壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)在流域水電工程中的開發(fā)與應(yīng)用

鄭 順 祥

(華電金沙江上游水電開發(fā)公司，四川 成都 610041)

1 概 述

金沙江上游水電站規(guī)劃13級開發(fā)，是國家重點能源建設(shè)基地之一。工程地處高山峽谷和高原地區(qū)，而水電站壓力鋼管因其外形尺寸大、重量大、質(zhì)量要求高，近年來，壓力鋼管焊接技術(shù)得到了很大的發(fā)展，以三峽、龍灘、彭水等水電站為代表[1-2]，按照常規(guī)的技術(shù)方案進行施工必然需要大量的人力物力資源投入。例如，在現(xiàn)場建設(shè)壓力鋼管制作廠、配置相應(yīng)的設(shè)備、鋼板或半成品存放場地，以及壓力鋼管專業(yè)運輸?shù)缆?。因此，傳統(tǒng)技術(shù)必然帶來兩個問題：一是現(xiàn)場施工布置困難、設(shè)備、交通和場地投資大；二是目前水電施工普遍面臨著專業(yè)技能人才匱乏的現(xiàn)實，而傳統(tǒng)技術(shù)需要大量的高級焊工、起重工等，常規(guī)技術(shù)不能從根本上解決(超)大直徑鋼管的現(xiàn)場施工問題。如何利用現(xiàn)代技術(shù)解決壓力鋼管施工技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，不僅是金沙江上游水電站梯級開發(fā)必須研究的課題，而且是國內(nèi)外水電工程行業(yè)所面臨的共性問題。

2 大型壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)

在金沙江上游川藏河段水電站流域開發(fā)過程中，將壓力鋼管智能化組焊技術(shù)作為一項重要的施工基本條件，依托技術(shù)轉(zhuǎn)化成果，進行全面的開發(fā)和應(yīng)用，構(gòu)建系統(tǒng)化的創(chuàng)新體系，提高水電工程建設(shè)管理水平，適應(yīng)智能建造的技術(shù)發(fā)展總體趨勢，并根據(jù)蘇洼龍、葉巴灘、拉哇等各個工程建設(shè)的特點，開創(chuàng)性地應(yīng)用于流域工程的規(guī)劃、設(shè)計和施工各個階段，通過持續(xù)開發(fā)應(yīng)用，不僅解決了大型壓力鋼管施工布置的難題，而且實現(xiàn)了工程優(yōu)化和新的技術(shù)突破，形成了壓力鋼管智能化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)的水電工程建設(shè)提供了有益的借鑒。

2.1 壓力鋼管智能化施工設(shè)備

在原有壓力鋼管自動化組焊制造設(shè)備基礎(chǔ)上，研發(fā)了一整套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能化設(shè)備，主要包括智能組焊專機、多功能滾焊臺車、智能化埋弧焊小車等。其中，智能組焊專機具有瓦片卸車、瓦片組對、回轉(zhuǎn)驅(qū)動、鋼管數(shù)字化調(diào)圓、主機轉(zhuǎn)向及升降等功能；數(shù)字化多功能滾焊臺車具有鋼管全位置調(diào)節(jié)和彎道自適應(yīng)功能。

通過該套智能化設(shè)備，改變傳統(tǒng)的人工圍繞鋼管焊縫施焊工藝，能大量使用埋弧自動焊，解決了高強鋼焊接熱輸入控制問題，減輕了勞動強度，提升了鋼管組裝、焊接工效和焊接質(zhì)量。

2.2 壓力鋼管智能化施工流程

壓力鋼管智能化施工流程改變了傳統(tǒng)工藝壓力鋼管集中在現(xiàn)場生產(chǎn)、單節(jié)儲存、從廠內(nèi)到安裝工位需要做大尺寸管節(jié)運輸、安裝前需要翻身的模式。智能化施工流程為：鋼板儲存→鋼板下料→瓦片卷制→瓦片防腐→瓦片運輸→瓦片儲存→單節(jié)組焊→大節(jié)組焊→鋼管安裝→尾工。與傳統(tǒng)施工流程相比，具有如下優(yōu)勢：

(1)鋼板儲存：根據(jù)設(shè)計圖紙定尺采購鋼板，并運輸至離施工現(xiàn)場較近的加工廠內(nèi)存放。

(2)鋼板下料：與傳統(tǒng)工藝大致相同，不同點在于如果選擇在城市或制造基地里進行下料，一般以數(shù)控切割機為主，割具可以使用火焰或者等離子設(shè)備，作業(yè)條件和技術(shù)裝備較傳統(tǒng)工藝的現(xiàn)場制造更優(yōu)。

