陳振鋒,湯靖,代竟,屈文平,張志珍,劉坤,孟偉玉,蔣忠全
(中鐵隧道集團三處有限公司,廣東 深圳 518048)
深圳至中山跨江通道是國家“十三五”重大工程,是世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程。其中東人工島及主線堰筑段隧道工程位于深圳寶安機場南側,緊鄰福永碼頭;東人工島沿江高速在施工過程中,為避免對既有橋墩造成影響,設計采用鎖扣鋼管樁對橋墩進行保護。
橋墩鋼管樁保護采用Φ1400mm×δ20mm、Φ1500mm×δ16mm、Φ1500mm×δ20mm 3種鎖扣鋼管樁。沿江高速橋橋梁底部距鋼管樁施工完成后,樁頂標高為13~16.3m,而鋼管樁設計樁長為19~29m。見圖1。
圖1 鋼管樁斷面圖
其中起保護作用的鋼管樁位置位于沿江高速橋面下,在施工過程中,為避免對既有沿江高速橋面造成擾動,以及潮水漲落等因素限制,將鋼管樁分成2~4節(jié),最后在海面上打入一節(jié)對接一節(jié),接口為豎向管口限位對接方式。
鋼管樁對接時精準對位的控制,鋼管樁現場焊接質量是本工程控制重點,也是施工難點之一。
我國目前在海上作業(yè)管道焊接時,由于受現場施工條件限制因素諸多,常規(guī)采用手工電弧焊施工,海上管道人工焊接,焊接時間長、質量不穩(wěn)定、難度大等種種因素,施工效率極低、風險較大。
環(huán)形豎向分層全自動焊接在管道固定的情況下,焊接小車帶動焊槍沿軌道圍繞管壁運動,焊槍上下擺動實現豎向分層自動焊接。環(huán)形豎向分層全自動焊接設備由焊接小車、行走軌道、自動控制系統(tǒng)等部分組成。
傳統(tǒng)管道焊接主要為管道平臥、管子旋轉、環(huán)向焊接,焊接設備固定;而環(huán)形豎向分層全自動焊接采用管子固定、焊接小車行走的方式。項目針對沿江高速保護鋼管樁海上施工特點,采用環(huán)形豎向分層全自動焊接工藝。
(1)焊接設備主要組成部分
①進口焊接電源。
②自動送絲機。
③自行焊接小車。
④遙控控制器。
(2)施工工藝步驟
①主要施工工序。布管→坡口加工→管口對接固定→焊前準備(防風措施)→設備安裝調試→焊前預熱→打底根焊→全自動焊接熱焊→焊接填充、蓋面焊接→焊縫表面清理→無損探傷檢測。
②坡口處理。根據相關技術要求,焊接前將焊接坡口(除第一節(jié)底部外,其余截面全部開35°雙面坡口)及其附近20~30mm范圍內的鐵銹、油污、水氣和雜物清除干凈。
③管口對接固定。第一節(jié)鋼管插打完成后,固定導向架,搭設作業(yè)平臺,用履帶式起重機將第二節(jié)鋼管吊起與第一節(jié)鋼管對接,對接過程中確保鎖扣位置偏差不大于3mm,鋼管接口偏差不大于5mm,對接完成后點焊固定。
④防風準備。采用CO2氣體保護焊焊接時,因海面風大,其風速大于2m/s,設計了專門的防風屏。見圖2、圖3。
圖2 防風屏運用
圖3 防風屏效果圖
⑤設備安裝調試。將自動焊接小車就位,檢查氣管、電纜、焊絲等,通過遙控器調節(jié)焊槍水平、豎直位置,做好焊接準備。
⑥焊前預熱。鋼管樁施工中焊接鋼管的強度較高、鋼管厚度較大,在焊接前需對鋼管進行預熱。
表1
⑦打底、熱焊、填充及蓋面。自動焊接需要人工打底,打底焊接質量將影響整體焊接效果。打底焊接結束后,將自動焊接小車吸附在鋼管上,通過遙控器控制自動焊接小車在鋼管上環(huán)向移動并焊接,焊接過程通過焊槍擺動,層層循環(huán)填充,直至焊口齊平。蓋面焊接需達到焊口位置突出1~2mm。見圖4。
圖4 環(huán)向自動焊接
⑧焊縫表面清理。焊接結束后,應對表面焊縫進行清理。
⑨無損檢測的焊縫質量等級應符合現行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》(GB 50205)的有關規(guī)定。
(1)鋼管樁精準對位困難,耗時長
鋼管樁施打時,受沿江高速橋面橋底空間限制,每節(jié)長度安裝時不能與橋發(fā)生干涉,第一節(jié)插打至與墩臺基本平行時,再吊裝第二節(jié)進行對位,焊接、檢測合格后施打,然后吊裝第三節(jié),依次進行。
①海上船舶受風浪影響較大,起伏不定,給吊裝對位造成較大困難,尤其是鎖扣對位,一旦偏差過大就會造成相鄰鋼管樁無法插打入。
②履帶起重機在船舶上使用相對陸地來說,平衡性較差,自身穩(wěn)定性無法保證,稍有海風吹來,搖擺幅度增大,定位更難以保證。
③鋼管樁在加工焊接、運輸、吊裝等過程中均可能存在不同程度變形,無法確保同圓度、鎖扣垂直度等。
(2)焊接量大、焊接時間長、勞動強度大
因鋼管樁需分節(jié)施打,每增加一節(jié)就多增加一道焊縫,焊接長度達5米多,特別是鎖扣位置難度大要求高,人工焊接至少需3個小時。以24m鋼管樁,分三節(jié)施工,兩道焊縫需耗時6~7小時,工人勞動強度大。
