船闸超大型人字闸门制造安装关健技术研究及应用

梁达宁, 周翔辉

(广东江海机电工程有限公司，广东 广州 510500)

1 研究背景

广东省北江航道扩能升级工程飞来峡二、三线船闸工程的人字闸门上闸首孔口尺寸为34 m×19.67 m，下闸首孔口尺寸为34 m×18.9 m，单扇人字闸门最大重量为914.357 t，属于超大型人字闸门，上闸首人字闸门兼作防洪闸门。该人字闸门是广东省内已建和在建项目中最大的人字闸门(目前为止)。

门叶结构整体制造焊接变形积累控制、整体拼装尺寸误差控制、H型梁焊接、背拉杆安装调整、环氧树脂灌注是超大型人字闸门制造安装的关健技术，需要进行深入的研究。

2 门叶采用大组件的制作技术

2.1 制造工艺

参考船舶分节制造组装技术[1]，人字闸门门叶制造从散件、部件到分段组件逐步成型，在分步成型过程可通过翻身工序将整体制造中立焊、仰焊等复杂焊接工位转换成组件焊接工艺中的平焊等简单工位；最后将组件与面板组合成整体门叶，再进行整体门叶焊接，最后分体的制造工艺顺序[2-4]。

首先将人字门按制造结构大小、焊缝分类及工艺角度将人字门门叶结构分解为工字型(H型)主梁、T型竖向隔板及其他散件等简单结构零部件，在制造时根据场地布置分散制造。在散件制造时可很方便的翻身转换成平焊等简单工位，也可将类似形状工件甚至其他人字闸门的相同零件归类在相同的胎架上制造，形成一定批量的半流水线生产流程。散件制造完成后在露天堆放场地堆放备用，根据堆放场地堆放能力，将部分后生产闸门的同类购件也同批次制造，减少了专用胎架、摸具的重复拆装次数，为堆放场地合理利用提供条件。

零部件积累一定数量后，在专用场地上开始进行大组件组装，根据闸门分节、起重设备起重能力将主梁、纵梁、及隔板组拼成大组件。闸门分节在闸门主梁处分节，面板分段在主梁腹板对应处，前、后翼缘在上部连接处断开，纵向腹板如斜接柱门轴柱等连续板则在隔板在主梁腹板上部200 mm处断开，纵向隔板上节隔板与下节主梁连接处分离，运输最宽度控制在5 150 mm以下。大组件组合原则是有利于组件钢性的散件，有重要焊缝的组件组合，在组合过程依旧能整件翻身、焊接。但大组件只能在预拼平台上组合，利用整体拼装平台进行大组件制造，制造完成后形成分段，只需要简单翻身或吊装直接就位到整体拼装工位。

按整体制造工艺将组件与面板组合成整体门叶，先吊装中间主横梁，调整后施定位焊，再依次吊装相邻次梁并调整施定位焊，之后从中间依次向两边吊装竖向隔板并调整后施定位焊，再吊装边柱中隔板及纵隔板，调整另一根主横梁后施定位焊，待所有主、次梁及竖向隔板吊装完成后，最后吊装底主梁，底主梁是底枢的安装基准,要保证主梁平面垂直门轴柱平面，待所有主、次梁及竖向隔板吊装完成、施定位焊合格后，拼装完毕，随后进行门叶的整体尺寸检验，主要检查各构件的位置，各主梁的平行度、对角线等，为防止焊接中产生过大变形，各拼接缝要顶紧，各项检验合格后，施定位焊，各分节单元仅施定位焊，按《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》(GB/T 14173—2008)的要求及图样要求进行1次全面检验，合格后交焊接工序。

门叶进行整体焊接，先焊焊接主横梁与竖次梁立焊缝，再焊隔板后翼与主梁后翼对接焊缝，每根主梁由2名焊工从中间向外对称分段施焊，根据角焊缝的焊角高度分层焊接，第1层分段退步焊，其余层次从下而上1次焊成。待主横梁、次横梁、竖梁、边梁等形成刚性固体框架后，首先进行1次全面的几何尺寸检查，合格后方可进行框架与面板的焊接；焊接隔板与面板平角焊缝，焊接小梁与面板平角焊缝，焊接主梁与面板平角焊缝，焊接其余各筋板，可采用分区，分段退焊。为了控制焊接变形，焊接时要求严格按规定的焊接顺序和焊接方向进行施焊，各操作人员焊接速度、焊接电流应保持一致，尽量达到门叶均匀受热要求，以减少门体焊接变形及焊接应力。

