三峽泄洪深孔檢修門(mén)槽復(fù)合鋼板護(hù)角的研制

1、三峽泄洪深孔檢修門(mén)槽復(fù)合鋼板護(hù)角的研制    摘要：三峽泄洪深孔的進(jìn)水口高流速區(qū)使用閘門(mén)門(mén)槽與過(guò)水護(hù)角的組合結(jié)構(gòu)，在我國(guó)尚屬首次。對(duì)鋼板護(hù)角制作過(guò)程中使用的復(fù)合不銹鋼板材料特性、瓦片壓制工藝、拼對(duì)組裝、焊接工藝、部件總拼裝及工藝安裝情況作了全面介紹。 關(guān)鍵詞：復(fù)合鋼板 護(hù)角 壓制 焊接  三峽泄洪壩段23孔檢修門(mén)槽的主軌護(hù)角及門(mén)楣安裝在90105高程間，此段門(mén)槽位于深孔前端流態(tài)最復(fù)雜的區(qū)域，以往過(guò)水面護(hù)角及門(mén)楣設(shè)計(jì)均為混凝土曲面，由于三峽電站深孔流態(tài)復(fù)雜，常規(guī)混凝土護(hù)角及門(mén)槽巳不能滿足高速水流沖刷時(shí)抗磨損及抗氣蝕的要求。設(shè)計(jì)單位經(jīng)過(guò)大量水力模擬

2、試驗(yàn)后，檢修門(mén)槽主軌及門(mén)楣的過(guò)水面均采用復(fù)合不銹鋼板橢圓形焊接護(hù)角，其材質(zhì)為OCrl3Ni5MO+Q345C，復(fù)合鋼板總厚度為24mm，迎水面的不銹鋼板為4mm，橢圓的長(zhǎng)軸為11 000mm，短軸為3 670mm，曲面長(zhǎng)度為2 500mm。閘門(mén)的門(mén)槽與其鋼襯護(hù)角組成了復(fù)合的鋼閘門(mén)的門(mén)槽體系，三峽深孔泄洪檢修門(mén)槽及其護(hù)角的結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1所示。 為了滿足復(fù)雜水流的特殊要求，對(duì)護(hù)角提出了較嚴(yán)的制作要求，即橢圓表面直線度公差3 mm，用全弧長(zhǎng)外弧樣板 檢查與護(hù)角表面不吻合值4 mm，表面的扭曲值不大于3mm，組裝后節(jié)間錯(cuò)位2mm。在我國(guó)的水電站鋼閘門(mén)設(shè)汁中采用鋼護(hù)角過(guò)水尚屬首例，凋查世界各國(guó)已完成水電站

3、高速水流的過(guò)水護(hù)角，僅發(fā)現(xiàn)在巴西伊泰普水電站使用過(guò)類似的橢圓形曲面鑄鋼過(guò)水護(hù)角，但與三峽電站使用復(fù)合不銹鋼板鋼襯相比，其制造難度要低得多，同時(shí)核查國(guó)內(nèi)外有關(guān)水工金屬結(jié)構(gòu)埋件中的曲面鋼襯也沒(méi)有制造的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)最新的DL/5018 94"水利水電工程鋼閘門(mén)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范”中規(guī)定的具有止水要求的胸墻及鋼襯制造允許公差都是適用于平面型的胸墻及鋼襯，所以對(duì)于三峽電站深孔進(jìn)水口橢圓形表面的制造允許公差是偏嚴(yán)的，在制造過(guò)程中也增加不少困難。圖1 三峽泄洪深孔檢修門(mén)門(mén)槽結(jié)構(gòu)圖1 橢圓護(hù)角制造方案研究由于復(fù)合鋼板護(hù)角制造質(zhì)量要求很高，又要考慮在高流速區(qū)的使用耐久性，因此制作工藝方案要考慮不銹鋼

4、表面的光潔度及焊縫金屬的耐磨腐蝕性。如果采用熱壓成形，由于基材與復(fù)材兩種材料的導(dǎo)熱率與線膨脹系數(shù)有較大差異，將會(huì)在分層處造成脫落或產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，對(duì)深孔進(jìn)口處接近40m/s的高流速區(qū)長(zhǎng)期安全運(yùn)行是不利的。同時(shí)復(fù)合不銹鋼板的表面加熱后，易造成表面質(zhì)量變遷并破壞原先軋制鋼板時(shí)的表面光潔度，加熱壓制后要進(jìn)行大量輔助的表面酸洗與拋光工作。此外，在熱壓加溫過(guò)程及壓制后的冷卻過(guò)程中橢圓曲面的收縮率也較難控制，最終會(huì)影響橢圓曲面的外形不吻合值。復(fù)合鋼板護(hù)角壓制后要求的尺寸及其單元結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2所示。葛洲壩機(jī)電建設(shè)有限公司金屬結(jié)構(gòu)廠根據(jù)過(guò)去制作不銹鋼壓力容器的施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用瓦片冷壓成形、在胎具上整體拼焊的制作