(3)防風要求高
因CO2氣體保護焊受風影響較大,而風對焊接質量影響至關重要,氣孔、氣泡等質量問題稍有不慎就會發(fā)生。但鋼管樁施工空間有限,無法做到全封閉室內環(huán)境,為確保焊接質量,防風保護措施是關鍵。
(4)焊接打底困難
①打底引弧時極易穿絲。
②打底時在仰焊位置由于自重的影響,容易出現內凹缺陷。
(5)環(huán)形豎向分層焊接要求高
鋼管樁豎向對接,要求焊接時必須是立焊,立焊對焊工水平要求更高,且焊接長度、深度、焊口寬度都相對較大,豎向焊接難度非常大。環(huán)形焊接時還需焊接過程中不斷移動焊接位置,人工焊接對焊接質量影響較大。
(1)導向柱輔助定位法,有效地解決鋼管樁對位困難,耗時長。
①鋼管樁對位項目采取導向柱輔助定位法。在第一節(jié)鋼管樁四周焊接楔形導向柱,導向柱沿鋼管樁頂面間隔90°分布,長度約120mm,在第二節(jié)與第一節(jié)對位時起輔助導向和臨時固定作用,待對位后點焊固定,然后拆除導向柱。該方法有效解決了鋼管樁對位問題,提高了工作效率,節(jié)省對位時間。
②在鋼管樁對接孔口位置約200mm處增加米字型方鋼支撐,有效減少變形。
(2)環(huán)形豎向分層全自動焊接設備提高焊縫效率,降低工作難度。
采用環(huán)形豎向分層全自動焊接設備,通過遙控器操縱焊接小車在鋼管樁上環(huán)形移動,焊接速度達到平均201mm/min,大大縮短焊接時間,而且自動焊接設備不需要操作工人長時間蹲守,手持遙控器即可操作,大幅度減輕工人勞動強度,能保證焊接質量。
(3)可拆卸拼裝式防風屏有效防風,提高焊接質量
專門設計制作了防風屏,可拆卸拼裝,且拆卸方便,搬運輕便,防風效果良好,有效地解決了風對焊接影響,提高焊接質量。
(4)引弧時調節(jié)焊絲長度、將焊嘴對準坡口引弧有利于打底焊接,避免穿絲;減少焊絲伸長量及適當加快焊接速度,有效解決內凹缺陷。
①引弧時調節(jié)焊絲長度、將焊嘴對準坡口引弧,引弧之后立即進行縱向調節(jié)可避免穿絲,但對于焊工的要求相對較高。
②由于熔池自身重力的作用,熔池往下墜,所以必須加大焊接速度,同時增加擺動頻率及擺幅,可減少內凹缺陷。
(1)人工焊接與自動焊接對比
Φ1500mm×δ20mm的鋼管兩節(jié),坡口35°,坡口成型寬度30mm,焊接成型寬度40mm,采用CO2保護焊。
根據現場實際測量、統(tǒng)計記錄,自動焊接小車焊接長度700mm,連續(xù)焊接15層,耗時52min,平均201mm/min。人工焊接30mm,連續(xù)焊接15層,耗時30min,平均15mm/min。環(huán)形豎向分層全自動焊接設備速度方面有較大優(yōu)勢。
鋼管樁自動焊接工藝性試驗檢測合格,焊接接頭經沖擊、拉伸、彎曲試驗,抗拉強度、彎曲試驗及沖擊試驗結果,均符合GB50661-2011《鋼結構焊接規(guī)范》中Q345B的技術指標要求。見圖5。
圖5 自動焊接效果圖
(2)社會效益與經濟效益分析
①社會效益分析。環(huán)形豎向分層全自動焊接具有降低工人勞動強度、生產率高、焊接質量好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。手工焊接質量,受限于工人焊接水平影響較大。而自動焊接設備則受人的影響因素較小,焊縫的質量穩(wěn)定性好,容易受控。
自動焊接設備操作簡單,短時間培訓即可獨立操作。一名優(yōu)秀焊手工電弧焊焊工,投入時間成本和培訓成本高與效益不匹配。
②經濟效益分析。國產焊條的價格一般為1.5~2.5萬元/t,國產實芯焊絲的價格約為1萬元/t。
采用自動焊接設備焊絲的熔敷率可達90%,而焊條的熔敷率通常為50%~55%。雖然本焊接工藝需用保護氣體,但保護氣體所需的經費僅占焊接材料經費的10%~15%。
上述兩項綜合考慮,自動焊接設備焊接材料的經費量僅是購買焊條經費量的1/3~1/2,可大幅度降低成本。
自動焊接設備一次性購置投入較大,是普通焊接設備的3~5倍。但自動焊接設備焊接效率高,焊縫質量好(無損探傷合格率高、力學性能好),焊縫的返修率很低。
(3)優(yōu)缺點
①全自動焊接技術有利于提高工藝標準,焊接質量更好;
②全自動焊接技術推廣應用能夠提高焊接工效,減輕工人的勞動強度;
③工效、材料、焊接合格率、焊接質量、人工投入等方面綜合經濟效益更高。
(4)應用前景
綜上所述,環(huán)形豎向分層全自動焊接技術通過在海上鋼管樁施工中實踐應用,起到了提高功效、降低勞動強度、確保焊接質量的作用,值得大力推廣應用。
環(huán)形豎向分層全自動焊接技術對提高我國管道環(huán)形豎向分層焊接水平具有十分重要的現實意義,這項技術將會得到快速的推廣和廣泛的應用。