厄瓜多爾美納斯水電項(xiàng)目超深豎井壓力鋼管施工技術(shù)

矯健

摘 要：超深豎井壓力鋼管一般為引水式水電站的沖擊式機(jī)組提供高水頭，厄瓜多爾美納斯水電站采用全斷面反井鉆機(jī)完成直徑5.5米，深度452米的壓力豎井開挖工作后，在此超深壓力豎井安裝壓力鋼管125節(jié)，為機(jī)組提供474.51m的額定水頭。在此深度的豎井安裝壓力鋼管國內(nèi)少有，在厄瓜多爾更是第一次，施工難度大，當(dāng)?shù)丶夹g(shù)要求又高，值得后續(xù)深豎井壓力鋼管施工項(xiàng)目進(jìn)行借鑒。

關(guān)鍵詞：超深豎井；壓力鋼管；熱處理；焊接；ASME

中圖分類號：TV672 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0131-02

1 概況

厄瓜多爾美納斯水電站引水壓力鋼管總長約730.7米，總重約3200.2噸，內(nèi)徑為3.77米。除了岔管主體材質(zhì)為ASTM A537 CLASE 2以外，其余的壓力鋼管材質(zhì)均為ASTM A537 CLASE 1。按照安裝位置可簡單分為上平段、豎井段與下平段三個(gè)部分。

壓力鋼管三部分組成如下：上平段共計(jì)9節(jié)壓力鋼管，壁厚均為25mm，初始部分為一節(jié)內(nèi)徑為4.5米的壓力鋼管與引水隧洞DBM段混凝土相連接，經(jīng)過4.5米/3.77米的錐管后，壓力鋼管都變?yōu)閮?nèi)徑為3.77米與蝶閥進(jìn)出口相連接，上平段鋼管與調(diào)壓井底部、壓力豎井段的T部位由三通鋼管相連接。壓力豎井段共計(jì)125節(jié)壓力鋼管，內(nèi)徑均為3.77米，壓力豎井包含T部位三通、底部彎管及初始定位節(jié)，壁厚由25mm由上至下增加至67mm。下平段由40節(jié)壓力鋼管組成，壁厚為41mm到135mm之間，下平段壓力鋼管通過三條支洞與三臺機(jī)組球閥相連接；其中包括兩個(gè)岔管，第一個(gè)岔管進(jìn)口內(nèi)徑至3.77米，出口內(nèi)徑為3.1米和2.2米，第二個(gè)岔管進(jìn)口直徑為3.1米，兩個(gè)出口直徑為2.2米。

豎井段壓力鋼管為項(xiàng)目關(guān)鍵線路，上、下平洞鋼管為調(diào)劑工作面，與豎井段并行施工。

2 施工安排

壓力鋼管安裝設(shè)立5個(gè)施工小組，其中，鋼管轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝、調(diào)整與加固、防水及安全防護(hù)設(shè)為第1小組；鋼管焊接設(shè)為第2小組；鋼管加溫、焊后后熱與保溫、打磨、無損檢測、焊縫補(bǔ)漆等設(shè)為第3小組。第4小組為當(dāng)?shù)?20°C熱處理分包隊(duì)伍，第5小組為混凝土澆筑及灌漿孔灌漿小組。

第3個(gè)施工小組，根據(jù)第1、2小組施工項(xiàng)目的輕重緩急，相互協(xié)作，可保證鋼管安裝順利進(jìn)行。并且做好相應(yīng)的施工準(zhǔn)備及資源配置，壓力鋼管按施工方案制定的安裝順序交貨。

3 施工方法及工藝要求

超深豎井壓力鋼管施工方案的優(yōu)化對降低施工難度，提高施工效率都會起到實(shí)質(zhì)性作用，下面將重點(diǎn)對施工過程中幾大重點(diǎn)工序給予總結(jié)，特別是焊接與無損檢測、620℃熱處理、混凝土澆筑等重要施工步驟。

3.1 豎井段壓力鋼管安裝總體順序

豎井段壓力鋼管在下平洞安裝初始定位節(jié)并進(jìn)行混凝土澆筑；然后安裝7節(jié)彎管，這7節(jié)彎管安裝難度較大，第2～3節(jié)采用臺車、滑輪組與卷揚(yáng)機(jī)就位；其余第4～7節(jié)鋼管采用井口龍門吊吊裝就位；第9節(jié)進(jìn)入3米直管段安裝，直管段根據(jù)鋼管重量分為3米、4.5米、6米不同管節(jié)長度，每18米為一個(gè)施工循環(huán)，均用龍門吊配合施工。

3.2 超深豎井壓力鋼管施工工藝流程

超深豎井壓力鋼管施工工藝流程如圖1所示，其中焊接與無損檢測、620℃熱處理、混凝土澆筑為壓力鋼管施工中的重要施工步驟，后續(xù)章節(jié)將重點(diǎn)介紹。

3.3 焊接與無損檢測

3.3.1 焊前準(zhǔn)備

壓力鋼管安裝施工啟動(dòng)前期，按ASME要求取得焊工資質(zhì)WPQ?？捎杀O(jiān)理在中國見證的焊工資質(zhì)考核或焊工到場后在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行考核，壓力鋼管焊接工作需持證上崗。