5、加工方法。以復(fù)合不銹鋼板出廠的寬度，按最大利用率下料計(jì)算后用數(shù)控等離子切割機(jī)下料，并在刨邊機(jī)上加工拼接焊縫的坡口。首先在800t油壓機(jī)上用胎模壓制瓦片兩端的弧度，再在卷板機(jī)上卷制到接近的橢圓輪廓面，最后在油壓機(jī)上按瓦片上平行的素線逐段按橢圓表面形狀予以壓制校正。當(dāng)壓制的橢圓輪廓達(dá)到設(shè)計(jì)要求后用標(biāo)準(zhǔn)檢查樣板逐段檢查其弧度，曲弧表面的局部不吻合值不大于2mm，弧曲面的扭曲值不大于1.5mm。為了防止拼焊時(shí)弧形瓦片間焊接變形及護(hù)角反復(fù)卷壓后的時(shí)效應(yīng)變，對(duì)護(hù)角背面的筋板與隔板下料尺寸及形位公差都有嚴(yán)格控制的標(biāo)準(zhǔn)：即筋板與隔板都用數(shù)控切割機(jī)下料，然后用壓力機(jī)校正檢查其平面度誤差不大于2mm，側(cè)彎小于3m

6、m。隔板要直接與弧面頂緊，因此隔板實(shí)物按l：l放圖2 復(fù)合鋼板護(hù)角構(gòu)造圖 樣，每隔25mm距離求得相應(yīng)的弧面座標(biāo)值，然后由數(shù)控切割機(jī)編程切割，下料后的隔板與曲面護(hù)角的內(nèi)弧面頂緊檢查其不吻合值。如間隙超過(guò)2mm，要對(duì)隔板的弧度進(jìn)行修正，直至隔板曲線與護(hù)角內(nèi)弧面曲面吻合為止。將制造合格的護(hù)角，隔板及筋板三種部件在專設(shè)胎具上進(jìn)行拼對(duì)。拼焊組裝胎具要便于檢查和施工，拼裝胎具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足護(hù)角在組裝和焊接時(shí)不同工位的加工要求。分段護(hù)角在拼裝胎具平放位置將有關(guān)部件組裝在一起，然后根據(jù)焊接位置的需要，將已拼裝好的護(hù)角旋轉(zhuǎn)到最佳焊接位置進(jìn)行焊接，以便制成整節(jié)護(hù)角，其拼裝旋轉(zhuǎn)胎具的構(gòu)造及作用原理詳見(jiàn)圖3

7、。2 復(fù)合鋼板護(hù)角焊接 復(fù)合鋼板護(hù)角焊接工藝選擇的原則是：除了控制護(hù)角的變形外，要保證復(fù)合鋼板的焊接接頭獲得良好的焊縫質(zhì)量。不銹鋼復(fù)合層作為泄洪深孔的抗磨損材料，要抗擊高速水流產(chǎn)生的氣蝕磨損和水流中泥沙等硬質(zhì)合金物引起的糊狀磨損。復(fù)合層材料為OCrl3Ni5Mo(相當(dāng)日本JIS標(biāo)準(zhǔn)的SUS630不銹鋼)，其化學(xué)成份如表1所示。表1 OCrl3Ni5Mo不銹鋼化學(xué)成份表(%)CSiMnPSCrNiMoHv338圖3 護(hù)角旋轉(zhuǎn)拼裝胎具示意圖  OCrl3Ni5Mo是一種典型的低碳馬氏體不銹鋼，具有良好的抗氣蝕性能及表面耐磨性能。但這種不銹鋼的工藝性能較差，盡管在制造過(guò)程中采取各

8、種防止脆變的工藝措施，但在金相微觀組織中仍發(fā)現(xiàn)存在馬氏體、萊氏體及其他混合珠光體等堅(jiān)硬組織，在焊接過(guò)程中容易在熱影響區(qū)造成馬氏體硬化組織，引起延遲冷裂紋。此外，深孔泄洪孔口是重要的過(guò)流通道也不允許存在表面應(yīng)力腐蝕破壞，一旦表面出現(xiàn)裂紋將導(dǎo)致孔口破壞的事故，為防止殘余焊接應(yīng)力在里襯使用過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，因此在復(fù)合鋼板焊接時(shí)要選擇合理的焊接工藝措施。首先所選用的焊材應(yīng)比復(fù)層有更高的鉻和鎳的合金元素含量，以保證焊縫區(qū)稀釋后熔合區(qū)仍有良好的組織與性能。護(hù)角在制造與安裝時(shí)開(kāi)設(shè)不同的坡口型式見(jiàn)圖4所。 復(fù)合不銹鋼板的焊接順序?yàn)橄群富鶎?，后焊過(guò)渡層，最終為復(fù)層焊接?；鶎雍附影吹秃辖痄摵附右筮M(jìn)行，焊材的

