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大型洞內壓力鋼管自動化工藝

0247建筑材料2021-07-18 12:03:10

　一、前言

　　繼十三陵、二灘等國內已建工程和三峽、龍灘在建的重大水電工程之后，大型電站輸水壓力鋼管和鋼襯（以下簡稱鋼管）的結構等變化十分明顯，第一：尺寸巨大，長江三峽大壩的管鋼直徑為12.4m，烏江彭水水電站管鋼最大直徑為14m，超過了國內外已有的大型壓力鋼管尺寸；第二：管壁鋼板強度等級高，500MPa級應用廣泛，600MPa級調質鋼得到了較大范圍的推廣。第三：工程數量大而建設工期短，制造安裝生產強度高。為了適應這樣的形勢變化，鋼管制造安裝技術在傳統的技術基礎上得到了大的發展，自動焊接技術在壓力鋼管制造中得到了較為廣泛的運用，大型專用施工設備在壩內鋼管安裝中發揮了重要的作用，相對而言，由于施工空間的限制，大型鋼管在洞內埋管方面受到限制，通常的運輸吊裝設備不能發揮作用，特別對于地處高山峽谷地帶的大型水電工程，鋼管在工地運輸和安裝時存在較大困難，目前的施工方法還過多地依賴于傳統的土法運輸和手工焊接，這些問題將導致施工工期較長并可能在支洞開挖等方面多花費數以百萬計的費用。因此，針對近期即將大規模開發建設的水電站（如瀑布溝、溪洛渡、向家壩、錦屏等）大型洞內鋼管工程的共同特點，結合現代工程的先進技術，研究與之相適應的洞內鋼管制造安裝工藝是十分必要的。

二、國內外相關行業發展狀態

　　為提高生產效率，降低工人勞動強度，國外焊接生產機械化、自動化已達到很高的程度。工業發達國家焊接機械化、自動化程度已達到熔敷金屬量的65%以上。氣體保護焊作為高效優質節能節材的焊接方法在國外已得到廣泛應用，日本在1998年已達到熔敷金屬量的77.6%.國外大型造船廠開始應用的門架式鋼板縱縫拼焊機技術，采用多絲高速埋弧焊工藝，配真空吸盤平臺或電磁平臺，其最大焊接行程達12m，一次行程可焊板厚最大為40mm。一些高效優質的焊接方法如電子束焊、激光焊、等離子焊、焊接機器人工作站、焊接柔性生產系統、窄間隙焊接技術、雙絲高效氣體保護焊技術等在國內已經得到運用，但我國焊接自動化率為熔敷金屬量的約30%-50%，應用的廣度和水平與工業發達國家相比尚有一定的差距。

　　目前，國際上技術先進的重型焊接滾輪架最大的承載重量達1600T，自動防竄滾輪架的最大承載重量達800T，采用PLC和高精度位移傳感器控制，防竄精度為±0.5mm.變位機的最大的承載重量達400T，轉矩可達450KNm.框架式焊接翻轉機和頭尾架翻轉機的最大承載重量達160T.焊接回轉平臺的最大承載重量達500T。立柱橫梁操作機和門架式的操作機的最大行程達12m.龍門架操作機的最大規格為8m×8m.我國已能生產6m×6m以上大型立柱—橫梁埋弧焊或窄間隙埋弧焊操作機，500T重型滾輪架及重型、輕型自動防竄滾輪架，防竄精度為±1.5mm，100T大型變位機和大、中型翻轉機等。批量生產H型鋼和箱形梁焊接生產線以及各種類型的按用戶需要定制的專用成套焊接設備，并大量采用交流電機變頻調整技術，PLC控制技術和伺服驅動及數控系統，焊接裝備的自動化程度有了很大的提高，某些操作機還配備了焊縫自動跟蹤系統和工業電視監控系統。近年來，在厚壁管道生產中，窄間隙MAG焊、窄間隙熱絲TIG焊等工藝的應用范圍日趨擴大，因此為窄間隙設備發展提供了有利的條件。從600MW鍋爐開始采用了8000噸油壓機壓制汽包筒體瓦瓣片和窄間隙埋弧自動焊工藝焊接筒體縱縫，實現了厚壁長筒節（單節最大長度7000mm，最大厚度250mm）壓制工藝自動化和焊接工藝高效率化。新型燃氣加熱器和電加熱設備得到廣泛的應用，例如，紅外燃氣加熱器，引射式液化氣加熱器等比傳統的燃氣加熱器提高熱效率30%以上，而且更加安全和方便。

