大口徑直縫焊管生產(chǎn)線——O成型機(jī)安裝技術(shù)

尚修民，王宏，張大勇，衛(wèi)云昌，年曉禕

(中國(guó)五冶集團(tuán)上海有限公司，上海201900)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

大口徑直縫埋弧焊管主要用于海洋及陸地油氣、石油及天然氣、煤氣及礦漿等介質(zhì)的管道輸送，其質(zhì)量可靠，廣泛應(yīng)用于油氣高壓輸送主干線上。應(yīng)我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略需要，為解決西氣東輸?shù)葒?guó)家重大能源項(xiàng)目所需，寶鋼股份公司集成國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，在“十一五”期間，建設(shè)一條高強(qiáng)度、大口徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線。通過(guò)完善、科學(xué)的可行性研究，選擇了當(dāng)今國(guó)際上最先進(jìn)的焊管成形方法——UOE成形工藝。該項(xiàng)目工藝關(guān)鍵技術(shù)引進(jìn)了德國(guó)SMSMEER公司技術(shù)，主要設(shè)備均采取國(guó)內(nèi)合作制造，由中冶成工上海五冶建設(shè)有限公司負(fù)責(zé)施工總承包。

該生產(chǎn)線是世界上近30年來(lái)所新建的第一條也是目前唯一一條具有年產(chǎn)50×104t、長(zhǎng)度為6～18 m、直徑為508～1 422 mm的大口徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線。主要設(shè)備O成型機(jī)工作壓力達(dá)72 000 t，全自動(dòng)控制，單件設(shè)備超重(最高達(dá)385 t)、安裝精度要求非常苛刻，安裝施工面臨許多重大技術(shù)難題。該類項(xiàng)目既沒(méi)有國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，也沒(méi)有國(guó)外經(jīng)驗(yàn)可參考。在這樣的條件下，如何保證這條技術(shù)含量高，應(yīng)用前景廣泛，對(duì)我國(guó)能源發(fā)展，冶金技術(shù)發(fā)展，設(shè)備制造技術(shù)進(jìn)步有巨大推動(dòng)作用的生產(chǎn)線能夠順利建成并安全可靠運(yùn)行;如何解決安裝過(guò)程所面臨的這些技術(shù)難題，形成一套具有高技術(shù)含量的“O成型機(jī)安裝技術(shù)”，并為同類工程建設(shè)提供技術(shù)保證，支持該類生產(chǎn)線成果技術(shù)在我國(guó)轉(zhuǎn)化、推廣、應(yīng)用的進(jìn)程，是本工程施工的難點(diǎn)及目標(biāo)。

1.2 基本概況

O成型機(jī)單機(jī)設(shè)備總重4 700 t、液壓管道156 t;壓機(jī)離地面高度13.5 m，基坑深度－5.0 m;壓機(jī)總寬7.0 m;壓機(jī)總長(zhǎng)21 000 mm，成型能力為72 000 t，是目前世界上成型能力最大的成型機(jī)。

壓機(jī)框架由8個(gè)鋼板框架單元(32片)組成(圖1)?？蚣軉卧g由水平預(yù)應(yīng)力拉桿連接，機(jī)架單片重43 t。壓機(jī)整體框架安放并固定在基礎(chǔ)梁上。在每個(gè)框架單元里的上部都固定了一整套主油缸，共8個(gè)，油缸單重約140 t。主要用于成型的上、下橫梁安裝在機(jī)架內(nèi)，下橫梁為固定梁，上橫梁為移動(dòng)梁，橫梁長(zhǎng)19.10 m、寬2.250 m、高1.5 m，凈重每根為304 t，經(jīng)過(guò)部件組裝后的總重約350～365 t。當(dāng)U型管進(jìn)入機(jī)架后，通過(guò)頂部主油缸驅(qū)動(dòng)上橫梁下壓，實(shí)現(xiàn)成型。

圖1 O成型機(jī)整體外觀

2 主要施工技術(shù)

2.1 機(jī)架安裝技術(shù)

