形法[4]，控制焊接變形量。閘門整體拼門焊接時，在主梁兩側(cè)增設(shè)支高墊塊，調(diào)整墊塊高度使主梁中心自然下拱約梁體長度的1/1 000 mm[5]，補(bǔ)償或抵消閘門拼門焊接時收縮的上拱變形量。

拼門焊接順序：主梁后翼板與邊梁后翼板的對接焊接→主梁后翼板與隔板后翼板的對接焊接→隔板與主梁腹板的搭接焊接→主梁前翼板與面板的搭接焊節(jié)→隔板與面板的搭接焊接。焊接前應(yīng)對焊接板件進(jìn)行預(yù)熱，且整體焊接順序應(yīng)由上而下，由中心向邊梁兩側(cè)擴(kuò)散對稱施焊。焊接成型的主、邊梁和T形隔板都需檢測其整體尺寸，對于形位偏差超過規(guī)定值的，需要采用矯正機(jī)對其進(jìn)行矯形，對于閘門整體拼接時產(chǎn)生的變形需采用火焰矯正法[6]對其進(jìn)行矯形。

2.3.3焊后工作

焊后需進(jìn)行打渣、清理飛濺物,鉚焊輔助工裝的拆卸，并按照GB/T 14173—2008規(guī)范中的焊縫類別進(jìn)行檢驗或無損探傷。待各分節(jié)焊接完成后閘門需分體并進(jìn)行預(yù)拼裝，預(yù)拼裝面板朝上，預(yù)拼裝完成后測量閘門整體制造偏差，測量值應(yīng)在GB/T 14173—2008規(guī)范中表13規(guī)定范圍內(nèi)，并記錄相關(guān)偏差值，最后加再焊各分節(jié)拼接定位塊。表4為閘門預(yù)拼裝完成后部分主要測量項目及對應(yīng)測量值。

表4 門體外形尺寸測量(部分) mm

2.4 支鉸孔加工

支鉸孔加工精度的保證是此類閘門的制造難點和重點，整扇閘門底部設(shè)置有6個同軸心的支鉸孔，其中邊梁兩側(cè)支鉸跨度為25.9 m，支鉸旋轉(zhuǎn)軸同軸度偏差設(shè)計要求不大于3 mm。常規(guī)的鏜孔加工機(jī)床無法實現(xiàn)多個鉸孔大跨度鏜孔一次加工成型，如果先加工后焊接，則鉸孔同的軸精度會因為焊接變形而變得不可控制，為確保精度，支鉸孔的加工需要在閘門整體預(yù)拼裝完成后進(jìn)行。

2.4.1支鉸孔軸心線放線及校核

測量放線：閘門分節(jié)組拼焊接完成后，預(yù)拼裝調(diào)整完成后即可對閘門支鉸孔軸心線放線。

如圖6所示，首先利用水準(zhǔn)儀和千斤頂?shù)认嚓P(guān)設(shè)備以面板為基準(zhǔn)調(diào)平整扇閘門，再以面板作為基準(zhǔn)，利用水準(zhǔn)儀通過水平的閘門面板至支鉸中心線的距離H找出支鉸中心線水平面和直線M和N，再配合閘門面板圓弧止水面面板的半徑R則可找出支鉸中心線在邊梁腹板投影位置確定點A1，A2，通過A1，A2即可初步找出閘門整條支鉸軸心線。

圖6 放線示意

校核：利用已知點A1和點A2，利用吊垂垂線至地面標(biāo)記B1和B2兩點，以B1和B2兩點可以找到直線L，通過直線L延長線上找一點X作為經(jīng)緯儀的架設(shè)對中位置并整平經(jīng)緯儀，利用經(jīng)緯儀通視閘門兩端支鉸孔，調(diào)整經(jīng)緯儀保證視線與支鉸軸心線處于同一垂直平面內(nèi)，再將水平轉(zhuǎn)角調(diào)零。將經(jīng)緯水平轉(zhuǎn)角90°，在邊梁腹板上的直線M上隨意找C、E兩點(為確保精度，C點和E點的距離應(yīng)大于10 m)，利用測量尺水平延伸及經(jīng)緯儀讀取L1和L2長度數(shù)值，通過計算|L1-L2|=ΔL數(shù)值校核支鉸軸心線位置精度，若ΔL的值大于1 mm，則應(yīng)適當(dāng)調(diào)整A1和A2點位置并重新校核，直至滿足設(shè)計要求，并在相應(yīng)的加工位置做好定位標(biāo)記和數(shù)據(jù)記錄。

2.4.2支鉸孔加工

為應(yīng)對支鉸孔的鏜孔加工，需要專用的輔助鏜孔加工定位調(diào)整的工裝設(shè)備，結(jié)合測量放線，確保支鉸孔加工同軸精度滿足設(shè)計要求。專用的輔助鏜孔工裝主要由安裝底座、調(diào)整座、調(diào)整螺釘、安裝法蘭座幾大部分組成，該裝置可通過調(diào)整螺栓擰轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鏜孔加工轉(zhuǎn)軸軸心線的徑向移動調(diào)整和固定(見圖7)。