　　自動控制技術在制造業中的廣泛應用正在徹底改變傳統制造業的面貌，其中焊接生產過程的全自動化已成為一種迫切的需求，它不僅可大大提高焊接生產率，更重要的是可確保焊接質量，改善操作環境。隨著整個制造業水平的提高，企業的經營理念發生了很大的變化，高產量已讓位于高質量、勞動密集型已逐步被知識密集型所取代。大量采用自動化焊接專機，生產線和柔性制造系統已成為一種不可阻擋的趨勢，這同樣也是水電金屬結構專業發展的大方向。

三、大型鋼管結構及現有工藝分析

　　大型洞內鋼管的結構型式由設計根據發電樞紐結構要求及巖土力學條件，結合施工要求確定，一般為單管單機布置，基本的結構有四種：

　　一、水平管，包括水平或接近水平的直管、錐管（漸變段）。

　　二、彎管，分上彎管和下彎管。

　　三、斜井直管。四、豎井直管。實際鋼管結構多為水平管與其它結構的組合，形成“N”型、單梯度或多梯度型式布置，也有完全以水平管布置的。不難理解，對于施工而言采用水平管是最有利的，電站輸水隧洞工程的優化方案多采用此種結構，而多梯度型式的施工較為困難。隧洞結構要求每個鋼管的內徑是漸變的，但主要部分的公稱尺寸相同且變化幅度不大，說明每個工程的鋼管結構的單一性，其直徑相對最大有約30％的變化，事實上每個大型鋼管工程都是由數百以至上千個結構尺寸相近的瓦片組成。

　　在現有工藝方面，以龍灘為例，典型的大型洞內鋼管的整個制造安裝工藝流程是：

　　⑴材料采購；

　?、其摬倪\輸；

　　⑶鋼管下料；

　?、绕驴诩庸ぃ?/div>

　?、删戆澹?/3（或1/4圓?。?；

　?、输摴芙M圓；

　?、丝v縫焊接；

　　⑻矯形；

　?、图觿怒h安裝焊接；

　?、蝺戎伟惭b；

　?、虾附訖z驗；

　?、袕S內防腐；

　?、殉鰪S驗收；

　?、野夹呐_車公路立運（鋼管軸線與汽車軸線平行，高度大于寬度，故名）運輸；

　?、咏煌ㄖФ催\輸（臺車平運）；

　?、灾鞫催\輸（臺車立運）；

　?、瞻惭b就位；

　　⒅安裝環縫焊接；

　?、装惭b檢驗；

　?、劁摴茼呕靥詈蟀惭b防腐。

　　其中，①～②由業主方直接負責，③～12由制造承包方在現場鋼管廠完成，14～20由安裝承包商實施。部分工程（例如三峽、天生橋等）在現場鋼管廠內進行管節大組和環縫焊接。

　　根據鋼管的施工時間順序和工作狀況可以整個制造安裝過程分為五個方面：

　?。?)材料采購供應

　　通常在正式的施工設計圖具備后，即具備采購條件。鋼板的長度和寬度尺寸應當由制造安裝工藝確定?？梢杂嬎悖摴芎缚p總長度為管壁的縱縫環縫與加勁環環縫之和，即

　　F＝mL+πDL／B+2πDn（1）

　　m為鋼管制造分瓦片數量，L為鋼管長度，D為鋼管直徑，B為鋼管板寬，

　　n為鋼管加勁環數量

　　大型鋼管的瓦片數量為2個到5個，鋼板的長度尺寸為1/3或1/4周長，這對材料運輸和保證卷板速度更為有利。當鋼管直徑長度加勁環等結構尺寸確定后，焊接工作量的大小與板寬成正比。以往，我國工業基礎較差，鋼板軋制、卷板等配套設備能力不足，大多采用了2m左右寬度的鋼板?，F在，不僅我國水電、石化、冶金等行業均有現代化的數控卷板機，寬度均按3-4m寬度設計，而且市場上可以采購到國內外生產的3m以上板寬鋼管用材。在設備條件許可時，鋼管板寬增加自然地形成了施工效率同比例的增長，若以2m板寬為基準，板寬每增加10%，每條鋼管的環縫數量可以相應減少約10%，減少比率Q

