異形排水鋼管制作及安裝技術(shù)

胡振華，馬 磊

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

深圳某LNG項(xiàng)目碼頭配套工程海水排水口原設(shè)計(jì)為安放2座預(yù)制鋼筋混凝土排水箱涵，后更改為異形海水排水鋼管，單根長(zhǎng)76 m，含有“喇叭口”管節(jié)、“蝦米腰”型管節(jié)、“Z”型管節(jié)等，給制作、運(yùn)輸、安裝等帶來很大困難。結(jié)合實(shí)際情況，經(jīng)仔細(xì)分析、研究，采用半自動(dòng)化數(shù)控、軟件分析等手段分段、分節(jié)制作，單根分2節(jié)運(yùn)輸，采用水下法蘭對(duì)接工藝，降低了運(yùn)輸難度，有效提升了施工功效，節(jié)約了施工成本。其斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海洋鋼管斷面示意圖Fig.1 Section Diagram of Offshore Steel Pipe

1 工程概況

海水排水口位于深圳某LNG項(xiàng)目碼頭配套工程西護(hù)岸，由2根直徑2 600 mm，壁厚為20 mm的鋼管組成，并含有“喇叭口”及一段“蝦米腰”型區(qū)段，制作過程技術(shù)要求高。為達(dá)到設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求，制作過程先建立模型進(jìn)行切塊分析，并由電腦控制半自動(dòng)化分段制作，再由人工進(jìn)行焊接調(diào)整。

排水鋼管單根長(zhǎng)度為76 m，重98 t，為方便運(yùn)輸及安放，制作時(shí)單根排水鋼管分2節(jié)制作，其中管節(jié)1長(zhǎng)44.8 m，管節(jié)2長(zhǎng)31.2 m，接口處采用法蘭水下連接，并配有1 000 t起重船（項(xiàng)目部現(xiàn)有資源）及潛水員輔助吊裝。

2 施工難點(diǎn)分析

⑴ 管節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜：海水排水鋼管單根長(zhǎng)76 m，含有“喇叭口”管節(jié)、“蝦米腰”型管節(jié)、“Z”型折線管節(jié)、直管等，給排水鋼管制作帶來極大困難。

⑵ 不規(guī)則管口：由于喇叭口處為不規(guī)則的鋼管，不能利用現(xiàn)有的鋼卷板直接加工制作，需采用平板鋼板進(jìn)行精細(xì)劃線切割下料后，再利用卷板機(jī)制弧后再對(duì)焊成型，因此純?nèi)斯げ僮鳠o法保證施工精度及質(zhì)量。

⑶ 表面處理復(fù)雜：排水鋼管分節(jié)人工對(duì)焊后，表面含有銳邊、飛濺、表面缺陷等多種問題，若處理不當(dāng)，將嚴(yán)重影響表觀質(zhì)量及防腐質(zhì)量。

⑷ 管節(jié)長(zhǎng)：海洋排水鋼管單根長(zhǎng)76 m，且為異形鋼管，符合條件的運(yùn)輸船舶較少，且需2艘起重船同時(shí)配合吊裝，給施工帶來極大困難，且增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。

因此在施工過程中如何有效地解決以上4個(gè)難點(diǎn)及問題，是決定異形排水鋼管制作及安裝成功的關(guān)鍵。

3 異形排水鋼管施工要點(diǎn)

影響異形排水鋼管施工質(zhì)量的主要因素包括制作時(shí)劃線切割分節(jié)位置、“喇叭口”如何精確放樣制作、鋼管表面缺陷處理以及管節(jié)運(yùn)輸安裝等，針對(duì)以上難點(diǎn)及問題，施工前制定詳細(xì)的方案應(yīng)對(duì)各種可能出現(xiàn)的問題，以本工程為例。

3.1 鋼管樁定尺切割［1］

考慮施工過程中管端平整度要求，現(xiàn)場(chǎng)卷制可能存在一定偏差，所以在定尺切割時(shí)，在原設(shè)計(jì)鋼管樁長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上預(yù)留3 cm的富余長(zhǎng)度，并使用機(jī)械修端或乙炔火焰切平管端并去除毛刺。直管卷制出來后，需根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定分節(jié)長(zhǎng)度，繪制彎頭處的切割展開圖，現(xiàn)場(chǎng)劃線切割再對(duì)拼。

