三峡永久船闸人字闸门的制造、安装、焊接与消应【摘 要】三峡电站永久船闸工程前无古人，后无来者，国内数路水电精英在此角逐。六个闸首共12套人字门以其结构尺寸、重量均居世界之最而号称“天下第一门”，它的制造、安装与焊接，更是各家金结制安队伍比武竞技的主战场。我们水电七局率先在第六闸首开始人字闸门的安装，在施工过程中大胆采用新设备、新技术、新工艺，通过精心组织、精心施工、严格过程控制，我们获得了成功的经验。本文简要介绍了门体结构制造工艺，详细记录了笔者在安装过程中的心得和体会，供同行参考。【关键词】 人字门制造 运输吊装 门体安装 焊接消应1.工程概况三峡水利枢纽永久船闸为目前世界在建的最大船闸，共设双线五级，布置在枢纽左岸坛子岭左侧，分南北线，中心线相距94米。每线船闸主体段由六个闸首分隔为五个闸室，总长1621米，每级闸室有效尺寸为280345M（长宽坎上最小水深）。每线每个闸首各布置一套人字闸门，每套人字门由2扇门叶组成。第六闸首人字门单扇结构尺寸为20.5337.5M（门宽门厚门高），单扇重达800T，吨位和尺寸均居世界之最，号称“天下第一门”。人字门是用于闸室挡水的工作阀门，以形成船闸过船时所需水位。该门的结构形式为工字型主横梁式，每扇门叶共设24根主横梁和7道纵向加劲筋（详见附图一）。厂内制造时根据运输需要将每扇门叶细分为12个大节，第六闸首人字门分节重量在57T-74T之间不等。安装单位承担的工地主体安装任务是将每套闸门的24个单元分节用科学合理的手段吊运至安装位置再拼装焊接成为2扇整体的门叶。该门的止水设计如下：底部通过橡胶与底坎上的不锈钢止水带压缩止水，门叶与闸墙、门叶与门叶之间通过设置于门叶边柱和闸墙支枕座上的不锈钢支枕垫块相互精密配合止水（支枕垫块同时兼作门叶运行时向闸墙传力的作用）。因此，人字门拼装时对两个边柱的垂直度要求特别高，三峡规范规定：人字门拼装焊接完成，其边柱（通长37.5M）的正侧向垂直度均不得大于4mm，远远高于国标对人字门边柱的垂直度要求。只有根据门叶结构特点合理制定制造、安装的焊接顺序、严格控制对装和焊接时的变形才能保证。2.门体制造门体制作阶段主要技术难点是对门体形位公差的控制和对边柱的消氢消应处理。为此，制造厂抽调精干技术人员，成立技术攻关组，对图纸进行细化、编制施工组织设计、原则工艺、实施细则工艺。2.1原则工艺：2.1.1尽可能减小总装时的焊接工作量，将焊接变形分解在各零部件的制作中去。将每节门体分解成左、右边柱和中段主体三大部件。在人字门制造焊接中，大量采用自动埋弧焊和CO2气体保护焊，零星位置才用手工焊。埋弧焊操作稳定、质量可靠、效率高；保护焊焊丝细，热量集中，线能量小，层间温控好，可有效防止焊接中常发生的随意性，可减小焊接残余应力和热变形，提高焊接质量，避免焊接隐患发生。2.1.2专门设计门体大组用的总装胎架。总装胎架的精度是控制人字门制造精度的关键。只有总装胎架的精度高，才能保证人字门的挡水面平面度、门体直线度、扭曲等各项指标得到较好的控制，因此，总装胎架的材料均经过机加工刨边，保证平面度在14M38M范围内达到1mm。2.1.3将每节门叶细分为两个边柱分段和门叶中段三大部件制造。由于人字门设计采用了边柱钢止水，对通长边柱腹板的公差要求是2mm。为了保证12节分段的整体形位公差，采用12节边柱连成整体，校正形位公差后，整体平移，与门体中段定位，全部分段就位后，再开始进行施焊，从而保证12节分段的总装形位公差控制在较理想的状态。2.1.4对边柱分段的整体消应工艺进行试验。由于边柱分段板厚较厚，需要进行整体消应处理。首先做了两对热处理试验试板进行热处理前后的对比试验，对其机械性能、应力消除、硬度比较分别做了检测，确定热处理工艺。随后，又做了两对热处理试验试板进行热处理前后的对比，并与上一组试验进行对比，检测该热处理工艺的可靠性。