最后闸门分体，在检查整扇门叶的宽度、高度、对角线尺寸、纵向隔板的错位等合格后，在门叶组合处进行明显的标记、编号，设置可靠的定位块。在门叶上测量放出门叶的中心线，在顶、底主梁上测放出门轴柱和斜接柱的支枕承压连线，并以此为基准线划出门轴柱及斜接柱支枕垫位置线，并打样冲眼标记。放出顶、底枢中心位置线，并以此为基准，确立底枢顶盖、顶枢架及导卡座与顶、底主横梁的连接平面。在门轴柱、斜接柱分节处上下 150 mm 处画水平检查线并打样冲眼标记。在门叶顶主梁测放出顶枢轴位置线及推拉轴位置线，在顶主梁上定出顶枢定位轴的位置线，作好标记到现场镗孔(见图1～2所示)。

图1 部件制作示意

2.2 技术创新点

分体后预拼装显示，本方法制造的分体后门叶变形明显小于传统工艺，可不经过火调矫正，变形达到制造质量要求，既能发挥分节制造工艺难度低、整体焊接变形小优点，又能提高整体制造尺寸精度，实现闸门整体制造效果；通过减少调整，提高组件批量，减少专用胎架拆装时间，节约了约1/3的工序消耗，直接体现了本方法的效益；在零部件制造时，将已完成的组件在自然环境下堆放，由于组件制造与整体拼装生产间隔周期比较长，间隔周期长达2个月以上，组件焊接的应力可自然释放，起到一定的时效处理作用，有利于释放应力。

图2 大组件制作示意

3 超大型人字门H梁焊接工艺改进

3.1 焊接工艺改进

传统人字闸门主梁H型梁的焊接工艺采用船型焊接焊缝的工艺，由于传统船型焊接存在焊接缺陷可能、焊材和能源损耗高、工装胎架制作成本高、倾斜支撑工装安全风险高及施工效率较低等问题；通过调查研究，决定对超大型人字闸门H型梁焊接工艺进行改进[5]，以提高 H型梁的焊接质量及人字门的整体制作水平，解决H型梁施工过程中的安全问题。

H型梁拼装完成后置于平卧位置，先用CO2保护焊打底，再用可变角度的自动埋弧焊接小车焊接。焊接小车直接布置在主梁上，该焊接小车具有激光焊缝位置指示，能自动侧向定位焊接；2条焊缝采用同样工艺焊接，焊接时可单工位2条焊缝按顺序焊接或布置双工位2条焊缝同时焊接，工字型主梁无需翻身直到2条焊缝完成焊接。第1面的两条焊缝焊完后，进行翻身操作，用起重设备将主梁翻身，反面向上平卧在原工位上。工件反转后省去反面清根工序，采用埋弧焊直接焊接对应焊缝，焊接工艺与焊接参数与上述埋弧焊接参数相同，直到当侧焊缝焊接完成(见图3所示)。

图3 超大型人字门H梁焊接示意

3.2 技术创新点

打底焊采用CO2保护焊，可不经过清根直接用埋弧自动焊进行下道焊缝焊接施工，在保证质量合格的前提，减少清根工序，减少了焊材和电能损耗。省除搭建工装胎架，节省了搭建工装胎架成本，降低了工装操作安全风险。场地可灵活使用，节省了场地占用时间。对比传统人字闸门工字主梁的焊接工艺，采用船型焊接工艺在保证焊接质量情况下主梁需翻转5次，按本技术降低为只需要翻转1次，大大提高了焊接施工效率，降低了制造成本。

4 平衡梁式预应力拉杆拉伸调节装置的研制与应用

4.1 平衡梁式预应力拉杆拉伸调节装置的结构

人字闸门安装中需要对人字闸门背拉杆进行预应力张拉，目前常规做法是通过对每条拉杆单独拉伸，增大拉杆的拉应力[6-9]。这种做法每次只能拉单独1条拉杆，而且在旋拧某一个锁定螺母的时候还会使得同组其他拉杆的拉应力发生变化，需要不断重复调节不同拉杆，操作周期长、工人劳动强度大、操作困难、工人需要长时间高空作业，存在较大安全风险。

