張茂華

(中國(guó)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 概述

近年來(lái)，斜支臂弧形閘門(mén)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(mén)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(dú)設(shè)鑄鋼活動(dòng)鉸。斜支臂制造時(shí)，調(diào)整支臂的扭角后，通過(guò)調(diào)整軸套與支臂的拼裝角度來(lái)控制支臂的水平偏斜角，同時(shí)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(duì)鉸軸孔進(jìn)行機(jī)械加工，對(duì)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(jī)械加工時(shí)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(cè)量誤差、加工精度等多種因素疊加，進(jìn)一步加大了斜支臂弧形閘門(mén)焊接支鉸制造的技術(shù)及工藝難度。因此，斜支臂弧形閘門(mén)焊接支鉸制造的技術(shù)含量高，制造過(guò)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(wèn)題，造成大量返修、返工，造成不利后果。

2 閘門(mén)特性

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

弧門(mén)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(guò)程中，調(diào)整前支臂的扭角后，通過(guò)調(diào)整軸套與支臂的拼裝角度來(lái)控制支臂的水平偏斜角，同時(shí)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(guò)程中會(huì)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(mén)葉為基準(zhǔn)，在支臂和門(mén)葉整體預(yù)拼裝確定支鉸中心后再對(duì)軸套進(jìn)行二次機(jī)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(jī)加工→軸套、支臂聯(lián)合組裝→焊接→尺寸檢查、無(wú)損檢測(cè)→焊接支鉸整體退火→無(wú)損檢測(cè)→支臂、門(mén)葉整體預(yù)拼裝→檢測(cè)、劃線→軸套二次機(jī)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(gè)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(jì)圖紙，創(chuàng)建弧形閘門(mén)三維模型(如圖2、圖3)，并應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

圖2 焊接支鉸斜支臂弧形閘門(mén)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(cè)。將弧形閘門(mén)各部件在三維軟件中進(jìn)行總裝，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)碰撞檢測(cè)規(guī)則，即可進(jìn)行碰撞檢測(cè)。根據(jù)碰撞檢測(cè)結(jié)果，快速定位碰撞點(diǎn)，提交碰撞檢測(cè)報(bào)告，供設(shè)計(jì)單位進(jìn)行方案優(yōu)化。

(2)通過(guò)三維模型對(duì)焊接支鉸等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件進(jìn)行分解，根據(jù)三維分解結(jié)果進(jìn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)交底的快速性與準(zhǔn)確性，使項(xiàng)目參與人員充分理解設(shè)計(jì)意圖，更形象、直觀地了解復(fù)雜關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，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(shí)控制焊接支鉸的鉸鏈中心位置，將以前支臂中心為基準(zhǔn)，控制支臂扭角及兩支臂開(kāi)口跨距，在相應(yīng)的平臺(tái)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(zhǔn)備工作

(1)將軸套進(jìn)行第一次機(jī)加工。軸套為Q345B鍛件，鍛造時(shí)在各個(gè)方向上均預(yù)留了加工余量，因此在進(jìn)行組裝前須對(duì)軸套進(jìn)行加工，包括鉸內(nèi)孔、外壁、兩側(cè)端面。但是，在第一次機(jī)加工軸套時(shí)，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(jī)加工余量，在寬度方向上留12mm的二次機(jī)加工余量。

(2)按照支臂中性層的角度、支臂長(zhǎng)度和前端開(kāi)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(tái)上畫(huà)出地樣。

(3)按照支臂中性層的角度、支臂長(zhǎng)度和前端開(kāi)口尺寸放出前支臂中心線，并進(jìn)行地樣標(biāo)識(shí)。

(4)按斜支臂的尺寸在地樣上搭設(shè)前支臂平臺(tái)，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(tái)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)。控制前支臂中心和支臂中心線重合。按支臂前端開(kāi)口跨距和支臂長(zhǎng)度將支臂前端的斜口標(biāo)識(shí)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?qǐng)D示尺寸放樣，標(biāo)識(shí)出腹板、隔梁、筋板位置，然后以腹板→隔梁→筋板的順序進(jìn)行組裝。

