双拱空间网架平面钢闸门的制造工艺

江 舸,徐海娜

(浙江宝业钢结构有限公司,浙江 绍兴 312030)

1 前 言

曹娥江大闸枢纽工程是浙江省重点工程,也是我国在强涌潮河口建设的第一大闸,位于绍兴市钱塘江下游右岸主要支流曹娥江河口。挡潮泄洪闸位于曹娥江左侧河床上,总净宽 560m,共设 28孔,每孔净宽 20m。

挡潮泄洪闸工作闸门为双拱空间网架平面钢闸门。这是我国首次应用于强涌潮河口地区的一种新型挡潮钢闸门,不仅能有效解决潮涌冲击力对闸门的影响,消除共振,提高闸门的使用寿命,还容易从涌潮带来的淤沙中提升,降低闸门启闭力;此外还具有自重轻、刚度好等优点。闸门宽 21.74m,高5.5m,拱顶至面板距离 3.8m,重达 118t。目前,国内外尚无此类闸门的制作经验可以借鉴。闸门结构形式见图1。

图1 双拱空间网架平面钢闸门

2 主要结构特点和制作难点

双拱空间网架平面钢闸门由空间管桁架和平面钢结构组成,结构比较特殊,在制作过程中,应注意以下特点和技术难点:

(1)材料成本控制。该闸门结构形式特殊,构件规格多,形状不规则,需进行合理的排料,有效提高材料利用率,降低制作成本。

(2)双拱钢管弯制质量控制。闸门空间管桁架双拱钢管的弯曲曲线为抛物线 +多次方的函数,制作要求钢管弯曲成型的外径不得大于 ±2mm设计外径及设计外径的 0.5%中的较小值,壁厚与设计壁厚的差值不得大于 ±1mm及设计壁厚的 10%中的较小值。弯制钢管的规格主要有 φ530×18和φ402×14,直径大,管壁厚,弯制质量较难控制。

(3)拼装累计误差控制。闸门由空间管桁架和平面钢结构两部分组成,外形尺寸大,结构特殊,制作精度要求高,因此需对每道工序进行严格的质量控制,保证闸门整体尺寸的准确性。

(4)焊缝质量及焊接变形控制。闸门与面板连接的焊缝占闸门整体焊缝的五分之四,且大多构件需在空间位置进行拼装焊接,焊缝多且分布极不均匀,焊缝质量及焊接变形控制难度大。

(5)安全及进度控制。闸门外形尺寸大,重量大,制作过程中应在保证安全的前提下,采取合理的措施加快制作进度。

3 技术工艺措施

钢管弯制、单榀桁架制作、闸门总拼装焊接、闸门翻身是该闸门制作过程中的主要难点。针对这些特点,结合传统水工类闸门的制作经验,经过多次局部模拟实验和专家论证会的充分论证,研究制定了相应的方案措施,并在生产过程中对工艺方案加以改进完善,保证了制造质量,闸门顺利通过验收。采取的主要措施如下:

3.1 钢管弯制

(1)制作曲线靠模:钢管冷弯后容易出现折皱、椭圆等现象,难以满足设计要求。为解决此难题,用型材和钢板特别制作了一个长 4.8m的曲线顶推靠模,靠模的弧度考虑适当的反弹余量,有效地控制了钢管弯制的精确度。靠模结构见图2。

图2 钢管弯制工装示意

(2)弯制工艺:将钢管吊至冷弯工装工作台上,钢管两端铰接,在中间区域通过大型油压机顶推曲线靠模至钢管拱度符合要求,再将钢管移位后顶推下一直段,按顺序逐步完成整个钢管的弯制。每次钢管移位时都应保证靠模中心与两支铰点的钢管中心在同一个水平面上,以确保整个弯管的平面度,防止在连续弯制过程中钢管发生扭曲。钢管弯制成型后经校验若存在误差,再进行局部顶推修正,直到几何尺寸完全符合设计及规范要求。

3.2 鱼腹式单榀桁架制作

每扇闸门由四榀管桁架组成,每榀管桁架由不同规格的焊接钢管和无缝钢管组成。拼装前搭设拼装胎架,胎架平面度控制在 2mm之内。拼装顺序:首先在拼装大样胎架上就位下弦杆,然后依次拼装中间最长的直腹杆→中部上弦杆 2→其余直腹杆,最后拼装外围上弦杆 1(见图3)。

图3 闸门单榀桁架结构示意

组拼过程中应注意:相贯口的间隙必须符合规范要求,尤其是上弦杆与下弦杆的相贯口为手工切割,如间隙过大则应进行堆焊,修磨合格后方能组拼,所有钢管上胎架后必须对准大样。拼装完成后,进行桁架的整体焊接,最后切割弦杆两端与门体连接的相贯口。

