新型大跨度双拱曲面闸门形位尺寸控制与检测探析

许 衡，高 升，昝圣瑞

（山东省水利工程建设监理有限公司，山东 济南 250013）

威海市南海新区香水河挡潮闸是一座具有防潮（洪）、水资源开发利用、改善水环境等综合效益的大（2）型水利工程，设计等别Ⅱ等。全闸共14 孔，总宽463 m，总净宽为364 m，单孔净宽26 m，工作闸门采用露顶式双拱曲面钢闸门双向挡水。闸门门体材质采用Q355B，工程塑料合金自润滑滑道支承，止水为双P 型橡塑复合水封，埋件使用耐腐蚀合金铸铁轨道。

该新型大跨度双拱曲面钢闸门是由上弦拱、下弦拱、腹杆、弦杆、面板、拱脚等组成的型钢拱桁架结构。闸门面板为圆弧拱曲面，弦杆兼作水平次梁，闸门面板与弦杆焊接为一体组成上弦拱，承担临海面荷载；下拱为两道圆弧拱。下弦拱、弦杆和腹杆均为H 型钢，端柱为箱型的拱脚结构。该结构使得闸门整体结构受力合理，各构件焊接方便，但由于闸门结构尺寸庞大且双面圆弧拱，制作过程中形位尺寸的控制极为重要，这不仅影响闸门上弦拱、下弦拱结构的受力状态，对减轻振动、降低噪音、延长构件使用寿命及安全运行等都具着重要意义。

1 闸门制造形位尺寸控制措施

1.1 正反向拱的制作

1）面板与弦杆曲率半径的反变形控制。该闸门的面板与弦杆焊接为一体，组成圆弧形上弦拱，面板厚度12 mm，面板后的上弦杆为H 钢型号H500×400。类似于弧形闸门的门叶制造，面板焊缝是在相对自由状态下进行焊接，由于焊缝先焊弧度内侧，焊接以后的变形特点是面板曲率半径变小，为保证焊接后圆弧拱的面板曲率半径，必须采用使面板外张的反变形措施，在拼装前卷制时适当让构件的圆半径略大于设计圆半径（一般控制在大于设计圆半径1‰～6‰较为适宜），弧形工作台和H 钢上弦杆也按照放大后的圆拱半径相应调整。

2）反向拱制作。香水河挡潮闸双拱曲面钢闸门为双拱板桁结构，其反向拱为H 钢型号H600×500，圆弧拱几何尺寸是由H 钢校正机滚圆、火焰矫正修弧配合精确的检查样板制作完成的。H 钢上弦杆也采用了同样的制作方法。

1.2 焊接变形的控制

1.2.1 影响焊接变形的主要因素

1）单构件截面形状。构件尽量采用型钢，以减小焊接量控制变形。构件选型是闸门前期设计人员考虑的问题，后期生产厂家只能是从制作工艺提出建议。香水河挡潮闸大跨度双拱曲面钢闸门的下弦拱、弦杆和腹杆设计均采用了H 型钢，为闸门制作控制焊接变形提供了有利条件。

2）板厚。关系到焊接参数及工艺方法。闸门各构件的板厚在设计时已经考虑强度、刚度、稳定性、耐腐蚀和构件重要性等因素，闸门制造应针对构件不同板厚，实施不同的焊接参数及工艺方法。为控制构件焊接变形，厚板的焊接应当采用多层多道焊，并根据焊丝直径及焊接位置和板厚选用适当的焊接电流、电弧电压和焊接速度。

3）焊缝间隙和坡口。主要反映在下料及拼装工序对钢板或构件形位尺寸精度的控制。随着数控设备的普及，闸门面板等部件的下料尺寸更加精确，拼装时形位偏差（垂直度等）、焊缝间隙和坡口均较易满足设计和工艺要求。

4）焊接顺序。大跨度双拱曲面钢闸门主要采用了先立后平、先内后外、由上而下的焊接顺序。

5）焊接方法。主要采用手工电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊3 种焊接方法。面板对接长焊缝采用埋弧自动焊焊接方法、V 型坡口、坡口钝边2 mm，背缝用碳弧气刨清根后焊接；其余焊缝优先采用生产效率高、焊接成本低、焊缝质量好、焊后变形较小、适用于各种位置和板厚焊接的CO2气体保护焊，减少手工电弧焊焊接。1.2.2 焊接工艺设计原则