(3)將軸套安裝到焊接支鉸上，利用水準(zhǔn)儀和線錘測(cè)量、調(diào)整軸套與支臂的拼裝角度；利用水準(zhǔn)儀測(cè)量、調(diào)整支臂中心線與軸套中心的高程度；利用卷尺測(cè)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(cè)量合格后對(duì)軸套進(jìn)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(jìn)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(diǎn)。因此，在進(jìn)行組裝、焊接前，先對(duì)焊接支鉸所有的焊縫進(jìn)行編號(hào)，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(jìn)行組裝封閉，減少內(nèi)部焊縫的工作量，同時(shí)也更加利于提高焊縫質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)焊接參數(shù)要進(jìn)行嚴(yán)格控制，焊接工藝進(jìn)行明確要求，所有焊縫在焊接前都須用加熱片進(jìn)行預(yù)熱，焊接完成后用保溫棉進(jìn)行保溫。預(yù)熱溫度、保溫時(shí)間均應(yīng)滿(mǎn)足NB/T 35045-2014相關(guān)要求。

焊接時(shí)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(cuò)開(kāi)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(jìn)行超聲波檢查。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)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(cè)完畢并合格、幾何尺寸等檢查合格后進(jìn)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(shí)間、溫度升降速率均應(yīng)按要求嚴(yán)格執(zhí)行(退火參數(shù)見(jiàn)圖5)。從常溫加熱至300℃時(shí)的保溫使溫度均勻，加熱過(guò)程中升溫速度嚴(yán)格控制，防止裂紋產(chǎn)生；在保溫過(guò)程中，溫度要控制準(zhǔn)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(guò)程中，降溫速度準(zhǔn)確控制，避免降溫過(guò)程中產(chǎn)生新的冷卻應(yīng)力。保溫時(shí)使各部溫度均勻后方可開(kāi)爐冷卻至常溫，退火后進(jìn)行全面復(fù)查各尺寸，并再次進(jìn)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(mén)整體預(yù)拼裝及放樣、劃線

通過(guò)門(mén)葉和支臂整體預(yù)拼裝來(lái)確定在安裝狀態(tài)下弧形閘門(mén)的實(shí)際鉸鏈中心，以此來(lái)對(duì)軸套進(jìn)行二次機(jī)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(xiàng)尺寸。

4.5.1 整體預(yù)拼裝前的準(zhǔn)備工作

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

(2)將前支臂、焊接支鉸進(jìn)行整體組裝，按理論尺寸調(diào)整好支臂長(zhǎng)度、前端開(kāi)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(chǎng)地上和底檻上放出門(mén)葉中心線和門(mén)葉底緣控制線；

(2)將各節(jié)門(mén)以底緣線和門(mén)葉中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行組裝，組裝時(shí)，應(yīng)對(duì)各節(jié)門(mén)葉進(jìn)行可靠加固，防止傾倒；

(3)以已組裝好的門(mén)葉調(diào)整鉸鏈中心，并在球心器上做好標(biāo)識(shí)；

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

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

4.6 軸套二次機(jī)加工

機(jī)加工前，應(yīng)先根據(jù)軸套寬度中心標(biāo)記找正，保證軸套內(nèi)孔及兩端面分別與門(mén)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(biāo)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(biāo)記將軸套加工到理論寬度。加工前，須按標(biāo)記進(jìn)行焊接支鉸整體找正。軸套內(nèi)孔的二次機(jī)加工必須同時(shí)以軸套兩側(cè)的加工標(biāo)記為基準(zhǔn)，控制軸套內(nèi)孔和門(mén)葉中心線垂直；軸套兩側(cè)端面的二次機(jī)加工須控制端面與鉸孔垂直度≤1.0mm。

4.7 活動(dòng)鉸與固定鉸裝配

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

5 結(jié)語(yǔ)

斜支臂弧形閘門(mén)焊接支鉸制造關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)解決了該類(lèi)產(chǎn)品的制造難點(diǎn)，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(mén)已投入運(yùn)行多年，運(yùn)行狀態(tài)良好。