2.1.1 安裝工藝確定

O型機(jī)機(jī)架共32片。外形尺寸為:長(zhǎng)15.32 m、寬4.3 m、厚0.13 m凈重每件約為43 t。每?jī)善瑱C(jī)架板組成一組機(jī)架，共形成16組機(jī)架，每組機(jī)架之間采取預(yù)應(yīng)力拉桿連接固定，形成整體受力框架。安裝時(shí)，為保證安裝精度，消除累積誤差，制定了從中間向兩端分組依次安裝的施工工藝。在實(shí)際安裝時(shí)，根據(jù)機(jī)架本身的剛度、形成的誤差情況，調(diào)整為先從中間向一端安裝二組機(jī)架用預(yù)應(yīng)力拉桿連接、形成一個(gè)單元的框架后，再依次安裝另一單元框架，再把這兩個(gè)單元相連接，即按照每?jī)山M一調(diào)和每一個(gè)單元一調(diào)的工藝步驟進(jìn)行安裝(圖2)。

圖2 機(jī)架安裝順序

2.1.2 雙機(jī)抬吊、同步邊降低邊旋轉(zhuǎn)不落地就位技術(shù)

廠房行車有效吊裝高度為14 m，而機(jī)架自身高度超過(guò)15 m，廠房行車吊裝高度不夠，則采用一臺(tái)廠房行車和一臺(tái)汽車起重機(jī)對(duì)框架板平抬吊至－5430 mm的O機(jī)基礎(chǔ)邊緣，利用基坑的深度一頭下降一頭提升，逐步翻轉(zhuǎn)至基坑內(nèi)直至主吊在有效吊裝范圍內(nèi)使框架板直立，平移至基礎(chǔ)梁上就位(圖3、圖4)。

圖3 兩臺(tái)起重機(jī)抬吊框架板至基坑邊

圖4 兩臺(tái)起重機(jī)抬吊框架板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)

2.1.3 第一片機(jī)架板安裝固定技術(shù)

框架板的高度超過(guò)15 m，寬度4.3 m，厚度只有0.13 m，在直立著地狀態(tài)下中部為彎曲狀。為保證第一片機(jī)架的準(zhǔn)確定位而又要機(jī)架保持垂直和不彎曲。采取了一專用結(jié)構(gòu)調(diào)整支撐架臨時(shí)固定在基礎(chǔ)梁上，對(duì)第一片機(jī)架進(jìn)行調(diào)整固定，使行車松鉤得以對(duì)第二片機(jī)架的吊裝(圖5)。

圖5 第一片機(jī)架板安裝固定

2.1.4 機(jī)架板組裝限位、控制技術(shù)

由于一組機(jī)架板是由兩片130 mm的機(jī)架板中間加以隔墊組成一組，不能直接與另一機(jī)架用預(yù)應(yīng)力拉桿相連，暫時(shí)形成不了一個(gè)單元結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)片就位機(jī)架的調(diào)整和穩(wěn)定性形成不安全因素，故采用了一連接板設(shè)置在機(jī)架板上下兩側(cè)，用螺絲臨時(shí)固定隨后吊裝就位的每塊機(jī)架板，以此限定每塊機(jī)架板的位置。一次可臨時(shí)固定8塊機(jī)架板，形成兩個(gè)單元，待這兩個(gè)單元調(diào)整安裝完畢后拆下來(lái)用于下兩個(gè)單元的機(jī)架板的固定及調(diào)整(圖6)。

圖6 臨時(shí)調(diào)整、固定機(jī)架連接板

2.2 上、下橫梁安裝就位技術(shù)

O成型機(jī)的下橫梁和上橫梁是本工程安裝的最重件，組裝后的重量為365 t和350 t，兩橫梁分別進(jìn)入機(jī)架板組成的框架內(nèi)時(shí)，不能直接進(jìn)行吊裝，要經(jīng)過(guò)卸車、組裝、小車推進(jìn)、提升和下降、推進(jìn)進(jìn)入框架內(nèi)、再提升和下降就位等工序，實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作的設(shè)施必須有提升與運(yùn)輸?shù)墓δ懿拍軐?shí)現(xiàn)。進(jìn)入到框架板內(nèi)時(shí)只能由直線運(yùn)輸?shù)墓δ軄?lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這些動(dòng)作的要求，我們研制了專用小車、專用吊裝設(shè)施、可靈活組裝的平臺(tái)及臨時(shí)支撐固定措施，來(lái)滿足設(shè)備吊裝的需要。

