塔贝拉水电站竖井圆形堵头闸门加工工艺

赵 文 斌， 王 生 瓒

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴基斯坦塔贝拉水电站四期扩建项目取水口3号竖井直径为13.72 m，竖井混凝土衬砌壁厚1 m。竖井顶部设堵头钢闸门将竖井封堵，相当于用盖板盖住竖井。由于该堵头闸门的设计工况为双向水压而不同于普通闸门，设计时从安全、运输、安装等角度进行了全面考虑。该堵头闸门工况分两种:①当隧洞内施工时，堵头闸门挡上方的水压，②当竖井上方的取水塔施工时，机组已发电，竖井内充满水，此时堵头需要挡下方的水压[1]。由于此种结构形式的闸门制造在我单位尚属首次，没有现成成熟的工艺可以借鉴，我单位的技术人员依托多年常规水工金属结构制造经验，结合该堵头闸门的结构形式，对其加工工艺进行了深入地研究与分析，通过研究分析，制定出切实可行的加工工艺方案并付诸实施，确保了该堵头闸门的顺利制造，笔者详细介绍了具体的制造过程。

2 堵头闸门的结构

堵头闸门埋件沿竖井顶部设一周，埋件座板为厚120 mm，外径16.52 m，内径13.72 m的圆环，材质为Q355B，下方焊接351根锚杆，锚杆从圆中心向外布置3 排，直径为70 mm，长4.08 m，材料为Q355B。堵头闸门埋件结构见图1。

图1 堵头闸门埋件结构示意图

堵头埋件座板的作用是支撑闸门并兼做闸门封水座面，座板上布置有448个φ68的螺栓连接孔。闸门安装后，通过螺栓将闸门与埋件连接。按照设计要求，支撑面及封水座面均需进行机加工，依据《水电工程钢闸门制造安装及验收规范》(NB/T 35045-2014)要求，具有止水要求的加工面直线度为1/2 000且不大于1 mm；局部平面度每m范围内不大于0.5 mm且不超过2处。没有止水要求的加工面直线度为1/1 500且不大于3 mm；局部平面度每m范围内不大于3 mm[2]，即要求内径为13 720 mm，外径为13 870 mm的止水座板环面直线度不大于1 mm；局部平面度每m范围内不大于0.5 mm且不超过2处。内径为14 720 mm，外径为15 120 mm的支撑座板环面直线度不大于3 mm；局部平面度每m范围内不大于3 mm。堵头闸门埋件座板结构形式见图2。

图2 堵头闸门埋件座板结构示意图

堵头闸门为直径15.84 m的圆形闸门，闸门主材材质为Q355B，门重415 t。因堵头闸门直径较大，设计水头高，堵头闸门受力大，同时因现场安装门机的最大起吊容量为400 kN，故堵头闸门中间部位按880 mm分段，共分为15节，最大单元节重31.932 t。堵头闸门结构形式见图3。

图3 堵头闸门结构剖面图

堵头闸门单节门叶设双主梁，主梁为焊接 T 型结构，单节闸门一侧主梁腹板同时兼做节间水封座板，另一侧设有50 mm×100 mm的方钢作为闸门节间支撑，同时控制节间水封压缩量以起到保护橡胶水封的作用。堵头闸门节间采用条形橡胶水封、螺栓连接，为保证水封能压缩，在条形水封中间开槽呈“工”字型，安装时预压缩4 mm。为满足闸门节间封水要求，需对单节闸门两侧的水封座板及支撑座板面进行加工，依据《水电工程钢闸门制造安装及验收规范》(NB/T 35045-2014)要求，止水座面平面度不大于2 mm。单节闸门结构见图4。

图4 单节闸门结构图

堵头闸门圆形面板上设置有环形水封座板及支撑座板，环形水封座板外直径为14 040 mm，内环直径为13 720 mm，环形支撑座板外直径为15 070 mm，内环直径为14 770 mm。环形水封座板及支撑座板均需进行机加工，依据《水电工程钢闸门制造安装及验收规范》(NB/T 35045-2014)要求，止水座面平面度不大于2 mm。

闸门与埋件之间采用448颗10.9等级M64的螺栓连接，闸门面板上与埋件的连接孔直径为90 mm。闸门与埋件一周采用条形橡胶水封封水，安装时预压缩 5 mm，水封设在埋件上，节间水封端部与圆周水封设一橡胶块现场黏结。闸门环形水封座板及支撑座板见图5。

图5 闸门环形水封座板及支撑座板结构图

3 工艺难点分析

(1)闸门与埋件之间采用448颗高强螺栓连接，必然会对埋件、闸门连接孔的位置精度提出很高的精度要求，孔的数量庞大，闸门分节达到15节之多，每节闸门宽度方向的偏差累计有可能会造成闸门与埋件连接孔的位置度偏差超标而导致闸门与埋件在安装过程中无法安装螺栓。闸门与埋件的连接形式见图6。

