水工閘門的焊接變形及防止措施探討

朱 政

（中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，樂(lè)山 614100）

在我國(guó)大小水利工程中，鋼閘門應(yīng)用廣泛。應(yīng)用期間，鋼閘門不僅需要具備高水頭和大卸量等施工條件，還兼具工程造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)高水頭下的流量。對(duì)鋼閘門各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行不均勻冷卻或者加熱，屬于焊接施工范疇。焊接施工可能會(huì)導(dǎo)致鋼閘門出現(xiàn)焊接應(yīng)力或焊接變形，若是超過(guò)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)影響鋼閘門的正常使用[1]。

1 鋼閘門焊接變形問(wèn)題

1.1 制作單個(gè)構(gòu)件的技術(shù)不過(guò)關(guān)

水工鋼閘門組成構(gòu)件數(shù)量較多，若是在制作構(gòu)件期間出現(xiàn)質(zhì)量不過(guò)關(guān)等問(wèn)題，將會(huì)造成水工鋼閘門在焊接工程中受到外力影響而出現(xiàn)變形。以制作要求為依據(jù)，水工鋼閘門的所有構(gòu)件在制作期間或者構(gòu)件在組裝期間要適當(dāng)預(yù)留間隙，控制焊接收縮量。但是，部分工作人員在施工組裝構(gòu)件期間會(huì)因?yàn)樽陨砣狈I(yè)知識(shí)，難以合理控制間隙大小，造成焊接變形。

出現(xiàn)焊接變形一方面會(huì)對(duì)構(gòu)件自身的尺寸大小產(chǎn)生不良影響，另一方面會(huì)影響門葉總體安裝質(zhì)量，縮短鋼閘門使用壽命，影響鋼閘門的正常使用。此外，單個(gè)構(gòu)件頂部位置的坡口形狀也會(huì)導(dǎo)致焊接變形。

1.2 門葉的整體焊接質(zhì)量不高

焊接水工閘門期間，要尤其關(guān)注組成構(gòu)件，保證其質(zhì)量達(dá)標(biāo)，以免影響整體質(zhì)量。從當(dāng)前水工閘門焊接的情況看來(lái)，門葉在進(jìn)行焊接期間，質(zhì)量總體不高，會(huì)在一定程度上加劇焊接變形。制作水工閘門期間，焊接門葉是最重要的工序。要求工程監(jiān)理人員必須有效控制施工人員的素質(zhì)、數(shù)量以及焊接技術(shù)等，要求施工人員必須要充分掌握焊接基本流程。但是，部分監(jiān)督管理人員在工作期間往往會(huì)疏忽，導(dǎo)致焊接水工閘門門葉發(fā)生各種問(wèn)題，造成水工閘門出現(xiàn)焊接變形。

1.3 拼裝門葉誤差較大

在制作水工閘門期間，拼裝門葉是最重要的步驟，也是最容易出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)。一般情況下，在進(jìn)行門葉拼裝期間，必須嚴(yán)格以設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，確保拼裝門葉的準(zhǔn)確性。但是，由于受到多方面因素的影響，拼接門葉的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，其中誤差偏大極為常見(jiàn)。誤差偏大會(huì)造成焊接門葉的過(guò)程中出現(xiàn)較大的焊接變形[2]。

2 焊接變形控制的技術(shù)方法

2.1 退火法

退火法作為一種焊接變形控制的方法，基礎(chǔ)是焊接變形規(guī)律，利用退火法控制水工閘門的焊接變形。在構(gòu)件焊接過(guò)程中必須選擇專門的夾具固定構(gòu)件，并在固定構(gòu)件的前提下進(jìn)行焊接，此時(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)變形等問(wèn)題。倘若在完成焊接后直接拆除夾具，將會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力過(guò)高而引起焊接變形問(wèn)題。所以，在結(jié)束焊接工作后不要快速拆除夾具，而是要將其放到退火爐中加熱，使其溫度達(dá)到600～650 ℃，并在退火爐中靜置4 h左右。保溫期間，被焊接的構(gòu)件溫度值將會(huì)隨著爐子的溫度變化而變化，最終逐漸下降到與室內(nèi)相同的溫度。此時(shí)構(gòu)件在焊接時(shí)的殘余應(yīng)力基本消散，即使解除夾具，也不會(huì)造成焊接變形。

2.2 預(yù)應(yīng)力法

在控制焊接變形期間，預(yù)應(yīng)力法是最常見(jiàn)的方法之一。按照實(shí)施措施的不同，這種方法可以分為拉伸法和預(yù)應(yīng)力法。預(yù)拉伸法主要是將拉伸力適當(dāng)增加在焊接縫隙上，在完成焊接后對(duì)其進(jìn)行冷卻卸載，從而降低變形程度。預(yù)應(yīng)力法選擇使用加熱法或者施加外力的方法控制焊接變形的程度。