2.2.1 專用吊具吊裝技術(shù)

在O機(jī)本體中共有10件超過(guò)100 t的超重件。在超重件卸車、清洗、組裝和就位提升的過(guò)程中，起重次數(shù)頻繁，時(shí)間間隔長(zhǎng)。特別是下橫梁和上橫梁的吊裝，如采用自行式起重機(jī)吊裝不僅場(chǎng)地受限制，甚至廠房頂部將長(zhǎng)期得不到封閉，為此研制了專用吊裝起重設(shè)施，并采用兩個(gè)200 t液壓提升裝置以及整個(gè)吊裝裝置采取移動(dòng)的方式，解決了在廠房封閉狀態(tài)下兩個(gè)三百多噸的大件吊裝，尤其是對(duì)8個(gè)經(jīng)組裝后達(dá)140噸的主油缸的吊裝就位和調(diào)整得到了充分的利用。本大型設(shè)備吊裝設(shè)施在我單位其它工程大件吊裝中也得到應(yīng)用。該吊裝設(shè)施已獲得國(guó)家專利(圖7)。

圖7 液壓提升起重裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

圖8 小車液壓自動(dòng)推進(jìn)器

2.2.2 帶固定及微調(diào)措施的專用小車水平運(yùn)輸技術(shù)

由于設(shè)備的重件比較多，頻繁地運(yùn)輸，主要是下橫梁和上橫梁以及8個(gè)各140 t的主油缸均要運(yùn)到機(jī)架內(nèi)，特研制了專用滑移小車。專用小車的運(yùn)載力按每個(gè)車輪承載100 t重量進(jìn)行設(shè)計(jì)，四個(gè)車輪可載重400 t。小車允許載重量為200 t。下橫梁進(jìn)入機(jī)架時(shí)橫梁的兩側(cè)尺寸和機(jī)架內(nèi)框之間兩邊只有5 mm的空隙，這就要求滑移軌道自身軌距與小車軌距的尺寸、整個(gè)軌道與機(jī)組(機(jī)架)中心線以及橫梁放置在小車上的中心位置，全部要在橫梁未滑移前控制誤差在2～3 mm之內(nèi)才能保證橫梁的順利進(jìn)行，小車的滑移采用液壓自動(dòng)推進(jìn)裝置。具體措施為:小車軌距誤差控制在1 mm之內(nèi);軌道、橫梁與小車與機(jī)組中心用經(jīng)緯儀控制誤差在2 mm以內(nèi);整個(gè)滑移過(guò)程中用經(jīng)緯儀隨時(shí)觀測(cè);在小車兩側(cè)采用可拆卸式液壓微調(diào)修正裝置，可在進(jìn)入機(jī)架后進(jìn)行中心修正，以此保證了橫梁的精確滑移就位。

2.2.3 設(shè)計(jì)可靈活組裝的重型平臺(tái)，適應(yīng)不同的就位高度技術(shù)

圖9 －2 200 mm滑移車和起重專用吊裝設(shè)施軌道及鋼平臺(tái)設(shè)置

圖10 機(jī)架板內(nèi)滑移車鋼平臺(tái)設(shè)置

圖11 框架內(nèi)可拆卸軌道結(jié)構(gòu)

圖12 －2 200 mm平臺(tái)活動(dòng)軌道及平臺(tái)

從車間地平面到O型機(jī)基礎(chǔ)座分別由－2 200 mm、－5 400 mm兩個(gè)臺(tái)階深度才能使橫梁到位，由于采用滑移運(yùn)輸使重量超過(guò)300 t的兩根橫梁分別在框架內(nèi)就位，特設(shè)計(jì)了承受重載的鋼梁及軌道，并適用于多次不同高度的安裝和拆卸(圖9～圖12)。

2.3 高壓、厚壁管道焊接技術(shù)