　　Q＝（B-2）/B×100%（2）

　　可以節省的實際焊縫數量W

　　W＝L×πD×（B-2）/B（3）

　　現有的情況是：我們在采購鋼板時可能少花費10%的費用，卻增加了30%的制造安裝成本及50%的施工時間。這是目前的一個盲點，站在社會經濟宏觀價值角度考慮，我們可以制定相應的行業技術標準，從一個方面提高我國節能降耗水平?？梢哉J為，鋼管寬度的確定只是受到了鋼鐵廠生產能力和陸路運輸的限制（例如汽車、火車），綜合分析，對于大多數鋼管工程2.5m-3.2m板寬是一個適合的寬度選擇范圍。

　　（2）鋼管制造

　　最常用的制作程序是：劃線、切割、刨邊、卷板、對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調圓、裝加勁環、焊加組環、除銹、涂裝、大節組裝、環縫焊接、出廠檢驗?！′摴軓S規劃方式的不同形成不同的生產工藝，主要有兩種，一種是鋼管全部在現場加工的模式，另一種為全部瓦片在水工廠卷制的模式。龔嘴、隔河巖等水電站的實踐證明，將劃線到卷板的程序放在工廠完成，是一種很有特點的做法，特別是在現有技術和市場條件下更據優勢，原因在于：

　　一、瓦片制作工藝簡單，質量易于保證，為提高鋼管的拼裝質量和自動焊接工藝提供有利條件；

　　二、在工廠易于實現規模化生產，大型的卷板機、數控切割機和刨邊機等設備利用率可以大大增加，工效高成本低，一臺大型的數控卷板機年產量可以達到20000噸左右，而目前一般只有20%的利用率；

三、氧氣乙炔等主要消耗性材料可就近采購；

　　四、臨建工程量投入減少，施工人員減少，工程建設期征地相應減少。有利于鋼管生產的節能降耗和施工環保，對所有在高山峽谷地區電站的施工規劃有重要的借鑒意義。

　　鋼管的對圓傳統上采用了平組（管口向上）的方式，其投入小，可同時多位焊接、矯形、安裝加勁環內支撐容易等，其適應尺寸范圍大，應用非常普遍。但我們也不應忽略實現鋼管立組（軸線水平）后可能帶來的優點，管壁的縱縫和環縫均為平焊，在立組狀態下可容易地實現更高效的自動焊接，鋼管在對圓中逐步用縱向操作的全自動焊機完成縱縫焊接以及矯正，并完成加勁環的安裝和焊接，可以在鋼管制造階段形成機械化，所有的縱縫和環縫實現自動化焊接，可以有效地減小翻身等吊裝工作。它的另一個優點是占地面積小，以直徑10m的鋼管為例，立組時每個平臺的面積為120m2，而平組只需要50m2，即使在隧洞狹小的作業空間內也能夠方便地組裝鋼管，這為大型洞內鋼管工藝改進提供了必要的條件。當然，實現鋼管立組的關鍵在于設計制造一種大型專業的立式回轉平臺，要求其結構穩定，操作方便，外形尺寸緊湊，具有旋轉驅動機構，設備自身運輸安裝拆卸方便，配備專用的活動內支撐、裝夾工具和多臺自動焊接設備后，具備完成鋼管對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調圓、安裝加勁環焊接的工作條件。

　　無論如何，高效的自動焊接設備是優先的選擇，因大多數鋼管的壁厚設計在20-50mm之間，將多絲高速埋弧焊工藝應用到水電站鋼管的焊接中是非常必要的，這與水電金屬結構業目前流行的全自動氬弧焊工藝比較在效率和成本上存在較大的優勢，而加勁環的焊接采用CO2氣體保護自動焊則是既高效又經濟的工藝。

