张掖黑河宝瓶水电站压力钢管制作安装技术

张掖黑河宝瓶水电站压力钢管制作安装技术

相守海

甘肃电投河西水电开发有限责任公司， 734000

摘要：宝瓶水电站压力钢管总长为630米，制造安装工程量为2700吨，本文简要介绍钢管工地的制造、安装、焊接、进度及优化。

作者：相守海

关键词：施工特点 钢管制安 焊接工艺 进度

一、工程概述

张掖黑河宝瓶水电站压力钢管段分为上、下平管段；上、下弯管；竖井段钢管和柴沟管桥段、岔管段；内径都为5800mm，材质为Q235B，管厚为岔管段δ=32，下平段、下弯段为δ=25，竖井、上弯段、上平段为δ=18，柴沟（管桥段）为δ=22工程量合计为 2700吨。

二、压力钢管制安的施工特点

1、施工特性

引水系统布置于河床左岸，采用三机一管供水方式，由引水洞、引水钢管、压力钢管和岔管段几部份组成。压力钢管在酒泉进行钢管瓦片制作，宝瓶水电站将压力钢管拼装成整节，之后在洞内部进行焊接。

2、压力钢管制造、安装特点：

（1）制造储备量大、堆放场地面积大、要求高。

根据引水发电系统施工总进度可知压力钢管制造主要安排在2010年和2011年期间进行，在引水洞开挖完成后方可实施钢管安装。安装施工前将有大量的成品钢管储备，宝瓶水电站场地狭小，加上钢管为圆形空心体，堆放场地利用率较低，因此需要大面积的堆放场地。

（2）工期紧、任务重，施工难度大。

压力钢管管径为5.8m（内径），单节长度为2米，外形尺寸φ6000mm，重约8t，施工时需要配备大型的施工设备，吊装及运输工序操作复杂。钢管安装依附土建施工进度而开展，由于压力钢管段开挖中，岩石为砂砾石围岩，开挖难度大，导致工期滞后严重，为确保总工期，就要缩短压力钢管安装工期，面临洞内排水、排烟、阴暗潮湿的施工环境，又高海拔地区，环境恶劣，施工条件艰苦，难度较大。

三、压力钢管制造工艺技术

黑河宝瓶水电站压力钢管由直管、弯管及岔管组成，工艺方案的阐述主要以直管的制造工艺进行，弯管、渐变管的工艺不同处只是在下料、坡口加工上略有不同，不同之处在工艺叙述中重点说明。

1、划线、下料及坡口加工：

1） 压力钢管所有钢板根据设计图纸尺寸，定尺采购钢板。弯管、渐变管和岔管的展开放样、采用CAD制图软件，按1：1比例绘制展开放样图和制作排料工艺图。图纸绘制完，各项尺寸检查无误后，将图形直接输入数控切割机，用数控切割机喷粉装置在板料上喷出下料轮廓线，检查无误后进行下料。

2）弯管、渐变管和岔管环缝曲线边采用半自动切割机加工成型，或用数控切割机切割加工钢板长边坡口后用砂轮机打磨去切割产生的氧化层。

3）钢板划线后用油漆和冲眼分别标记出钢管分段、分节、分块的编号，水流方向，水平和垂直中心线，灌浆孔位置，坡口角度以及切割线等符号。

2、瓦片的卷制：

直管、弯管、和支管单节制作分为两张瓦片，钢管瓦片卷制设备采用卷板机进行瓦片冷卷成型。

1、用卷板机先进行钢板预弯，然后进行卷制，卷板过程中控制加压量，分步加压卷制成型，避免一次性卷制弧度过小。

2、瓦片卷制成型后，将瓦片以自由状态立于平台上，用样板（弦长L=1.5m）检查弧度，样板与瓦片的极限间隙不大于2.5mm。

3、组圆

钢管瓦片卷制并检查合格后，在钢管组圆专用钢平台上进行组圆。钢管组圆平台的支点平面度偏差不大于1mm。

组圆平台

4、钢管调圆

钢管纵缝焊接完成，并经无损检测合格后，对钢管进行纵缝矫正并调圆。用纵缝校正设备校正纵缝处弧度，分别用弦长1.2m样板检查，对应样板与纵缝的极限间隙应分别小于3mm（合格后，用超声波进行纵缝复探）。