图6 堵头闸门与埋件连接形式图

(2)因堵头闸门整体外形尺寸大，分节多，闸门节间采用螺栓连接。而“工”字型条形水封封水结构必然会对节间连接螺栓孔的位置精度要求高，才能保证各节闸门在安装过程中能够顺利进行螺栓安装；同时，对节间配合面的平面度要求亦很高，闸门节间配合面长度最长达15.816 m，最短达10.966 m，平面度要求不大于2 mm，否则闸门节间不能满足封水要求。闸门节间的连接形式见图7。

图7 堵头闸门节间连接形式图

(3)闸门埋件座板为外径16.52 m，内径13.72 m的圆环，钢板厚度为120 mm，设计分6块进行制造。由于设备加工能力及成本因素，不能实现埋件座板组成圆环整体加工相应的加工面及孔；根据项目现场进度要求，埋件与闸门分批交付，不能实现闸门与埋件连接孔采用整体配作工艺。

(4)闸门与埋件的配合连接孔孔径较大，埋件上的连接孔直径为68 mm，闸门上的连接孔直径为90 mm，配合间隙设计的比较大，由于孔径太大，摇臂钻、磁力钻等常规钻孔设备无法满足相应的要求。

4 堵头闸门埋件加工工艺措施

基于工艺难点分析，结合设备条件与进度要求，制定了以下闸门埋件加工工艺：埋件座板及支撑座板采用火焰数控切割机分6块下料；放地样在钢平台上整体组拼埋件座板，拼焊支撑座板；校正整体平面，整体状态下作加工基准线，然后解体，在数控龙门铣上以加工基准线单块分别加工支撑座板平面、埋件座板上的槽口和φ68连接孔；单块分别拼焊锚杆及肋板，校正；最后进行整体预拼装，确保合格后出厂。

堵头闸门埋件加工工艺的重点在于数控精确下料及整体组拼精度的控制。数控精确下料是整体组拼精度的基础保证，整体组拼精度是后续加工的基础保证。

为保证数控精确下料，下料前，对火焰数控切割机进行了全面的检查维护，对切割平台进行了平面度校正，采用120 mm厚钢板进行了试割，通过试割，确定了切割参数及修正割嘴垂直度，验证了切割质量能够达到质量要求[3]。

为保证整体组拼精度，搭设了专用组装平台，组装平台整体平面度要求不大于2 mm[4]，并确保其可靠、稳固，在组装过程中不发生变形。整体组拼埋件座板时严格按照标准地样进行，拼焊支撑座板后，对整体平面度进行了校正，待其满足质量要求后，以地样圆心为基准，画出埋件座板上的槽口加工基准线及连接孔的基准线并做样冲标识，解体后按照加工基准线采用数控龙门铣床进行单块埋件的加工以确保加工精度。

埋件座板加工完成后，单块拼焊锚杆及肋板，由于锚杆数量大，焊接过程中容易引起埋件座板的平面度变形，故对锚杆焊接工艺采取了大间隔的对称跳焊方式，严格控制焊接参数以减少局部热量过大而造成变形过大[5]。焊接完成后，对局部平面度超标部位进行了校正，以满足最终技术规范要求。

5 堵头闸门加工工艺措施

基于工艺难点分析，结合设备条件、闸门结构和精度要求最终采取了单节独立拼焊，单节拼焊、校正完成后节间配合部位采用动力铣头先加工、待所有单节完成后进行整体预拼装，在整体状态下加工闸门环形水封座板及支撑座板。

采取该工艺的核心是保证闸门面板448个螺栓连接孔的位置精度，只有位置精度得到保证，才能保证闸门安装时与埋件实现所有螺栓的顺利连接。为实现该目的，采取了以下工艺措施：

(1)闸门面板采用火焰数控切割机下料，面板上的φ90连接孔直接在下料过程中采用火焰数控切割机完成切割，单节闸门面板宽度方向两侧各预留5 mm的加工量。解决了φ90连接孔常规钻孔设备无法加工的问题，同时亦控制了单块面板上各连接孔孔间距的偏差。

(2)单节闸门的拼装、节间配合面的加工均以面板上已切割的连接孔中心作为基准进行，该加工工艺在保证单节闸门宽度尺寸的同时，也保证了连接孔在闸门面板上的位置精度。解决了单节闸门宽度尺寸与面板连接孔相对位置精度的问题，同时，各节闸门的加工均以数控切割的连接孔为基准，实现了基准的统一，进而保证了闸门宽度尺寸的统一。

(3)在整体预拼装过程中，同样以面板上数控切割的连接孔为基准，在保证节间封水的情况下，兼顾面板节间对应孔的间距以保证整体连接孔的位置精度。

6 结 语

通过以上工艺措施的实施，解决了塔贝拉水电工程大型竖井圆形堵头闸门的加工工艺难点问题。堵头闸门整体制作完成后，由业主、设计组成的验收小组在整体拼装状态下进行了出厂验收，验收现场对闸门的几何尺寸、形位公差等进行了测量，重点测量了闸门与门槽连接的448个连接孔的相对位置精度、同心度、闸门面板环形封水座板平面度等，所有检测数据均符合设计及规范要求，堵头闸门制造质量符合设计文件和相关规范要求。鉴于圆形堵头闸门比较少见，该工艺措施的成功实施，为今后类似闸门的制造提供了一条新的工艺思路，具有一定的借鉴意义。