(3)瓦片運輸：使用汽車等運輸工具將瓦片運輸至施工現(xiàn)場，運輸方式與鋼板運輸相同。瓦片寬度一般小于3 m，使用普通平板車運輸即可。

(4)瓦片儲存：由于智能化組焊速度快，為便于單節(jié)組焊順利進行，需要在施工現(xiàn)場儲存適量的瓦片。瓦片儲存場地要求基本平整，并布置起重設(shè)備。瓦片儲存場地根據(jù)鋼管組焊進度和道路運輸條件進行規(guī)劃，即現(xiàn)場瓦片存量在運輸不及或發(fā)生臨時中斷等突發(fā)狀況時，可以滿足現(xiàn)場組焊需求即可。若現(xiàn)場不具備建設(shè)瓦片儲存廠的條件，可以使用零散場地配合汽車吊的方式在現(xiàn)場分散儲存。

(5)單節(jié)組焊：采用智能化組焊專機生產(chǎn)。鋼管以瓦片形式運輸進洞，并在智能化組焊專機上完成縱縫組對、縱縫焊接、加勁環(huán)組對、加勁環(huán)焊接等工序。智能化組焊專用機械直接布置在施工現(xiàn)場單節(jié)組焊工位，靠近壓力鋼管安裝位置，采用水平制造工藝，鋼管無需翻身，焊完后即可交付安裝。單節(jié)組焊工位與安裝工位之間布置軌道，利用該軌道即可布置大節(jié)組焊工位。在壓力鋼管制作完成后，組焊專機從工位撤離。

(6)大節(jié)組焊：使用埋弧自動焊將單節(jié)鋼管組焊成大節(jié)，直接在組焊工位和安裝工位之間的軌道上進行。在滿足設(shè)計安裝要求的條件下，盡可能多地將單節(jié)鋼管滾焊成大節(jié)，以減少安裝環(huán)縫的數(shù)量。大節(jié)組焊工位布置有焊接設(shè)備和輔助設(shè)備。作業(yè)時，首先使用多功能滾焊臺車將單節(jié)鋼管運至大節(jié)組焊工位。在此工位利用多功能滾焊臺車的調(diào)節(jié)功能完成鋼管的節(jié)間組對，再利用臺車的滾動功能驅(qū)動鋼管轉(zhuǎn)動，利用埋弧自動焊完成環(huán)縫焊接。

(7)鋼管安裝：繼續(xù)使用多功能滾焊臺車將鋼管大節(jié)運輸至安裝工位，利用臺車的調(diào)節(jié)功能調(diào)整鋼管中心以及對口間隙等，按常規(guī)方法對鋼管進行加固，多功能滾焊臺車收縮，退出安裝工位，按照常規(guī)工藝要求焊接安裝環(huán)縫。由于使用了多功能滾焊臺車配合，其液壓調(diào)節(jié)功能和行走、轉(zhuǎn)動功能可以大大減輕工人勞動強度，并且大節(jié)鋼管長度較單節(jié)鋼管長度長，安裝效率有較大提高。

2.3 壓力鋼管現(xiàn)場(隧道內(nèi))智能制造工藝

研發(fā)壓力鋼管洞內(nèi)單節(jié)制作、大節(jié)組焊、鋼管安裝的“三工位”法。形成在鋼管安裝位置完成由瓦片組焊成單節(jié)、再由多個單節(jié)組焊成鋼管大節(jié)，最后將大節(jié)鋼管運輸至安裝工位進行安裝，極大限度提高壓力鋼管制作安裝的效率。

2.4 壓力鋼管環(huán)縫智能化焊接技術(shù)

在金沙江上游流域工程建設(shè)過程中，研發(fā)出壓力鋼管環(huán)縫智能化焊接技術(shù)和環(huán)縫自動跟蹤小車。跟蹤小車具有焊接小車送絲機構(gòu)、控制柜等相兼容的底盤。一是跟蹤小車底盤可以控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動，以調(diào)整焊接小車行走方向；二是設(shè)計了控制系統(tǒng)，通過視覺焊縫跟蹤傳感器反饋的焊縫偏移量，計算出轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動角度；三是設(shè)計了視覺焊縫跟蹤傳感器固定裝置。實現(xiàn)小車可以根據(jù)焊縫變化自動轉(zhuǎn)向調(diào)整，始終跟隨焊縫行走，最終實現(xiàn)環(huán)縫焊接過程全程智能化無人操作。