在第一批边柱分段进行热处理时，又做了两对热处理随炉见证试板，进行热处理实际效果的检测，通过三次试验，均反映热处理工艺切实可行，处理效果稳定、良好。2.2结构制作细化工艺：在结构部分，由于对尺寸公差、形位公差的要求都非常高。因此，制造厂专门成立了车间监造组，由工艺科副科长任监造组组长，施工工段工段长、车间主管工艺员任副组长，车间调度员、焊接工程师、下料工段长、材料员，对施工整个过程进行监造。每天下班后，车间监造组召开专门工地会，对当天出现的问题互相通气、交流，商量解决办法，制订保证措施，把发现的问题及时解决，消灭在萌芽状态。从而保证结构的尺寸公差、形位公差得到有效受控，达到规范的要求。在具体措施实施方面，主要有以下几点：2.2.1采用钢带划线：对所选用的钢卷尺进行计量，并通过勘误表对尺进行修正，以经过修正后的钢卷尺作为基准，制作划线钢带。在构件安装划线定位时，12节分段均采用同一钢带进行划线，把12节分段的安装定位线误差控制在最小，以减小分段间的形位公差。2.2.2严格控制零件尺寸：对于平直零件（如主梁腹板、翼板等），全部采用门式切割机双边同时切割，减少平直零件的侧弯；对于菱形、三角形、弧型零件，特别是装配时起定位作用的各类竖隔板，均采用数控切割机切割，从而控制零件外形尺寸。2.2.3小合拢（零件制造）：先采用钢带划定位线，控制形位公差。在焊接过程中，尽量采用CO2焊接，以减小焊接变形，并用压马、定位马辅助。定位马与小合拢胎架固定，强制不变形，压马固定构件间相对位置，使构件间不产生相对变形。焊接时采用对称焊，使构件受热均匀，减少变形。焊后进行火工矫正，达到公差后再流入下一流程，不允许超公差构件进入下一流程，产生公差累计。对于推力隔板与端板的角焊缝，采用船形胎架埋弧自动焊，焊接过程中，构件进行多次翻身，使两侧受热均匀，控制总的角变形在公差范围内。2.2.4中合拢（部件制造）：对边柱分段，采用分段焊接形式，分为上、下翼缘、端隔板、推力隔板等组件，先编制焊接顺序，再按顺序进行焊接，焊接过程中采用压马、定位马等强制措施，以及分层分道措施，以减小焊接变形。焊后采用火工校正，控制变形在公差范围内。对于主梁的装焊，将主梁腹板作为平面胎架，安装上下翼缘、纵横向加劲板，采用钢带划线以保证构件位置的一致性，焊接时采用CO2焊，并采用合理的焊接程序，避免集中受热，以减少焊接变形。焊后火工校正，将变形控制在公差范围内。门叶中段组装时，先采用钢带划出构件位置线，在主梁、竖隔板按划线安装就位后，采用固定措施将构件固定，然后按编制的焊接顺序合理施焊，以控制焊接变形。焊后火工校正，将变形控制在公差范围内。2.2.5大合拢（门体大组，单节门叶成型）：大合拢时，采用边柱分段逐节上总装胎架，拉开250mm，组成一条整根边柱后，校正其形位公差，达到公差允许范围内，整体滑移，与门体中段就位，以保证十二节分段形位公差控制在允许公差范围内。焊接过程中，编制合理的焊接顺序图，按顺序进行焊接，并采用定位马、压马等措施，强制控制焊接变形，分层分道分步施焊，使焊接变形控制在最小范围内。焊后采用火工校正，保证整体门叶的变形达到公差要求。2.2.6严格控制形位公差：主梁腹板、挡水面板采用先一次下料，然后拼焊成整体，再上门切进行二次下料的方法，保证其零件尺寸的精确性。安装主粱组件时，采用钢带化线，以确保构件安装位置，保证十二节分段的主粱安装形位公差达到规范要求。门叶两侧各十二边柱分段，在同一胎架上制作，胎架模板均进行机加工刨边，并统一采用钢带划线，以保证其整体形位公差。推力隔板组件安装时，采用统一角度样板，以保证端板直线度、倾斜度、高度及与端隔板的距离达到规范要求。边柱与门叶中段合拢时，采用两次定位法，第一次拉开250mm距离，划出中段余量；切割余量后，第二次整体将十二个边柱分段一次滑移到位，然后用角度样板和激光仪控制门体总宽、边柱直线度、倾斜度、高度。