關(guān)于ASTM A537 CLASE 1和 ASTM A537 CLASE 2鋼管的焊接工藝規(guī)程（WPS）與焊接工藝評定記錄（PQR），在中國評定合格后報(bào)監(jiān)理審批，鋼管安裝過程中不再另作焊接工藝評定。工藝評定合格之后，根據(jù)工藝評定的記錄（電流、電壓、焊接速度等），編制合格的焊接工藝，用于壓力鋼管制造、安裝過程中的正式焊接。

3.3.2 焊接方案

（1）焊縫清理。焊接之前，清理焊縫待焊表面及焊縫兩側(cè)無油污、鐵銹、毛刺等雜物。

當(dāng)對背縫焊縫時(shí)行清洗時(shí)，應(yīng)該用滲透深傷專用的液體進(jìn)行控制。

（2）焊接溫度控制。定位焊可以采用火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在95～100℃；焊接預(yù)熱采用溫控柜控制，履帶式加熱片加溫，對焊接區(qū)域及其附近200mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，焊前加溫溫度控制在95～100℃；焊接最高層間溫度控制：≤210℃；對于壁厚>38mm的壓力鋼管需進(jìn)行焊前預(yù)熱與焊后熱處理。具體的溫度控制可根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。溫度控制使用紅外線測溫儀進(jìn)行監(jiān)測。

（3）焊接方法。

定位焊：要求加固80～100mm長、厚度5～10mm間距約400mm。

環(huán)縫焊接：采用4至6名焊工，以壓力鋼管中心線對稱施焊。在進(jìn)行打底焊接時(shí)采用小的焊條，焊道寬度不得大于3倍焊條直徑。當(dāng)主縫焊接至焊縫深度的50%～80%時(shí)，進(jìn)行與焊接，背縫焊接完成后，再將主縫焊接完成。

縱縫焊接：焊接縱縫時(shí)為防止產(chǎn)生錐度，打底焊采取分段跳焊方式進(jìn)行。為避免每層焊縫接頭過多，打底焊以后各層焊接需避開上層焊縫接頭；當(dāng)主縫焊到50%～80%厚度后，進(jìn)行背縫清根與焊接，當(dāng)背縫焊接2～3層后，用弧度樣板進(jìn)行弧度檢查，根據(jù)所測的結(jié)果，調(diào)整焊接位置（當(dāng)弧度變小時(shí)，焊接壓力鋼管內(nèi)表面，當(dāng)弧度變大時(shí)，焊接壓力鋼管外表面），直到將縱縫焊接完成。

3.3.3 焊縫分類，探傷的方式和比例

焊縫分類，探傷的方式和比例見表1。

3.4 620℃熱處理

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，壁厚大于38mm的鋼管需進(jìn)行620℃焊后熱處理，該項(xiàng)目豎井段有90節(jié)鋼管，下平洞有40節(jié)鋼管需要進(jìn)行熱處理。在深豎井中進(jìn)行熱處理難度較大，特別是管外壁溫度很高，為節(jié)省工期熱處理施工平臺在六層焊接平臺下部，在焊接工序完成后進(jìn)行。

熱處理曲線可以進(jìn)一步優(yōu)化，這樣可以在保證質(zhì)量前提下縮短直線工期。該項(xiàng)目豎井段熱處理可以做到首末條縫24小時(shí)以內(nèi)，其它焊縫20小時(shí)以內(nèi)完成。

3.5 混凝土澆筑

超深豎井壓力鋼管安裝及熱處理完成后，每循環(huán)混凝土施工需同步進(jìn)行。因此井較深，項(xiàng)目為節(jié)省工期，采用200米混凝土泵完成下部施工，其余部分采用溜管方式進(jìn)行。在下部200米混凝土泵送階段，管內(nèi)搭設(shè)200米腳手架及樓梯可以焊接工作并行節(jié)省工期。

4 結(jié)語

超深豎井壓力鋼管在引水式水電站中往往為項(xiàng)目關(guān)鍵線路，因其開挖、支護(hù)、安裝等幾個(gè)環(huán)節(jié)工期都較長，往往超過機(jī)組安裝工期。

在以下幾個(gè)面進(jìn)行優(yōu)化，可有效節(jié)省工期：

（1）在鋼管設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)方考慮材質(zhì)應(yīng)力等問題，采用優(yōu)化鋼材可取消熱處理。

（2）加大門機(jī)起吊重量，減少安裝管節(jié)數(shù)。

（3）保證超深豎井井壁支護(hù)及防水施工質(zhì)量。

（4）合理安排班次及人員。

（5）優(yōu)化施工方案，增加并行作業(yè)。

（6）保證焊接質(zhì)量，減少返修率。

此深度的全斷面開挖豎井國內(nèi)少有，在此超深豎井安裝壓力鋼管國內(nèi)更少有，在厄瓜多爾更是第一次，施工難度大，當(dāng)?shù)丶夹g(shù)要求又高，值得后續(xù)深豎井壓力鋼管施工項(xiàng)目進(jìn)行借鑒。

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