钢管纵缝矫正完成后，管内安装内支撑调圆。钢管调圆米字撑安装在钢管加劲环安装位置。钢管调圆后，用样板检测，任意位置的钢管管壁与样板之间的间隙不大于2.5mm。同一管口测量不少于2对直径，其最大直径与最小直径之差控制在3D‰以内。

四 压力钢管安装技术

1 、钢管安装技术

竖井段、上平管段安装以瓦片的形式从三号支洞运输进去，进行组圆，竖井顶端打上天铆采用卷扬机运输，从下往上一次安装。平管段的钢管利用副厂房右侧吊装平台，用70吨汽车吊将钢管吊装至引水隧洞口，放在运输小车上，然后用设置好的卷扬机配合滑轮组将钢管运至工作面，进行整体安装。对于弯管采用瓦片进行洞内安装和焊接。所有钢管全部采用L63×L63×6角钢作为安装加固支撑。

2、钢管的施工技术

2.1安装施工准备

竖井段、上平管段受3#支洞钢管运输条件的限制，无法从3#支洞将下弯管、竖井、上弯管和平管段整节钢管运输到位，所以在平管段到上弯段隧洞扩挖长度共计20米作为临时安装间，上隧洞底部扩挖至竖井侧30米，扩挖高度为9米，扩挖宽度不小于8米。并在安装间搭设3个简易平台进行瓦片组圆及装加劲环、焊接、调圆。在洞内设置的安装间30米范围内，安装门型架并沿隧洞纵向中心线布置横梁，在横梁上安装10吨电动葫芦，10吨的电动葫芦轨道安装要保证其直线度及高度在2mm/m的误差范围，轨道总体直线度不超过10mm,高程不超过2mm，确保葫芦运行安全平稳，电动葫芦用于钢管瓦片的卸车、组圆、装环吊装，同时将钢管转移至竖井顶部下放平台处。下弯段钢管由下游到上游的顺序依次安装，安装时利用5吨卷扬机从竖井段吊起，进行压缝、焊接等工序。

门型架示意图

竖井高度为120米，为下放钢丝绳的长度需求，钢管竖井段下放作业由上弯段与上平段相接处地面安装的一台5吨固定卷扬机来完成。即10吨葫芦将钢管运输至竖井段平台后，倒用5吨卷扬机（采用地锚连接固定）采用动滑轮组将钢管运输至安装位置，为确保人员平凡走动及换绳的需求，上弯段入口处做临时防护栏杆，并装安全防护网。

下平段压力隧洞地面以钢管安装纵向中心线为基准，铺设台车轨道（38#重轨）。铺设轨道并浇筑。轨道安装要控制轨距2500±5mm，轨道平面度不大于10 mm。

2.2钢管及瓦片的运输

上平段、上弯段、竖井段及下弯段8节钢管以瓦片形式（每节2张瓦片）通过3#支洞（宽5m、高5 m）用8吨汽车运输到临时安装间，在安装间组圆，用锚筋固定卷扬机，用卷扬机放到竖井下端，然后进行安装。

下平段钢管在宝瓶加工厂完成两节的摞节后，用30吨载重汽车运输至副厂房右侧吊装平台处，之后利用70吨汽车吊下放到下平洞口处的运输台车上，用2吨卷扬机牵引运输至安装位置进行压缝、焊接支腿、焊接环缝等工序。