针对上述技术存在的问题，研制了一套平衡梁式预应力拉杆拉伸调节装置[10-11]，用于多组预应力螺纹杆同时拉伸。

平衡梁式预应力拉杆拉伸调节装置，包括平衡梁、连接套筒螺母、液压千斤顶和连接螺母，每条背拉杆通过连接套筒螺母与平衡梁连接，液压千斤顶布置在平衡梁与背拉杆支撑块之间，平衡梁与连接套筒螺母的连接螺栓副可根据情况要求组合使用，根据背拉杆的数量可布置多个千斤顶(见图4所示)。

图4 预应力拉杆拉伸的调节装置示意

4.2 预应力拉杆拉伸调节装置的工作原理

拉伸时顶升液压千斤顶，使每条背拉杆同时拉伸，监控每条背拉杆应力，通过调整各液压千斤顶加力程度、背拉杆与平衡梁间连接螺栓实现本组多个背拉杆应力均衡，当其中某一根背拉杆的拉应力达到设计要求时，锁紧该背拉杆的锁定螺母，再放松与该背拉杆连接的连接套筒螺母，使该背拉杆脱离拉伸组；当每一根背拉杆的拉应力都达到设计要求时，锁紧拉杆的锁定螺母，再放松与该背拉杆连接的连接套筒螺母，调节完毕。当(由于闸门变形等)外界因素影响到已完成背拉杆拉应力降低时，重新锁紧与该背拉杆连接的连接套筒螺母，使该背拉杆方便的重新加入拉伸组。

本预应力拉杆拉伸的调节装置使用液压千斤顶增大平衡梁与背拉杆座之间的距离，使得背拉杆伸长，当背拉杆的拉应力达到设定值，再用螺母锁定背拉杆的长度。

4.3 技术创新点

采用平衡梁配合液压千斤顶，一组背拉杆同时均衡拉伸，从而使得同组多个背拉杆应力均衡。该装置可大大缩短预应力背拉杆调整周期、降低工人劳动强度，克服了传统工艺操作困难、工人需要长时间高空作业的缺点。结构扩展性好，平衡梁与连接套筒螺母的螺栓连接副可根据情况要求组合使用，适用范围更广。

5 环氧树脂易拆装封堵技术

5.1 易拆装式环氧树脂灌注缝封堵装置工作原理

易拆装式环氧树脂灌注缝封堵装置[12](见图5所示)，包括橡皮圆管(1)、杠杆封板组合(2、3)和调节螺栓(4)，杠杆封板成对使用，通过所述调节螺栓组合成一体，封板扁平状侧固定在圆管对中间成为固定及张紧装置；封板包括固定螺栓用的孔，封板与带支点封板孔正对以让螺栓穿过且固定。使用时，先将圆管上端固定在斜接柱一侧，通过使用胶水固定在斜接柱外侧，从上往下在圆管中间使用封板固定，待全部需张紧螺栓全部张紧固定好后，从顶部往下灌注环氧树脂，如果出现因张紧不够导致泄露的现象，可直接在相应位置调节螺栓以封堵。

图5 易拆装封堵装置示意

5.2 技术创新点

采用橡皮圆管作为封条，配置成对使用的杠杆封板调整封条的压缩量，解决了人字闸门支枕垫环氧树脂灌注时灌注缝的封堵问题，避免了漏浆难以处理的难题，具有结构简单、易拆装、压缩量调节范围大等特点。该装置的使用可降低了劳动强度和提高调节效率，降低了闸门施工工序中的危险步骤，也减少操作难度，降低了施工成本，也可用于其他灌浆处封堵。

6 结语

上述关键技术成功应用于飞来峡枢纽二、三线船闸、蒙里枢纽二线船闸、白石窑枢纽二线船闸、孟洲坝枢纽二线船闸工程中人字闸门的制造及安装，并全部验收合格后投入运行，运行情况良好。

上述关键技术应用，可显著降低成本，提高生产效率，保证产品质量，具有良好的经济效益，可以在水利水电工程、水运工程船闸人字闸门制造安装中推广使用，对提升行业管理水平、促进行业技术进步将发挥积极作用。