3 壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)的應(yīng)用

通過蘇洼龍水電站等項目的實施表明，直徑10 m的鋼管組對環(huán)縫高效焊接比傳統(tǒng)的工藝提高了5～10倍，一次焊接合格率高達99.7%，壓力鋼管安裝效率提高一倍以上[3-4]。

3.1 蘇洼龍水電站工程的應(yīng)用

蘇洼龍水電站引水系統(tǒng)采用一管一機供水方式，4條引水洞平行布置，由進水口、引水隧洞等建筑物組成。壓力鋼管位于每條引水洞的下平段。其中1～4號引水隧洞壓力鋼管長度分別為122 m、124 m、944 m及1 244 m，共計2 434 m，壓力鋼管制造安裝工程量約4 100 t。

2019年6月～2020年4月，在蘇洼龍水電站現(xiàn)場壓力鋼管工程施工中，采用了2套智能化組焊系統(tǒng)裝備，以瓦片的方式進行在洞內(nèi)進行鋼管組焊，完成了2～3節(jié)直徑10 m壓力鋼管的智能化組焊，其技術(shù)特征如下：

(1)洞內(nèi)智能化組焊工藝日趨成熟完善，智能化組焊設(shè)備的先進性和可靠性高，在海拔2 400 m高度的水電工程中得到了驗證。

(2)首創(chuàng)了激光識別技術(shù)的智能自動埋弧焊，并應(yīng)用于焊接蘇洼龍水電站洞內(nèi)直徑10 m、長度9 m、最大件重量為百噸級的壓力鋼管。

(3)智能化組焊技術(shù)不僅適用于直管和漸變管多節(jié)組焊的工況，而且適宜于三節(jié)彎管現(xiàn)場組焊、運輸和安裝調(diào)整的復(fù)雜工況要求。

(4)研發(fā)了瓦片加勁環(huán)組對、機械化翻轉(zhuǎn)和角焊縫埋弧自動焊接工藝及裝置。

(5)進一步完善了與洞內(nèi)現(xiàn)場智能化組焊相關(guān)的施工工藝，如壓力鋼管百噸級彎管水平運輸、現(xiàn)場整體一次性防腐和無內(nèi)支撐澆筑工藝等。

(6)實現(xiàn)了100%的鋼管縱縫和加勁環(huán)角焊縫、50%的鋼管環(huán)縫埋弧自動焊，鋼管縱縫焊接一次合格率達到99.89%，環(huán)縫自動焊接一次合格率達到99.11%。埋弧焊的焊接效率是手工焊的5～20倍，蘇洼龍水電站單節(jié)鋼管制作時間為2 d左右，節(jié)間環(huán)縫組焊時間少于2 d。

蘇洼龍水電站的工程建設(shè)實踐和持續(xù)創(chuàng)新，壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)不僅有效解決現(xiàn)場地形狹窄、布置鋼管加工廠和場地堆存困難問題，而且具有施工安全、質(zhì)量高、工期快、節(jié)約投資等優(yōu)點，特別是在壓力鋼管高效焊接技術(shù)等方面獲得了更大的突破，為流域后期的工程優(yōu)化和建設(shè)提供了有力支撐[5-6]。

3.2 葉巴灘及拉洼工程規(guī)劃與設(shè)計優(yōu)化

葉巴灘水電站引水壓力管道沿縱剖面分為漸變段、上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段、錐管段及過渡段，靠近廠房洞段采用壓力鋼管結(jié)構(gòu)。四條壓力鋼管的直徑9.5 m，依據(jù)初步設(shè)計長度共計360 m，總工程量約為3 500 t。在施工準(zhǔn)備期，根據(jù)可研規(guī)劃對壓力鋼管的施工方案進行了優(yōu)化，取消了原有施工布置中的現(xiàn)場鋼管制作場和相應(yīng)的儲存場地，并且取消了壓力鋼管專用運輸?shù)缆?，?yōu)化設(shè)計運輸?shù)缆?2 km和跨江橋梁一座，其中隧洞3 km，減少建設(shè)廠房面積40 00 m2，減少開挖工程量57 000 m3。