　?。?）鋼管運輸

　　運輸工作包括材料運輸、管節公路運輸和洞內運輸，運輸工具為汽車、火車或輪船，其中汽車運輸是必不可少的，材料運輸可以使用通用的運輸工具完成，國內水電工程較多地采用了火車和汽車運輸方式，部分水運條件較好的采用輪船遠程運輸后，汽車或火車倒運到現場，管節運輸除個別工程外，都采用特制汽車拖車運輸。運輸的最后階段是由平板臺車完成的（垂直管例外），平板臺車由卷揚機進行牽引。

　　實際上，鋼管在現場的運輸是工程規劃和施工的一個關鍵點。絕大部分水電工程施工道路設計為二級公路，根據國家公路技術標準，其寬度在7m～9m之間，當鋼管外形尺寸在9m以內時，公路具備鋼管平運條件，但必須在鋼管節運輸時對所經過的路段實施交通管制，由專用運輸車通過，特殊情況下，可以采用凹心臺車的方式拖運，但由于運輸時鋼管重心高，鋼性差，裝車難，運輸速度低，近年較少采用。若管徑大于9m時，可能為此提高公路的設計等級，當然施工交通洞的等級也要相應地提高，鋼管運輸所經過的公路和隧洞將產生大量的土石擴挖和砼回填工程量，產生的直接費用是以百萬計算的。與此相對應，最大程度地減小汽車運輸尺寸可能產生的數以百萬計的經濟價值，同時可以減少交通干擾、節省施工時間，并且有利于環境保護，無疑對工程建設是十分有利的。

　?。?）鋼管安裝

　　大量的工程實踐表明，鋼管安裝質量和進度的關鍵控制點的是其焊縫的焊接，這一點在大中型鋼管中更為明顯。我國在云峰電站建設中首次將埋弧自動和焊滾焊臺車結合應用于鋼管環縫焊接，可以將兩節鋼管組成大節后運輸，有效地減少了安裝焊縫，較好地提高了環縫焊接效率和質量，被廣泛地用于在工地鋼管廠鋼管制造，但是由于運輸尺寸和重量的限制，四十多年來滾焊臺車和埋弧自動焊的工藝設備技術在水電行業中沒有得到大的發展，與國內外相關行業技術發展水平形成了巨大的差異，同時也表明，在鋼管安裝技術上存在巨大的開發潛力。我們完全可以設想，直接將大型的滾焊臺車安裝施工部位，比如輸水隧洞的主洞內，這樣，可以進行兩節或兩節以上的大節組裝，70％以上的環縫可以實現自動化焊接，鋼管安裝環縫減到更少，與此同時，鋼管主洞以外的運輸的尺寸可以繼續減小，鋼管主洞內的運輸的尺寸反而可以增大，事實上，尺寸越大的鋼管越有這種必要，主洞以外的運輸工具通常用汽車，尺寸越小其穩定性更好，速度可以相應提高，對施工交通的干擾減少，而鋼管主洞內的運輸由于洞挖結構的限制只能立運，在鋼管大節組裝之后其寬高比成倍增加，無論在平洞還是斜洞段運輸的穩定性變得更好了，有利于整個的施工安全。更一步地設想，若在滾焊臺車上設置行走驅動機構，代替以往結構功能簡單的運輸臺車，鋼管水平運輸的效率有望從根本上得到提高，可以達到一舉多得的效果，這對以水平結構為主的鋼管工程無疑是理想的施工設備。（5）防腐

　　現在水電站鋼管絕大部分防腐工作是分兩個階段進行：大面積的工廠防腐和鋼管安裝后防腐。目前我國的防腐技術標準和國外是基本一致的，國外類似工程的防腐使用壽命可以達到20～30年，而我國普遍為3-5年，差別巨大。在巖灘等工程中，鋼管防腐在安裝和澆筑混凝土后一次完成，質量明顯較好，這與國外成功經驗相同的。由于安裝過程和混凝土回填施工中不可避免要傷害到工廠防腐的部位，這些部位與安裝焊縫區域的防腐一樣成為鋼管內壁防腐的薄弱環節。用“圍桶理論”的觀點分析，提高安裝階段的防腐質量是提高其使用壽命的關鍵板?，F在，越來越多的工程技術專家達成一致，應當在安裝后一次性地完成防腐涂裝工作，為了進一步提高我國鋼管施工水平，我們不僅應當在鋼管工程設計和施工規范中加以明確，而且借簽國內外石油、化工等相關行業的先進技術工藝以及設備應用經驗，可以研制高效、清潔的自動噴砂和自動噴涂設備，解決長期以來鋼管防腐用簡易的設備進行大量的手工操作產生的高污染、低效率局面，滿足防腐質量要求和工程的進度要求。