9、選擇應(yīng)保證焊接接頭與母材等強(qiáng)度。過(guò)渡層為珠光體與不銹鋼異種鋼材的焊接，是復(fù)合鋼板焊接的關(guān)鍵，應(yīng)選用較小的線能量采用直道焊將過(guò)渡層焊滿并略超過(guò)不銹鋼復(fù)層內(nèi)表面0.51.0mm高度。復(fù)層為不銹鋼焊接，應(yīng)保證接頭的化學(xué)成份與耐蝕性能，要求焊接金屬與母材相似或相同，焊接材料選用低氫型藥皮的純奧氏體Crl6Ni25Mo不銹鋼焊條，焊條牌號(hào)為A507，其化學(xué)成份見(jiàn)表2所示。A護(hù)角制作焊接順序B 護(hù)角安裝焊接順序圖4 護(hù)角制作與安裝坡口加工及焊接順序圖             &

10、#160;   表2 A507(Crl6Ni25Mo)焊條化學(xué)成份(%)CNiCrMoMnSiSP22271418奧氏體不銹鋼焊條雖然其焊縫金屬在焊態(tài)時(shí)強(qiáng)度比馬氏體型不銹鋼的強(qiáng)度略低，但韌性較高，較適合高流速護(hù)角的工況。復(fù)合鋼板護(hù)角制作的焊接過(guò)程是一個(gè)完整的質(zhì)量控制體系，不銹鋼復(fù)層焊接前采用等離子切割下料，再用刨邊機(jī)加工為光潔度較高的焊接坡口。護(hù)角鋼襯組裝時(shí)以復(fù)層為基準(zhǔn)，防止錯(cuò)邊過(guò)大影響復(fù)層焊接質(zhì)量。不銹鋼復(fù)層具有不同于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的物理性能，焊接前在焊接區(qū)內(nèi)保持清潔且去除雜質(zhì)是卜分重要的，坡口表面上沾附的有機(jī)物質(zhì)可能會(huì)在電弧熱的作用下導(dǎo)致分解，并誘導(dǎo)焊縫金屬產(chǎn)生氣孔和滲

11、碳。由于不銹鋼具有比碳素結(jié)構(gòu)鋼更高的熱膨脹系數(shù)，焊接變形量比碳素結(jié)構(gòu)鋼大，但不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低而電阻系數(shù)較高，故在焊接時(shí)選用較小的焊接線能量和最小的熔合比。焊接過(guò)程在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，也應(yīng)注意焊接的層間溫度，即基層焊接時(shí)層間溫度保證在200以下，焊接過(guò)渡層和復(fù)層時(shí)注意到不銹鋼的上述特點(diǎn)，層間溫度控制在80以下。在每一層焊道間都要認(rèn)真檢查焊縫的表面質(zhì)量，用不銹鋼制作的鋼絲刷清除焊道上的全部熔渣。3 護(hù)角總拼裝按照一般鋼閘門(mén)門(mén)槽的制作規(guī)定，當(dāng)分節(jié)護(hù)角制作完畢后，在平臺(tái)上按實(shí)際尺寸放出孔口中心線及左右護(hù)角位置線，對(duì)所有護(hù)角部件進(jìn)行總拼裝，拼裝檢測(cè)結(jié)果如下：(1)門(mén)楣止水座板工作面直線度0.4mm，門(mén)楣止水座板中心線與底畫(huà)基準(zhǔn)的高程距離達(dá)到14 630± 3的設(shè)計(jì)要求，能較好的滿足與檢修門(mén)槽的配套要求。(2)護(hù)角橢圓面?zhèn)让嬷本€度4mm。(3)止水門(mén)楣與側(cè)向護(hù)角形成矩形的對(duì)角線誤差3mm，扭曲值2inm。(4)護(hù)角的外弧面整體輪廊不吻合值2.5mm。護(hù)角總拼裝詳見(jiàn)照片1。4 結(jié)論為防止高速水流引起泄洪孔道氣蝕而布置的復(fù)合鋼板橢圓曲畫(huà)構(gòu)成的側(cè)壁及門(mén)楣護(hù)角，我國(guó)首次在水電站使用。其要求較我國(guó)現(xiàn)在執(zhí)行的水工鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)、制造及安裝有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)