4 壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

繼梨園、黃金坪、涔天河、烏東德和蘇洼龍等水利水電工程之后，越來越多的水電工程將應(yīng)用壓力鋼管智能化施工技術(shù)，新技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)工藝，機械自動化替代了大量的人工作業(yè)，同時，焊接自動化比率大幅提高，達到了熔敷體積的70%，鋼管縱縫和環(huán)縫的一次探傷檢驗合格率>99.5%。一方面，壓力鋼管智能化施工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，工程應(yīng)用范圍越來越大；另一方面，工程技術(shù)和管理人員參與程度不同、認識水平存在一定的差異，各個工程的特點不一，最終將會導(dǎo)致新技術(shù)的價值難以得到充分發(fā)揮。如何結(jié)合工程需要、提高壓力鋼管現(xiàn)場自動化組焊技術(shù)應(yīng)用水平，達到優(yōu)化工程、提高經(jīng)濟價值，是值得水電工程行業(yè)的共同探討的課題。因此，在總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)和工程案例的基礎(chǔ)上，提出壓力鋼管智能化施工技術(shù)規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)是一個必然過程[7]。

水電站壓力鋼管智能化施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》GB 50766的要求，對大型壓力鋼管智能化技術(shù)條件下的直管、漸變管和彎管現(xiàn)場制作的施工過程、操作方法、設(shè)備和工具的使用、施工安全技術(shù)等所做的技術(shù)規(guī)定，主要涉及壓力鋼管對圓、組焊、運輸和安裝的要求，融合規(guī)劃、設(shè)計和施工三個方面相應(yīng)的技術(shù)條件，是為壓力鋼管管節(jié)和組焊設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝、維修、使用介紹規(guī)定或程序的文件。本規(guī)程由水電水利規(guī)劃設(shè)計總院提出，由能源行業(yè)金屬結(jié)構(gòu)及啟閉機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口。

2021年10月，國家能源局下達了“水電站壓力鋼管智能化施工技術(shù)規(guī)程 ”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的立項通知，水電規(guī)劃總院金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會同步啟動了此項技術(shù)規(guī)程的制定工作。水電站壓力鋼管智能化施工技術(shù)規(guī)程的制定，不僅能夠明確智能化條件下壓力鋼管的制造安裝工藝條件，而且有利于在建工程的施工和優(yōu)化設(shè)計，有利于工程的前期規(guī)劃，并對于水利水電建設(shè)管理具有重要的參考價值。當(dāng)然，此項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，既要建立在現(xiàn)有的行業(yè)或國家壓力鋼管設(shè)計和制造安裝規(guī)范之上，也符合當(dāng)代水利水電施工技術(shù)水平總體提升的實際狀況，以及應(yīng)對深山峽谷或高寒地區(qū)工程規(guī)劃設(shè)計方面的迫切需求。

5 結(jié) 語

壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)歷經(jīng)10余年持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)逐步成為行業(yè)內(nèi)具有國際領(lǐng)先水平的工程技術(shù)，即將在金沙江上游水電開發(fā)中全面進行應(yīng)用。該技術(shù)現(xiàn)場不建廠，采用瓦片運輸、在引水隧洞內(nèi)進行自動組焊的工藝，克服了傳統(tǒng)大型壓力鋼管在制作、儲存和運輸、安裝等方面面臨的難題，對高山峽谷和高原地區(qū)的工程意義重大。在梨園、涔天河、烏東德等工程實踐的基礎(chǔ)上，進行了工藝設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了100%的縱縫、90%的加勁環(huán)角焊縫、50%以上的環(huán)縫采用高效自動焊，洞內(nèi)無煙塵弧光污染，鋼管全程不翻身，施工期人工投入少，勞動強度低，安全可控性高的目標(biāo),而且在流域化大面積推廣應(yīng)用，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有助于提升水電工程設(shè)計和施工整體水平，持續(xù)加強智能化創(chuàng)新，能夠提高行業(yè)內(nèi)開發(fā)和應(yīng)用先進的壓力鋼管智能化技術(shù)的能力。

根據(jù)目前金沙江上游流域應(yīng)用情況，以下幾點體會可供借鑒：

(1)在流域水電開發(fā)中系統(tǒng)應(yīng)用壓力鋼管智能化組焊施工新技術(shù)，不僅能夠全面地發(fā)揮其在工程規(guī)劃、設(shè)計和優(yōu)化施工上的價值，而且為行業(yè)智能建筑技術(shù)升級提供了可能。

(2)在多工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，建立以行業(yè)協(xié)會和專家為核心的技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)組，通過壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)規(guī)程編制工作，提高水電工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理水平。

(3)壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)在工程環(huán)保方面的價值應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶銐蛑匾暋?/p>

(4)可充分利用壓力鋼管智能化組焊施工技術(shù)的系統(tǒng)化領(lǐng)先優(yōu)勢，加強對國際水電工程市場的合作與開發(fā)。