2.3安装技术

1） 竖井、上平段部分的安装

（1）竖井段安装流程：

钢管的安装顺序为：下平段始装节（3-4个大节完成后浇筑）→下弯段→竖井段→上弯段→上平段。安装均由自下游至上游的顺序进行。

竖井钢管安装人员及焊接人员的下放利用吊笼实现，为竖井压力钢管焊接设计专门焊接平台，由于它的作用是承载施工人员、必要设备及材料，所以必须具有可靠的安全性，另外其结构直接影响钢管安装的各个环节，故其结构必须可靠、实用。平台总高度为1200mm。平台直径5600mm。待钢管压缝安装后，用4个专用挂钩将焊接专用平台挂在管口。另外平台四周轴线位置设置4个可调节丝杆，用于加固平台，增加平台的稳定性。电焊机及空压机等工器具放在焊接平台上。

钢管下放时先利用10吨电动葫芦把管节吊到竖井顶部中心位置（下垫可移动平台），完成10吨门机与5吨卷扬机的换钩。再利用5吨卷扬机进行钢管的下放，钢管逐节下放进行安装。吊装到位后首先检验纵缝位置是否合理，检查节间钢管环缝间隙，用千斤顶及导链联合调整，合格后用楔铁与压码在外侧压缝焊接，确保环缝错台在2mm内，压缝完成测量检查安装中心位置，为下节安装提供技术数据,便于调正管节中心轴线。

竖井段钢管安装完后进行上弯段的安装，同样用卷扬机下放。上弯段钢管瓦片在安装间组圆拼装后按节整体挂装，安装时需注意管节号及水流方向。

上平段钢管在安装间组圆、装加劲环、焊接等完成，之后用10吨电动葫芦进行90°翻身后，吊至制作运输轨道上，从轨道运输至安装位置进行压缝焊接。

竖井吊运示意图

2）下平管段安装流程

下平段钢管先安装3-4节，等浇注完成后下弯段与下平段同时安装。吊装到位后首先检验纵缝位置是否合理，检查节间钢管环缝间隙，用千斤顶及导链联合调整，合格后用楔铁与码子在外侧焊接压缝，确保环缝错台在2mm内，压缝完成测量检查安装中心位置，为下节安装提供技术数据,便于调正管节中心轴线。

焊接平台示意图

可移动式环缝焊接平台

3）压缝与测量

（1）压缝：

①、主要控制项目为对接钢管环缝错台、焊缝间隙。压缝前计算上下对接管口错台余量（上下管口周长之差/2），查看上节已安装完成钢管的测量成果，测算上下钢管之间的间隙留为最佳尺寸，以保证钢管管节的安装后的管口平面度及钢管管口中心于设计中心的相对偏差满足规范要求。

②、压缝利用千斤顶配合L 型压码或斜铁配合Z型压码对钢管环缝错台进行调整，以满足设计及规范要求。

(2）测量：

①利用事先放置的控制点采用水平仪配合吊线测算钢管中心轴线与设计中心的偏差；

②压缝结束后测量检验钢管中心偏差、管口椭圆度。

(3）加固：所有钢管就位、调整合格后，每节采用一道∠63×6角钢侧面斜向加固。

始装节的加固全部采用［14槽钢，加固两层，每层均匀分布，其中第一个浇注仓号外支撑应适当增加几根［14，岔管加固应增加［14数量（注意每根加固有效性和牢固性）。五、焊接技术

1、焊接方法

1）钢管纵缝的焊接采用手工焊接方法。

2）埋弧滚焊方法

3）钢管的加劲环采用CO₂气体保护全自动焊接（配合角焊缝跟踪器）和CO₂气体保护半自动焊接技术。

4）钢管的组装及附件的装配焊接均采用CO₂气体保护半自动焊接。

5）工地安装焊缝采用手工电弧焊。

2、焊接一般程序

焊前清理→定位焊焊接→（装配校正与间隙保证）→焊前清理→（焊前预热）→焊接→焊缝检验

4、加劲环焊接

加劲环对接坡口采用对称60°坡口，坡口型式如图示：

加劲环与钢管管壁间角焊缝采用全自动CO2气体保护焊。采用自动焊小车行走轨道、角焊缝跟踪器实现平角焊缝的全自动焊接，仰焊位的角焊缝待平角焊逢焊接完成后，用20t门机将钢管吊到翻身场地翻身，形成平角焊逢，实现平角焊缝的全自动焊接。