圖7 輔助鏜孔工裝示意

輔助鏜孔工裝安裝時應(yīng)先根據(jù)放線測量找出的支鉸軸心線，將安裝底座中心初步對準(zhǔn)軸心線，再將其焊接固定于待加工支鉸孔兩側(cè)腹板上(見圖8)。安裝底座固定后，將便攜式鏜孔機(jī)的加工轉(zhuǎn)軸軸穿過前后兩個裝置的關(guān)節(jié)軸承中孔并利用安裝法蘭安裝固定與裝置上，通過調(diào)整螺栓對便攜式鏜孔機(jī)加工轉(zhuǎn)軸徑向位置進(jìn)行調(diào)整，配合上一步的放線定位標(biāo)記和經(jīng)緯儀測量校驗，找到支鉸孔的軸心線。

圖8 支鉸鏜孔加工示意

整扇閘門的支鉸孔加工完成后，需重新復(fù)測各支鉸孔的同軸度誤差，并做好相關(guān)測量記錄，以提供現(xiàn)場拼裝時調(diào)整支鉸座的安裝尺寸，圖9和表5為支鉸孔測量示意及測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖9 支鉸測量示意

表5 支鉸孔同軸度測量統(tǒng)計

2.5 閘門現(xiàn)場吊裝拼接

2.5.1吊裝準(zhǔn)備

閘門進(jìn)場拼接前確保閘門支鉸座初步安裝固定完成，各支鉸座的定位應(yīng)根據(jù)其對應(yīng)閘門上的各支鉸孔的軸孔同軸度偏差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.5.2吊裝順序和拼裝

閘門現(xiàn)場吊裝拼接面板朝上，結(jié)合閘門總體結(jié)構(gòu)和拼裝特點，總體吊裝順序如圖10所示：①Ⅰ節(jié)→②Ⅱ節(jié)→③Ⅲ節(jié)→④Ⅳ節(jié)→⑤Ⅴ節(jié)。

圖10 閘門分段吊裝拼裝順序示意

吊裝Ⅰ節(jié)、Ⅱ節(jié)和Ⅲ節(jié)時，分節(jié)閘門底部支鉸與支鉸座進(jìn)行穿軸安裝，拼裝時支鉸安裝應(yīng)以底節(jié)Ⅲ內(nèi)的支絞孔作為安裝基準(zhǔn)，支鉸座和兩邊梁節(jié)的支鉸孔隨其安裝調(diào)整。調(diào)整完成Ⅰ節(jié)、Ⅱ節(jié)和Ⅲ節(jié)后需對閘門和支鉸座進(jìn)行初步加固，加固完成再吊裝Ⅳ節(jié)和Ⅴ節(jié)。

現(xiàn)場拼裝：閘門吊裝到位后，應(yīng)在各個分節(jié)拼接定位塊附近位焊花蘭螺母或設(shè)置手拉葫蘆，通過調(diào)節(jié)花蘭螺母和手拉葫蘆使分節(jié)閘門慢慢拼合，直至各分節(jié)定位塊配合到位。注意各分節(jié)閘門的調(diào)節(jié)均需有序進(jìn)行且相互協(xié)調(diào)。當(dāng)各分節(jié)閘門拼接到位后利用水準(zhǔn)儀和千斤頂對閘門進(jìn)行整體調(diào)平，調(diào)平以閘門面板基準(zhǔn)。閘門調(diào)平完成后復(fù)測閘門的外形尺寸，并與與廠內(nèi)預(yù)拼裝時測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢驗無誤后再進(jìn)行拼裝焊接。

閘門現(xiàn)場施工拼接時焊接人員均需從閘門拼裝下方進(jìn)行拼裝焊接，焊接采用人工采用手工CO2氣體保護(hù)焊，遵循由閘門中心向邊梁兩側(cè)擴(kuò)散對稱施焊，待閘門面板對接焊，主梁對接焊縫及縱梁搭接焊縫焊接完成后，利用啟閉機(jī)設(shè)備將閘門提升，最后進(jìn)行主梁后翼板和縱梁后翼板的對接焊，戶外焊接施工時應(yīng)做好防風(fēng)措施，以確保焊縫質(zhì)量。

3 結(jié)語

大跨度翻版閘門的制造重點難點主要集中在閘門支鉸孔的加工、拼裝精度和焊接變形的控制上。閘門制造前可通過三維軟件對閘門進(jìn)行整體放樣，更直觀了解和分析其結(jié)構(gòu)特點，合理選擇分節(jié)及拼裝方案。閘門拼裝前先將閘門分節(jié)后的主梁、邊梁及中縱梁按照分節(jié)尺寸單獨組拼焊接成型后再進(jìn)行整體拼裝。這樣的閘門制造組拼方式實現(xiàn)了由小到大，由個別到整體的生產(chǎn)制造和拼裝順序，不僅能減少錯漏及返工，還能減少焊接變形，從而提高閘門制造精度和效率。支鉸孔的加工難點在于軸線的測量放線及校核檢查，需要針對性地設(shè)計專用的鏜孔加工工裝，并設(shè)計可靠的測量和調(diào)整方法，從而確保支鉸孔的加工精度滿足設(shè)計要求。