3.3 闸门整体拼装

根据闸门的结构形式,将闸门分解成独立的最大构件单元单独制作。如:面板、水平梁系、支承座、双拱管桁架、边梁等均先独立组装焊接调形,单件制作完成检查合格后再参与闸门整体拼装。这样既可减少闸门整体焊接时的工作量和焊接变形,又可最大程度地减少累计误差,保证闸门制作精度,同时也大大加快了制作进度。

闸门整体拼装采用卧倒式拼装法,即面板朝下,管桁架朝上。拼装顺序:在拼装平台上铺设面板→在面板上划出水平梁系的位置线→拼装水平梁系→拼装四榀双拱管桁架→拼装两侧下弦支承座→拼装两侧边梁。闸门整体定位后拼装完成,检查整体几何尺寸,合格后进行整体焊接(见图1、4)。

图4 面板梁系布置示意

拼装过程应注意:

(1)面板应与拼装平台贴实,梁系位置线清晰、准确,以减少闸门拼装累计误差,确保拼装精度;

(2)梁系、隔板以及双拱空间管桁架拼装时,均应注意控制拼装间隙和垂直度;

(3)支承座拼装时,应注意其与管桁间的相贯连接间隙。

3.4 闸门整体焊接

焊接是闸门成型的主要工序。由于面板上水平梁系(方箱梁)、隔板较多,焊接量非常大,加上构件结构形式特殊,焊接时如果控制不当,极易引起焊接变形;而一旦发生整体焊接变形(如面板内凹或扭曲过大),将很难补救,意味着整个闸门可能报废。

经过反复模拟焊接实验,确定了本闸门的整体焊接原则及顺序:电焊工焊位对称布置,按从中间向四周、从管桁向面板扩散的原则,采用小线能量对称焊、退步焊、跳焊和气体保护焊等工艺措施,从而有效控制了闸门整体的焊接变形,闸门几何尺寸完全符合设计及相应规范标准的要求。

3.5 闸门翻身及总预拼

闸门根据起重、运输条件分二节制作,最重单节重约 62t。为顺利实现闸门多次翻身,同时确保厂内32t吊车的运行安全,设计了一个专门用于闸门旋转的翻身机构。该机构操作简单、安全、高效快捷(见图5)。

图5 闸门翻身机构

在单节闸门两侧边梁上焊接临时翻转用的轴承,轴承设置在旋转半径最小、受力最合理的位置。单节闸门用两台 32t的吊车水平抬吊至翻身机构上,将闸门边梁两侧的临时转轴卡入机构的半圆承托上,吊车慢慢松钩,单节闸门通过转轴自然旋转成一定的角度,然后吊车从另一侧吊起闸门,旋转至180°,面板朝上,完成翻身。

闸门翻身后,在预拼马凳上进行面板调形、总预拼装和止水座等构件的拼装。闸门翻身工装和预拼马凳的结构形式及截面尺寸,根据闸门的结构形式及分节后闸门的重心位置确定。闸门拆分前,在面板及边梁上焊接现场安装定位块;总预拼时采用油尼龙滑块使闸门合拢,然后进行面板划线、边缘切割以及止水座、滑块座、闸门吊耳等构件的拼装焊接。

3.6 止水座安装

将止水座工作面铣平后装配到闸门上,再通过高削低补的方法来调整止水座与闸门的间隙,从而确保整个闸门止水座平整度达到要求,提高了效率,节约了成本。

3.7 闸门防腐

为确保闸门喷涂时温度、湿度和无风的要求,建造了两座全封闭式专用厂房,分别进行闸门表面预处理和涂装,并在防腐过程中采用强排风和水吸除尘法,既保证了涂装质量,也消除了浮尘对环境的污染。

3.8 其 他

除上以外,对整个闸门的单件下料、拼装、焊接、调形、划线、整体组装等一系列工艺流程都制定了专门的工艺指导书和控制焊接变形的工艺措施。

4 检验依据及结果

因闸门结构形式特殊,根据设计图纸要求,闸门平面部分的结构尺寸、整体焊缝质量及防腐质量,按《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》进行检查。闸门空间网架部分的制作按GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》和 JGJ81-2002《建筑钢结构焊接规程》检查。钢管弯制及对接,则按 SY/T5257-2004《油气输送用钢制弯管》和 DL/T5017-93《压力钢管制造安装及验收规范》进行检查。经监理、业主、设计和安装单位对闸门进行整体结构验收,闸门制作质量满足使用功能和规范要求。

5 结束语

通过对产品全过程的质量控制,并不断优化改进技术工艺,成功地完成了闸门制作任务。目前,28扇双拱空间网架平面钢闸门已全部顺利安装完成。闸门与门槽配合严密,双拱钢管曲线光滑流畅,闸门底缘平直如线,整体结构美观大方。并已顺利通过了专家组的通水验收,被评为优良工程,整体工程将申报鲁班奖。

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].第 2版.北京:机械工业出版社,2001.

[2]北京钢铁设计研究总院.GB50017-2003《钢结构设计规范》[S].北京:中国计划出版社.2003.