四、現代大型鋼管工程的基本要求

　　1、滿足工程設計工期和質量的要求

　　針對目前鋼管制造安裝量在和質量要求高的趨勢，應當盡可能選用技術成熟、自動化程度高的工藝和設備。無論是在材料采購，還是在鋼管制造、安裝、焊接、防腐及相應的檢測過程都應當體現。

　　在我國大規模開發大中型水電站的背景下，為符合鋼管工程結構的單一性、高強度和質量要求，研制大型鋼管制造的自動化焊接單機十分必要，借鑒國內外的先進焊機技術，采用多絲高速埋弧焊工藝，完全可以從根本上解決大型鋼管工程的焊接效率和質量控制難題。

　　2、降低工程總造價

　　根據洞內鋼管工程的特點，其成本包括材料采購和制造安裝等直接費用，同時應計算為此工程產生的臨時工程投入的大小，并盡可能減少后期運行管理成本。

　　3、生產系統具有柔性，可以適應結構和尺寸相近的鋼管需要

　　由具有自適應焊縫跟蹤系統功能的單臺或多臺焊接操作機與工件裝夾，機械組合而成的加工中心適用于產品規格多變的小批量生產。大型自動化焊接裝備或生產線的一次投資額相對較高，在設計這種焊接裝備時必須考慮柔性化，形成柔性制造系統，以充分發揮裝備的效能，滿足同一工程或類似工程不同的生產需要。

　　4、減少交叉作業，避免施工互相干擾：

　　這一點在洞內施工時尤為關鍵，不合理的工藝線路設計不僅影響到鋼管的安裝安全和質量，而且極可能影響到整個隧洞工程的施工進度。

　　5、實現均衡生產，避免勞動力、施工設備等資源使用出現大的波動，工程施工易于實現過程控制，可以有效地降低施工管理難度。

　　6、創造有利的施工環境，這既符合國家相關法律（《勞動法》《環境保護法》等），又是現代企業以人為本的文化價值觀的直接體現。

五、大型洞內鋼管新型自動化工藝及其特點

　　在以上的工藝分析的基礎上，結合現代技術的原則，我們可以確定這樣一個新的大型洞內鋼管的自動化工藝，它分為三個階段：

　　1、鋼板加工卷制

　?、邃摴芟铝?、切割刨邊：鋼板寬度在3m左右較為合理；

　?、驿摴芫戆澹ǜ鶕闆r制作成1/2、1/3或1/4圓?。?；

　　㈢加勁環制造：可以數控切割；

　?、鑸A弧鋼板運輸，包括長途運輸到施工洞內，或倉儲后二次運輸到施工洞內。

　　2、鋼管組圓焊接及安裝

　　㈠洞內組圓及縱縫焊接：組圓采用大型的立式組圓回轉平臺，焊接方法為全自動埋弧焊接或氣體保護焊接；

　?、驿摴艹C圓，采用可移動的半自動液壓校形機；

　?、绨惭b鋼管活動內支撐；

　　㈣兩個或多個管節組圓及環縫焊接：在大型滾焊臺車上進行全自動埋弧焊接或氣體保護焊接；㈤鋼管加勁環安裝及焊接；

　　㈥臺車運輸到安裝部位，調正，焊接，檢驗。

　　〔這是新工藝最關鍵的部分，采用了洞內立組的方法，結合立式回轉平臺、大型或超大型滾焊臺車和高效的自動焊接設備，將形成一套移動的鋼管拼裝焊接生產線，代替現有工地鋼管廠的功能，同時調整現有的安裝工藝，拼裝和焊接的自動化程度大大地提高了，大量復雜的鋼管大件運輸吊裝以及翻身換位工作沒有了，起重、安裝、焊接及其探傷的勞動強度降低了，施工安全和質量可靠性增加，鋼管制造安裝的強度易于提高。此項工藝突破了現有技術的限制，將促使水電站壓力鋼管制造安裝實現量變到質變的飛躍發展，更能體現我國大型水電站建設規劃中高技術高質量高效率低投入少（施工）人員的現代設計理念?！?/div>