1）焊接工艺必须符合闸门制造详图、GB/T14173 规范及合同文件的要求。2）闸门焊接工序应符合焊接作业文件、水工金属结构焊接通用技术条件SL36 的要求。3）对第一次使用的材料和未经验证过的焊接工艺进行焊接工艺评定，以评定合格的工艺参数，作为编制焊接工艺规程的依据。4）焊工持证上岗，合理规定焊接设备、人员，焊接条件及焊接环境要求。5）选择与闸门母材材质相匹配的焊接材料及辅材。6）根据闸门结构特点，合理确定焊接顺序。7）合理选择焊缝预热、后热等措施。8）明确焊缝质量等级类别、检测方法及执行标准等。

1.2.3 焊接变形控制措施

1）根据双拱闸门的特点，按工序制定合理的下料、平板、焊接、组装、反变形方法。对于一、二类焊缝通过焊接工艺评定确定焊接参数、焊接顺序及焊缝质量检验方法。2）严格控制单构件制作质量，板材采用数控下料，保证构件尺寸的一致性。合理选择焊接方法，降低单构件误差对闸门门叶结构整体组装质量精度的影响。3）合理制定焊接顺序和方向，利用焊接本身的变形规律减少焊接变形，达到控制闸门结构尺寸的目的。对面板反变形法，以保证门叶组装焊接收缩后面板的平面度，同时组装过程中优化各构件的拼装顺序，以减少拼装不当引起门叶结构强制内应力。4）尽量保证门体均匀收缩，按照焊接工艺评定确定的焊接参数和顺序，分区、分段对称施焊，保持焊接方向、速度和线能量的一致。5）采取小范围施焊，增加焊接层次，以此减少焊接变形量，减小构件外形尺寸的偏差。6）焊接过程中设置监控点监控门叶结构竖向平直度和圆拱弧度的变形情况，做到变形异常及时调整焊接工艺。焊后全部焊缝要进行外观和无损探伤检验，局部变形用火焰加热矫正几何尺寸。

2 闸门制造质量检测

2.1 闸门几何尺寸和形位公差检测

2.1.1 检测方法

根据双拱曲面闸门设计图样，采用Leica AT402 激光跟踪测量系统对设备的几何尺寸和形位公差进行检测，重点控制参数：

1）闸门的外形几何尺寸，包括宽度、高度等。

2）门体主要构件形位公差，包括前后双曲拱面的曲率、吊耳形位公差、主梁与边梁的形位公差等。双拱曲面闸门门体结构复杂，尺寸庞大，门体结构尺寸和形位公差必须严格控制，否则易导致闸门启闭困难，并产生应力集中，对闸门的安全运行极为不利。本次采用Leica AT402 激光跟踪测量系统对闸门制造质量进行检测，具有精度高、速度快、空间三维、自动跟踪测量等特点，尤其对该闸门的大型曲面结构具有独特优势，可精确构建出闸门的前后双曲拱面。

2.1.2 检测仪器

Leica AT402 激光跟踪测量系统是一种便携式高精度的空间几何量测量与评价系统，能对大型工件、工具和构件进行尺寸测量与误差评价、形位误差计算与评价；能根据CAD 模型进行比对测量，并完成空间位置测量；测量结果与分析报告能图形化显示与输出；测量的原始数据和分析报告皆能按通用的几何和文本格式输出，能够输出AUTOCAD 图形，能够生成数控加工程序；能够进行相应的测量编程与自动测量功能。

2.1.3 检测结论

依据闸门制造详图及《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》GB/T 14173—2008，对威海市南海新区香水河挡潮闸工程编号为1#的双拱曲面钢闸门主要几何尺寸进行了检测（抽检），所检项目全部合格。

2.2 闸门焊接质量检测

2.2.1 检测方法

根据《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》GB/T14173-2008、《水工金属结构制造安装质量检验通则》SL582-2012、《水工金属结构焊接通用技术条件》SL36-2007、《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》GB11345-2013 等技术标准，对设备制造焊缝的外观质量和内部质量进行检测。相应的检测方法和检测比例按上述技术标准要求执行。

2.2.2 检测仪器

焊缝外观采用焊缝检验尺进行检测；对焊缝表面质量有怀疑时，用磁粉探伤机检测。焊缝内部质量采用全数字智能超声波探伤仪PXUT-320C 进行检测。

2.2.3 检测结论

依据有关规范，对编号为1#的闸门主梁翼板对接焊缝与腹板对接焊缝进行了超声波检测，未发现超过验收等级的缺欠反射回波信号，检测质量评定为合格。

3 结 论

威海市南海新区香水河挡潮闸大跨度双拱曲面闸门为原创性新型闸门，根据闸门的结构特点，金属结构设备制造监理重点对正反向拱的制作、焊接变形控制和检测方法等进行了过程控制，取得了较好的效果。工程自2018 年汛前投入运用至今，闸门启闭灵活、止水严密、运行状况良好，大幅提高了当地防风暴潮能力，对保障区域供水安全、促进当地经济发展和社会稳定发挥了重要作用。