5、焊接顺序及焊接变形控制

焊接顺序的控制对钢管制作的焊后应力分布很重要，特别对厚壁管焊后产生的变形控制是一种非常行之有效的方法。

1、钢管纵缝

钢管纵缝的焊接时，两条纵缝同时施焊，尽可能的保持一致的焊接参数。

打底焊时采用分段退步焊，打底焊完成，背缝的清根处理后，后续的焊接根据焊道的填充量内外轮流施焊。采用内、外弧样板检查控制焊接顺序（当焊缝的角变形大于2mm时，转到对应的另一面施焊），直至焊缝全部焊满。从而达到有效控制焊接变形的目的。

2、环缝焊缝

环缝焊接时采用偶数名焊工均分若干个对接接头，向一个方向轮流施焊，依次对各工位进行焊接，具体见下图。

3、埋弧滚焊方法

该系统采用自动和手动埋弧焊相结合的方法，有以下五方面特点：一是焊接了一个可装钢管且顶部可拆卸的方形框架，该方形架下面安装两个辊轮，钢管可以沿着圆周方向转动；二是焊接电源接在导电嘴和工件之间用来产生电弧；三是焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区；四是颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊缝接口区；五是焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等通常装在框架顶部的一台小车上，以实现焊接电弧的移动。埋弧滚焊系统打破了传统的工艺技术，大大降低了作业人员的劳动强度，节约了大量的人力、物力资源，不仅加快了钢管制作的进度，提高工效70%以上，而且外观成型美观。

六、施工进度和方案优化

1、压力钢管施工进度

压力钢管制造总数319节，单节标准长度为2m，从2011年5月1日开始生产，于2012年12月全部制造完毕，制造工期210天，平均1天制造1节钢管。钢管总重为2700吨，平均每天制造12吨，月平均生产量60节，设计2个拼装平台，1台滚焊台车，防腐车间和制作车间分开，月生产强度达到了600吨。车间配备充足的吊装设备，制作场地不小于2000m² ，满足此制造强度要求。

从总体进度分析得知，2012年3月10日开始压力钢管安装，2012年6月1日完成全部引水压力钢管的安装，共80天，平均1天安装4节钢管。钢管安装主要两个工作面进行，一个从下平段施工，一个从竖井段开始，每个工作面每天保证2节钢管的安装量。整个工期比合同工期提前4个多月时间，创造了单洞钢管安装量1100吨/月的记录。

3、方案优化

为加快钢管的安装进度，在施工方案上增加上平洞内钢管制作加工场、将瓦片运输到上平洞制作平台，进行拼装、组圆之后吊装就位开始安装，加快了竖井段安装进度。上弯管段，原设计用15节钢管，上弯管段半径为15m，优化为9节钢管，半径10m，减少洞内部开挖量，同时减少钢管25.5吨，减少投资并缩短安装工期。下平洞将运输钢管的16#工字钢轨道更改为38#重轨，使洞外两小节拼成一大节进行运输，减少洞内钢管的焊接量，降低了施工难度，极大的加快了施工进度。

七、结语：

目前国内外压力钢管制作、安装技术已经非常成熟，根据宝瓶水电站工程的特点，工期紧、任务重、压力大，且施工环境恶劣，在原来施工技术上，研讨了本工程的施工技术，达到了宝瓶水电站压力钢管安装工程施工高效、快捷，施工过程中加强管理，确保人员、设施的安全，完成了工程项目的总体施工工期目标，为宝瓶水电站工程的提前10个月发电奠定了坚实的基础。

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