2.3 振動(dòng)焊接法

振動(dòng)焊接法相較于其他類型的焊接技術(shù)，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。振動(dòng)焊接法作為一種創(chuàng)新型焊接工藝，基礎(chǔ)為振動(dòng)時(shí)效理論。選擇使用振動(dòng)焊接法工藝進(jìn)行焊接時(shí)，可以降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，盡可能避免出現(xiàn)焊接變形。相關(guān)研究結(jié)果表明，在水工鋼閘門出現(xiàn)橫向收縮變形和控制角變形的時(shí)候，使用振動(dòng)焊接法可以獲得很好的改善效果。普通焊接法在處理橫向收縮變形時(shí)，可以將變形控制在3 mm左右。但是，選擇采用振動(dòng)焊接法控制橫向收縮變形時(shí)，可以將其變形幅度控制在1.3 mm左右。

3 水工閘門焊接變形控制措施

選擇焊接熱源加熱水工閘門結(jié)構(gòu)時(shí)，若施熱不夠均勻，將會(huì)導(dǎo)致焊接出現(xiàn)變形。在已經(jīng)確定水工閘門各構(gòu)件的尺寸和形狀的前提下，若選擇使用的焊接手段、焊接順序以及焊接規(guī)范等等出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)影響水工閘門出現(xiàn)焊接變形。當(dāng)水工閘門被焊接完成后，將不能啟出孔口，難以對(duì)其展開(kāi)總體加工，所以控制焊接變形尤為重要。

3.1 焊接手段

水工閘門在進(jìn)行焊接時(shí)出現(xiàn)變形問(wèn)題，普遍是受到加熱不均勻的影響，具體的加熱情況也會(huì)對(duì)焊接變形的大小等產(chǎn)生直接影響。在焊接過(guò)程中，加熱集中程度、熱源和焊接方法存在一定的差異，導(dǎo)致焊接產(chǎn)生的變形存在很大不同。這就要求焊接工作人員以多年的工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，觀察水工閘門的施工情況。正確認(rèn)識(shí)手工電弧焊接、埋弧自動(dòng)焊接、氣體保護(hù)焊接以及氣焊接所產(chǎn)生的變形大小。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用成果可以發(fā)現(xiàn)，氣體保護(hù)焊接可以最大限度地降低焊接加熱不均勻的程度，降低焊接變形。

3.2 焊接規(guī)范

焊接變形會(huì)受到焊接線能量的直接影響。在水工閘門焊接前，需要正確評(píng)定專項(xiàng)焊接施工工藝，制定出臺(tái)與項(xiàng)目工程相符合的焊接施工工藝規(guī)范，最大程度降低水工閘門結(jié)構(gòu)變形，從而降低焊接線能量。

3.3 焊接順序

除上述兩類因素之外，焊接變形還會(huì)受到焊接順序的影響。焊接結(jié)構(gòu)件需完成離構(gòu)件行心軸較近的構(gòu)件焊接工作，逐漸增加構(gòu)件的剛度。倘若焊接工作會(huì)引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的變形情況，應(yīng)該將其安排在最后。當(dāng)結(jié)構(gòu)的形心軸兩側(cè)都存在焊縫時(shí)，應(yīng)該先焊接焊縫較少的一側(cè)。在焊接大長(zhǎng)度焊縫時(shí)，可選擇使用斷續(xù)焊接的方式。采取對(duì)稱焊接的方式焊接大結(jié)構(gòu)件，可以有效減少焊接變形問(wèn)題。

在項(xiàng)目工程焊接過(guò)程中，焊接順序可總體上分為4步[3]。第一，焊接隔板或者縱梁的對(duì)接縫時(shí)，將界限界定為行心軸位置，從行心軸向兩側(cè)位置進(jìn)行對(duì)稱施焊。第二，焊接后翼緣板時(shí)，要先焊接閘門的邊梁位置，再焊接后翼緣板，隨后對(duì)縱梁原翼采取打底定位后進(jìn)行焊接處理。第三，焊接面板焊縫采用斷續(xù)焊進(jìn)行焊接打底。第四，完成全部面縫和后翼緣板的焊縫焊接工作。

3.4 監(jiān)測(cè)與控制變形

在水工閘門的焊接過(guò)程中，焊接人員必須要?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)門葉變形情況。定期選擇使用水平儀對(duì)門葉變形和焊接收縮情況進(jìn)行觀察和檢測(cè)，便于在最短的時(shí)間發(fā)現(xiàn)變形問(wèn)題，并做出相應(yīng)的處理。若在焊接過(guò)程中出現(xiàn)整體彎曲問(wèn)題，按照相應(yīng)的規(guī)范要求朝向迎水面凸且沒(méi)有超過(guò)規(guī)定值，那么則彎曲正常。若按照規(guī)范要求凸向相反的方向，那么必須及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。在調(diào)整時(shí)可選擇使用焊接線能量調(diào)整的方法，對(duì)焊接順序作出相應(yīng)的改變，強(qiáng)化對(duì)門葉支撐點(diǎn)改變的控制。