O型機(jī)液壓系統(tǒng)的管道工作壓力為35.5 MPa，管徑最大φ273 mm，管道最大壁厚達(dá)45mm，油路系統(tǒng)清潔度要求NAS 5級(jí)，總施工重量約160 t。

管道位置布置在機(jī)架內(nèi)，管道間距小，相互間容易碰撞，管道構(gòu)成復(fù)雜，系統(tǒng)大部分是厚壁管道。全部管道坡口采用坡口機(jī)進(jìn)行加工，對(duì)δ=28～45 mm壁厚的管道采用氬弧焊打底，CO2機(jī)器人聯(lián)焊。焊接中嚴(yán)格按焊接工藝操作。由于O機(jī)液壓管道安裝受設(shè)備安裝影響，因此大部分管道是在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)組裝、焊接。為保證預(yù)制的管道在實(shí)際安裝時(shí)不產(chǎn)生應(yīng)力及變形等問(wèn)題，在安裝現(xiàn)場(chǎng)特別加工了兩個(gè)管道組對(duì)加工平臺(tái)，并在加工平臺(tái)上面焊接一個(gè)管道與法蘭連接的安裝靠模，靠模中心留有沖氬孔，與加工平臺(tái)表面成90°角。焊接時(shí)將法蘭與靠模固定用螺栓擰緊，然后利用電動(dòng)葫蘆及手拉葫蘆的工具將管道拉成空間走向的形式，然后對(duì)靠模上的法蘭進(jìn)行焊接，確保管道尺寸的準(zhǔn)確性。

圖13 管口開(kāi)坡口

圖14 法蘭靠模固定

圖15 保證安裝幾何尺寸圖

圖16 采用機(jī)器人自動(dòng)焊接

圖17 嚴(yán)格焊接工藝－焊接過(guò)程熱處理

管道焊接時(shí)，為降低或消除焊接接頭的殘余應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋，因此，對(duì)管道進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。焊前預(yù)熱以及焊后熱處理均采用電加熱措施。加熱設(shè)備采用LCD型紅外線高溫履帶式陶瓷電加熱器(圖13～圖17)。

3 結(jié)論

由于本工程類型在世界范圍內(nèi)近30年未建設(shè)，從設(shè)計(jì)、制造和安裝受原有技術(shù)的限制，同時(shí)又需要達(dá)到現(xiàn)代化的目標(biāo)，在新舊技術(shù)的結(jié)合上存在一定的局限性，要將兩者結(jié)合起來(lái)是一件不容易的事。因此在設(shè)計(jì)、制造和安裝過(guò)程中出現(xiàn)了一些技術(shù)問(wèn)題，制造由國(guó)內(nèi)來(lái)完成，德方不負(fù)責(zé)技術(shù)，只負(fù)責(zé)驗(yàn)收;安裝是在外方的指導(dǎo)下進(jìn)行作業(yè)，但外方提供的技術(shù)方案，特別是吊裝設(shè)施，要從德國(guó)引進(jìn)需要花大量的外匯，價(jià)格相當(dāng)高，給安裝造成了極大的難度，經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)得到了很好地解決。通過(guò)施工過(guò)程中與外方的交流和合作，研制的小車和吊裝設(shè)施，得到了外方專家的認(rèn)可，滿足了安裝的要求，節(jié)約了大量的外匯。同時(shí)也得到了外方專家的贊揚(yáng)，提前了工期，保證了安裝質(zhì)量。該工程于2009年獲得冶金優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng);該安裝技術(shù)形成了3項(xiàng)實(shí)用新型專利(已被授權(quán))和2項(xiàng)發(fā)明專利(已被受理)。通過(guò)省部級(jí)成果鑒定和上海市科學(xué)技術(shù)查新:該技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

由于油氣管道的興建，給大口徑直縫焊管帶來(lái)了生機(jī)，從寶鋼建設(shè)開(kāi)始，就有很多廠家來(lái)進(jìn)行調(diào)查、了解和咨詢，本安裝技術(shù)也為今后建設(shè)同類工程提供了技術(shù)支撐和技術(shù)保證，對(duì)大型設(shè)備安裝領(lǐng)域方面具有一定的指導(dǎo)意義。