三峡泄洪深孔检修门槽复合钢板护角的研制

　　三峡泄洪坝段23孔检修门槽的主轨护角及门楣安装在▽90～▽105高程间，此段门槽位于深孔前端流态最复杂的区域，以往过水面护角及门楣设计均为混凝土曲面，由于三峡电站深孔流态复杂，常规混凝土护角及门槽巳不能满足高速水流冲刷时抗磨损及抗气蚀的要求。设计单位经过大量水力模拟试验后，检修门槽主轨及门楣的过水面均采用复合不锈钢板椭圆形焊接护角，其材质为OCrl3Ni5MO+Q345C，复合钢板总厚度为24mm，迎水面的不锈钢板为4mm，椭圆的长轴为11 000mm，短轴为3 670mm，曲面长度为2 500mm。闸门的门槽与其钢衬护角组成了复合的钢闸门的门槽体系，三峡深孔泄洪检修门槽及其护角的结构详见图1所示。

　　为了满足复杂水流的特殊要求，对护角提出了较严的制作要求，即椭圆表面直线度公差≤3 mm，用全弧长外弧样板 检查与护角表面不吻合值≤4 mm，表面的扭曲值不大于3mm，组装后节间错位≤2mm。在我国的水电站钢闸门设汁中采用钢护角过水尚属首例，凋查世界各国已完成水电站高速水流的过水护角，仅发现在巴西伊泰普水电站使用过类似的椭圆形曲面铸钢过水护角，但与三峡电站使用复合不锈钢板钢衬相比，其制造难度要低得多，同时核查国内外有关水工金属结构埋件中的曲面钢衬也没有制造的依据标准。我国最新的DL/5018 94"水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范”中规定的具有止水要求的胸墙及钢衬制造允许公差都是适用于平面型的胸墙及钢衬，所以对于三峡电站深孔进水口椭圆形表面的制造允许公差是偏严的，在制造过程中也增加不少困难。

图1 三峡泄洪深孔检修门门槽结构图

1 椭圆护角制造方案研究

　　由于复合钢板护角制造质量要求很高，又要考虑在高流速区的使用耐久性，因此制作工艺方案要考虑不锈钢表面的光洁度及焊缝金属的耐磨腐蚀性。如果采用热压成形，由于基材与复材两种材料的导热率与线膨胀系数有较大差异，将会在分层处造成脱落或产生应力裂纹，对深孔进口处接近40m/s的高流速区长期安全运行是不利的。同时复合不锈钢板的表面加热后，易造成表面质量变迁并破坏原先轧制钢板时的表面光洁度，加热压制后要进行大量辅助的表面酸洗与抛光工作。此外，在热压加温过程及压制后的冷却过程中椭圆曲面的收缩率也较难控制，最终会影响椭圆曲面的外形不吻合值。复合钢板护角压制后要求的尺寸及其单元结构详见图2所示。

　　葛洲坝机电建设有限公司金属结构厂根据过去制作不锈钢压力容器的施工经验，决定采用瓦片冷压成形、在胎具上整体拼焊的制作加工方法。以复合不锈钢板出厂的宽度，按最大利用率下料计算后用数控等离子切割机下料，并在刨边机上加工拼接焊缝的坡口。首先在800t油压机上用胎模压制瓦片两端的弧度，再在卷板机上卷制到接近的椭圆轮廓面，最后在油压机上按瓦片上平行的素线逐段按椭圆表面形状予以压制校正。当压制的椭圆轮廓达到设计要求后用标准检查样板逐段检查其弧度，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。为了防止拼焊时弧形瓦片间焊接变形及护角反复卷压后的时效应变，对护角背面的筋板与隔板下料尺寸及形位公差都有严格控制的标准：即筋板与隔板都用数控切割机下料，然后用压力机校正检查其平面度误差不大于2mm，侧弯小于3mm。隔板要直接与弧面顶紧，因此隔板实物按l：l放

图2 复合钢板护角构造图

样，每隔25mm距离求得相应的弧面座标值，然后由数控切割机编程切割，下料后的隔板与曲面护角的内弧面顶紧检查其不吻合值。如间隙超过2mm，要对隔板的弧度进行修正，直至隔板曲线与护角内弧面曲面吻合为止。将制造合格的护角，隔板及筋板三种部件在专设胎具上进行拼对。拼焊组装胎具要便于检查和施工，拼装胎具设计时应满足护角在组装和焊接时不同工位的加工要求。分段护角在拼装胎具平放位置将有关部件组装在一起，然后根据焊接位置的需要，将已拼装好的护角旋转到最佳焊接位置进行焊接，以便制成整节护角，其拼装旋转胎具的构造及作用原理详见图3。

2 复合钢板护角焊接　

　　复合钢板护角焊接工艺选择的原则是：除了控制护角的变形外，要保证复合钢板的焊接接头获得良好的焊缝质量。不锈钢复合层作为泄洪深孔的抗磨损材料，要抗击高速水流产生的气蚀磨损和水流中泥沙等硬质合金物引起的糊状磨损。复合层材料为OCrl3Ni5Mo(相当日本JIS标准的SUS630不锈钢)，其化学成份如表1所示。