3.5 控制門葉劃線拼裝

在測(cè)評(píng)合格的組裝平臺(tái)上鋪好面板并進(jìn)行劃線處理。劃線結(jié)果的準(zhǔn)確度將直接影響閘門拼接的間隙，若處理不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致焊接閘門時(shí)出現(xiàn)變形問(wèn)題。所以，在確定拼裝工藝時(shí)，要制定相關(guān)的工藝要求，對(duì)劃線位置和拼裝工作進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)范處理。拼裝期間需要嚴(yán)格控制各個(gè)部位的間隙，如隔板、主梁以及覆蓋面板等，嚴(yán)格禁止強(qiáng)行組裝工作。拼裝完成門葉后，由相應(yīng)的檢查人員嚴(yán)格檢查坡口大小、總體尺寸和組裝間隙[4]。若沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，要及時(shí)進(jìn)行整改，直至達(dá)到要求。

4 以某工程為例探究焊接變形校正的措施

4.1 工程概況

我國(guó)某地區(qū)的水利樞紐工程是規(guī)劃建設(shè)在瑪納斯河流域的一期工程。攔河壩、右岸溢洪道、泄洪洞以及發(fā)電引水系統(tǒng)是組成該水利工程的重要結(jié)構(gòu)。正常情況下，水庫(kù)蓄水的水位可以達(dá)到990 m，大壩最高高度為129.4 m，庫(kù)容量達(dá)到1.88×108m3，電站裝機(jī)容量為100 MW。

該工程項(xiàng)目在進(jìn)行導(dǎo)流的時(shí)候，共設(shè)置3孔鋼閘門，鋼閘門的寬度值為9.7 m，高度值為36.63 m，屬于整體性焊接閘門，沒(méi)有設(shè)置節(jié)間止水，閘門的總質(zhì)量達(dá)到227 t。閘門共分為13個(gè)單獨(dú)的節(jié)出廠，每節(jié)尺寸為9 750 mm×3 000 mm×1 500 mm（即長(zhǎng)×寬×高），要進(jìn)行組裝焊接。

4.2 單構(gòu)件校正

翼緣板塌邊、翼緣板旁彎以及腹板背彎是水工閘門單構(gòu)件焊接變形最常見(jiàn)的類型。在對(duì)翼緣板塌邊展開(kāi)矯正處理時(shí)，可選擇使用剛性矯正機(jī)完成處理?？刂聘拱搴鸵砭壈逯g的垂直度，使其始終保持在施工要求的范圍之內(nèi)。采用三角形火焰法對(duì)翼緣板旁彎和腹板背彎兩種類型的變形作出矯正，保證三角形開(kāi)口位置朝向變形凸處。需要注意，要在相同的地方展開(kāi)一次火焰矯正。

4.3 矯正面板局部不平整

在焊接完成縱梁、次梁、主梁和面板后，面板將會(huì)形成網(wǎng)格狀的不平整豆腐塊兒。本次工程施工中，要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的矯正工作?？蛇x擇應(yīng)用火焰矯正法展開(kāi)，以梅花點(diǎn)烘烤加水冷卻的方式完成矯正。使用烘槍在迎水的一面完成面板局部烘好工作，進(jìn)而形成類似于梅花狀的多個(gè)加熱圓點(diǎn)，同時(shí)控制它的直徑保持在50～70 mm。這種矯正方法能夠在很大程度上消除面板焊接應(yīng)力，快速地將面板平整度恢復(fù)到理想狀態(tài)。倘若面板出現(xiàn)較大的變形，那么在施工過(guò)程中要綜合機(jī)械矯正和火焰矯正，選擇使用千斤頂頂住面板后再用火焰進(jìn)行加熱處理，而后進(jìn)行加壓。按照這種方法多次多處展開(kāi)操作，確保面板逐漸恢復(fù)到平整狀態(tài)[5]。

4.4 矯正閘門主梁旁彎和止水座平面旁彎

在本次工程施工期間，由于沒(méi)有節(jié)間止水，需要矯正止水座面平面和閘門主梁旁彎。在組織開(kāi)展矯正期間，可選擇采用線狀加熱矯正法，在凸起的范圍內(nèi)以變形范圍的長(zhǎng)短為依據(jù)，控制加熱的厚度為20～60 mm，并選擇應(yīng)用烘槍加熱形成多道線狀。加熱止水座面平面的時(shí)候，可選擇采用點(diǎn)狀加熱法輔助矯正，在矯正完成后進(jìn)行相應(yīng)的加工處理工作，以保證止水效果。

5 結(jié)語(yǔ)

采取焊接控制措施和更正方法，可以合理控制水工鋼閘門焊接變形問(wèn)題，使鋼閘門的焊接變形被控制在允許的范圍內(nèi)，同時(shí)與設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定和要求相符合。在完成鋼閘門焊接工作后，需做出適當(dāng)矯正，確保使用質(zhì)量不受任何因素影響，將各個(gè)環(huán)節(jié)的施工工作落實(shí)到位，提高工程的整體質(zhì)量。