　　3 鋼管防腐：回填管壁外混凝土及灌漿后，內壁防腐，采用高效、清潔的自動噴砂、噴涂設備。

　　新型鋼管工藝的特點是：

　　1.鋼管初步加工可由設備完善的機械廠或鋼結構制造廠完成，將切割劃線、下料、刨邊、卷板形成流水線作業。大型鋼管專用的弧形鋼板形成集中工廠加工的方式，促進鋼管制造向標準化、專業化和規?；较虬l展?？赡苄纬梢粋€工廠對多個中小工程或多個工廠對一個大工程的市場網格狀態的分布，實現市場資源的合理配制。

　　2.現場的鋼管制造和安裝由專業化的機械設備進行組圓，焊接和防腐工作自動化程度大大提高，既能保證施工質量，又可以加快總體施工進度。

　　3.施工安全性提高，鋼管運輸只在主洞內進行，大件的運輸和吊裝工作量大為減少，運輸效率易于提高，完全避免了現有工程中通常存在的大型鋼管運輸造成施工交通受阻的現象。

　　4.節省了現場鋼管廠的建造，與此相關的公路、施工支洞等可以按普通標準設計施工等級降低，此方面可以節省大量前期投入。不僅如此，還將節省了工地鋼管廠的建設費用和數控切割機、刨邊機、數控卷板機等大型設備的一次性投入。目前一個中等規模的工地鋼管廠的臨時建設費用在300萬以上，相應的設備投入約1000萬，占地總面積在10000m2以上。

　　5.專用設備投入增加，需要設計制造大型鋼管立式旋轉組裝平臺，選擇適合大型鋼管的滾焊臺車，并開發鋼管內壁防腐專用的自動化設備，但這些在技術上沒有大的難題，而且相關設備費用可由多個工程分攤，總體設備投入與現有工藝相當或適當降低。

　　6.工作環境改善，勞動強度降低，現場施工人員減少，主要表現為焊接和起重技術工人數量減少，通常一個中型規模的工地鋼管廠需要200人左右，而按照此工藝只需要50-60人左右，施工人員勞動生產率將提高2-4倍，管理工作量相應減少。

　　7.與此相關的土建工程開挖量和臨時建筑減少，相應地減少了對施工區域自然環境的影響。

　　8.隨著整個施工過程機械化自動化程度的提高，特別是手工焊條電弧焊只在少量環縫和加勁環接頭等局部使用，焊接自動化程度將達到熔敷金屬量的70%以上，生產能耗相對降低，使鋼管制造安裝工藝技術得到大的提升，達到甚至超過發達國家的先進水平。

　　9.既適用于交通運輸或場地條件有限的水電站大型鋼管工程，也非常適用于鋼管直徑大數量不多的水電站中小型鋼管工程。

六、結束語

　　水電站鋼管工程是一個系統的工程，涉及到水電站建設的規劃、設計和施工等多個環節，其發展與現代冶金、機械制造、交通運輸以及水電建筑等基礎工業的發展密切相關，鋼管的新型自動化工藝是一個既符合我國大規模水電站開發建設的高質量快速施工原則，又能大幅提升鋼管制造安裝水平的現代化施工工藝，它可以綜合鋼板機械加工、數控卷板與全自動焊接等多項國內外成熟的工程技術，可以應用先進的大型數控卷板機、大型鋼管滾焊臺車、多絲高速埋弧焊焊接工藝及設備等，同時提出了大型鋼管立式組圓回轉平臺、大型鋼管內壁自動噴砂、自動噴涂設備研發的新課題?！∷娬径磧蠕摴艿男鹿に囀诌m應我國目前日益發展的工業化水平和市場經濟要求，符合改革開放條件下的中國現代水電建設管理思想，通過進一步的技術開發利用，不僅可以為水電建設的優化方案提供技術支持，有利于節約電站投資，有利于改善施工環境，有利于提高工效，有利于工程質量控制，有利于提高施工管理效率，而且，在大規模推廣應用之后，能充分利用市場資源，提高能源利用效率，展示我國水電站建設現代化水平，使我國水電站鋼管制造安裝的技術達到國際領先水平。

鋼管工程水電站