表1 OCrl3Ni5Mo不锈钢化学成份表(%)

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Hv

≤0.08

≤1.0

≤1.0

≤0.035

≤0.03

11.5～13.5

4.5～6.5

1.0～1.2

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图3 护角旋转拼装胎具示意图

　　OCrl3Ni5Mo是一种典型的低碳马氏体不锈钢，具有良好的抗气蚀性能及表面耐磨性能。但这种不锈钢的工艺性能较差，尽管在制造过程中采取各种防止脆变的工艺措施，但在金相微观组织中仍发现存在马氏体、莱氏体及其他混合珠光体等坚硬组织，在焊接过程中容易在热影响区造成马氏体硬化组织，引起延迟冷裂纹。此外，深孔泄洪孔口是重要的过流通道也不允许存在表面应力腐蚀破坏，一旦表面出现裂纹将导致孔口破坏的事故，为防止残余焊接应力在里衬使用过程产生应力腐蚀裂纹，因此在复合钢板焊接时要选择合理的焊接工艺措施。首先所选用的焊材应比复层有更高的铬和镍的合金元素含量，以保证焊缝区稀释后熔合区仍有良好的组织与性能。护角在制造与安装时开设不同的坡口型式见图4所。

　　复合不锈钢板的焊接顺序为先焊基层，后焊过渡层，最终为复层焊接。基层焊接按低合金钢焊接要求进行，焊材的选择应保证焊接接头与母材等强度。过渡层为珠光体与不锈钢异种钢材的焊接，是复合钢板焊接的关键，应选用较小的线能量采用直道焊将过渡层焊满并略超过不锈钢复层内表面0.5～1.0mm高度。复层为不锈钢焊接，应保证接头的化学成份与耐蚀性能，要求焊接金属与母材相似或相同，焊接材料选用低氢型药皮的纯奥氏体Crl6Ni25Mo不锈钢焊条，焊条牌号为A507，其化学成份见表2所示。

A　护角制作焊接顺序

B 护角安装焊接顺序
图4 护角制作与安装坡口加工及焊接顺序图

表2 A507(Crl6Ni25Mo)焊条化学成份(%)

C

Ni

Cr

Mo

Mn

Si

S

P

≤0.12

22～27

14～18

5.0～7.0

0.5～2.5

0.90

≤0.03

≤0.035

　　奥氏体不锈钢焊条虽然其焊缝金属在焊态时强度比马氏体型不锈钢的强度略低，但韧性较高，较适合高流速护角的工况。复合钢板护角制作的焊接过程是一个完整的质量控制体系，不锈钢复层焊接前采用等离子切割下料，再用刨边机加工为光洁度较高的焊接坡口。护角钢衬组装时以复层为基准，防止错边过大影响复层焊接质量。不锈钢复层具有不同于普通碳素结构钢的物理性能，焊接前在焊接区内保持清洁且去除杂质是卜分重要的，坡口表面上沾附的有机物质可能会在电弧热的作用下导致分解，并诱导焊缝金属产生气孔和渗碳。

　　由于不锈钢具有比碳素结构钢更高的热膨胀系数，焊接变形量比碳素结构钢大，但不锈钢的导热系数较低而电阻系数较高，故在焊接时选用较小的焊接线能量和最小的熔合比。焊接过程在保证焊接质量的同时，也应注意焊接的层间温度，即基层焊接时层间温度保证在200℃以下，焊接过渡层和复层时注意到不锈钢的上述特点，层间温度控制在80℃以下。在每一层焊道间都要认真检查焊缝的表面质量，用不锈钢制作的钢丝刷清除焊道上的全部熔渣。

3 护角总拼装

　　按照一般钢闸门门槽的制作规定，当分节护角制作完毕后，在平台上按实际尺寸放出孔口中心线及左右护角位置线，对所有护角部件进行总拼装，拼装检测结果如下：

　　(1)门楣止水座板工作面直线度≤0.4mm，门楣止水座板中心线与底画基准的高程距离达到14 630± 3的设计要求，能较好的满足与检修门槽的配套要求。

　　(2)护角椭圆面侧面直线度≤4mm。

　　(3)止水门楣与侧向护角形成矩形的对角线误差≤3mm，扭曲值≤2inm。

　　(4)护角的外弧面整体轮廊不吻合值≤2.5mm。护角总拼装详见照片1。

4 结论

　　为防止高速水流引起泄洪孔道气蚀而布置的复合钢板椭圆曲画构成的侧壁及门楣护角，我国首次在水电站使用。其要求较我国现在执行的水工钢闸门设计、制造及安装有关技术标准更为严格，制造难度较大，经多次与设计、工程监理及业主协商，并反复试制改进，终于研制成功，并已开始在三峡泄洪坝段深孔第23孔的上游侧安装完成，详见照片2。不锈钢护角与检修门槽结合良好，试制是成功的。

　　不锈复合钢板护角在深孔泄洪坝段安装使用后可保证泄洪孔口长期安全运行，也为我国水工金属结构制作填补了空白。

照片1　深孔检修门槽护角总拼装

照片2　泄洪坝段23孔上游已安装完成