所有尺寸保证好后，将门叶刚性固定，对称、分段、小电流施焊门体中段与边柱间对接缝，焊接过程中随时监测门体几何尺寸的变化，如有变化则及时调整焊接顺序，确保施焊完毕各项几何尺寸不超差。2.3制造工作小结：由于准备充分，对门体结构制造工艺设计合理，质量保证体系健全，质量保证措施到位，六闸首人字门的各项制造质量指标，均达到三峡规范优良标准。3.运输吊装六闸首人字门运抵工地后堆放在业主指定的12小区堆放场，中间经江峡大道与六闸首公路桥相连，该桥同时是三峡左岸电厂施工时车辆运输的必经之地，车流量非常大。如何安全快速的将闸门运输吊装就位，同时又不影响公路桥的交通，是我们面临的第一个重大难题。我们在施工过程中曾考虑了如下三种方案：3.1方案选择 方案一：原六闸首底部（即五闸室底板）通过下游引航道的土建临时施工道路与江峡大道相连，考虑在底板上布置一台200T履带吊，将闸门运至底板上吊装。这种方案吊车移动次数少，比较理想。但与下游引航道的土建施工相互干扰，并且临时施工道路存在的时段也与闸门的安装工期不符，因而只能考虑在闸顶布置吊车。 方案二：200T履带吊车布置在闸顶两侧对两扇门叶分别吊装，由于履带吊车移动不便，势必延长安装工期，或者使用2台履带吊。并且闸顶地理位置特殊，如果再考虑一台吊车配合对门叶进行空中翻身，那么门叶的摆放、吊车的站位都不好布置。方案三：如果用1台400T汽车吊站位于闸顶两侧启闭机房控制层楼板位置，满足门叶吊装半径要求，再合理布置一台200T汽车吊配合400T将门叶空中翻身。汽车吊以其移动快速灵活的特点，则可以弥补方案二的不足。上述三个方案各有特点，实际施工时各家施工单位根据自身实际情况和各自的具体地形，三个方案都有采用。其中，我们和三七八联总的另外两个安装队在四五六闸首选用了方案三；葛洲坝和武警在一闸首选用了方案一，在二三闸首选用了方案二。3.2 六闸首门叶运输吊装的具体实施过程3.2.1装车六闸首人字门分节后外形尺寸为20.53.0（1.855.6）M3（门宽门厚门高），最重单节74T。我们选用200T平板拖车。该拖车车厢长度14M，装车时将门体向拉杆方向前移1M左右（以不影响车头转向为准）。这样整个门体后面悬空总长度约为45M，满足重心要求。装车吊车选用200T汽车吊，选择臂长24.9M，吊装重量为92.9T，起升最大高度为19M，满足吊装要求。但要注意以下几点：A.在堆放场内选择工作位置必须牢固可靠，地面坚实。B.吊车调整水平倾斜一般不得大于1.53度，必须按照吊车自身的规定来调整。C.工作半径应严格控制在此种状态吊车的允许范围内。每节门叶顶部主横梁处设计均布置了4个吊耳，门叶底部靠近下游侧的纵向隔板上布置了2个吊耳。根据这些吊耳的具体位置，考虑吊装角度，选用抗拉强度为170Kg/mm2破断力大于96T的43以上八股绳成四吊点起吊，选用4个35T卡环用于钢丝绳与门叶吊耳的联接。起吊时应注意以下几点：起重绳通过棱角处必须用管皮垫好。A、应均分荷重，绳长一致，重心找准，重物尽量水平。B、用25mm麻绳栓住门体两端，以人力辅助牵引，找出方位，协助具体重物放在平板车上的合适位置。C、门体首次吊起离地面100mm左右，停止提升并进行详细检查，没有问题后，再在离地1000mm高范围内升降两次，并使吊车短距离回转一次，检查无问题后方可正式吊装选用长宽高为3.50.30.2M3的方木在平板车上均布垫34处。使门体重心对正拖车纵向重心线后放置在方木上，然后在门叶两侧边前后用5分钢绳各加固两处，每处上下4道共8股绳构成内外“八”字形后绞紧。3.2.2 运输拖车行驶道路最大纵坡坡度不超过7%，最大横坡坡度不超过3%，道路横向最大局部的高低差也没有超过300mm，满足拖车的运输要求。运输时控制拖车的行驶速度为58Km/H即可。3.2.3 卸车、翻身、吊装就位型号AC-1300，最大起吊重量400T的特大型