3.1.1 彎頭處電腦放樣［2］

排水海洋鋼管處有多處彎頭，彎頭主要為蝦米腰彎頭、Z形彎頭，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合實(shí)際施工方法，對(duì)排水鋼管進(jìn)行分節(jié)，共9節(jié)，通過專業(yè)軟件《鋼結(jié)構(gòu)CAD》鈑金展開系列程序，逐一進(jìn)行放樣，詳細(xì)的分節(jié)圖及典型區(qū)域的放樣圖如圖2所示，Z形彎頭放樣示意圖如圖3所示。

圖2 排水鋼管制作分節(jié)圖Fig.2 Sectional Drawing of Water Pipe Production

圖3 Z形彎頭放樣示意圖Fig.3 Setting out Diagram of Z-bend

3.1.2 鋼管樁劃線

彎頭處電腦放樣出圖之后，下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃至相關(guān)部門并進(jìn)行交底，劃線過程中，在擺放水平穩(wěn)固的情況下，利用水平尺找到彎頭的尖部頂點(diǎn)，根據(jù)展開圖，在對(duì)應(yīng)高度位置根據(jù)展開圖的水平距離，標(biāo)注劃線邊緣點(diǎn)，共24個(gè)節(jié)點(diǎn)，平滑連接節(jié)點(diǎn)并隨機(jī)抽取垂直高度，檢測(cè)水平距離是否準(zhǔn)確，如出現(xiàn)較大偏差，加設(shè)控制點(diǎn)密度，重新劃線。

3.2 “喇叭口”制作

喇叭口處材料為壁厚20 mm的Q345B鋼板，上下截面圓直徑分別為2 600 mm、4 644 mm，在平板鋼上進(jìn)行劃線切割前，需先采用鋼構(gòu)CAD進(jìn)行精細(xì)計(jì)算。

3.2.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

已知：垂直高度=2 525 mm；錐底外直徑=4 644 mm；錐頂外直徑=2 600 mm；板厚=20 mm；展開圖總面積=30.824 69 m2；重=4.839 t；

計(jì)算得：展開圖扇形外圓弧半徑R=6 162.29 mm；扇形內(nèi)圓弧半徑r=3 438.3 mm；扇形夾角=135.067°；內(nèi)圓弧長(zhǎng)=8 105.31 mm；外圓弧長(zhǎng)=14 526.72 mm。

現(xiàn)場(chǎng)施工根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行劃線切割。在實(shí)際施工過程中先將喇叭口進(jìn)行6等分切割，切割完成后，開坡口進(jìn)行對(duì)接，過程中2臺(tái)叉車、1臺(tái)25 t門吊進(jìn)行配合。

3.2.2 電焊成型［3］

喇叭口6等分切割后，在叉車與門吊的配合下，先點(diǎn)焊成型。由于喇叭口對(duì)接精度要求較高，施工難度較大，所以在施工過程中需注意以下幾點(diǎn)：

⑴ 劃線切割時(shí)為保證對(duì)接端坡口吻合，劃線時(shí)單邊進(jìn)行6等分的劃線，保證切割場(chǎng)地平整，鋼板固定，且在切割時(shí)保證過程的連續(xù)性［4］；

⑵ 喇叭口進(jìn)行對(duì)接時(shí)，需在點(diǎn)焊前測(cè)量預(yù)拼時(shí)兩部分鋼板的平整度及錯(cuò)縫，對(duì)接后錯(cuò)縫不能超過3mm。

⑶ 為了防止點(diǎn)焊后由于外力影響導(dǎo)致拼接喇叭口變形，一個(gè)對(duì)接處需保證6處點(diǎn)焊，焊縫長(zhǎng)度至少為2cm。

⑷ 在未完全點(diǎn)焊成型前，不能吊運(yùn)已拼接部分。

3.3 法蘭焊接［5］

焊接法蘭時(shí)應(yīng)注意以下操作要點(diǎn)：

⑴ 設(shè)備配置：手工電焊設(shè)備1套，手柄式角磨機(jī)1臺(tái)，電動(dòng)氣錘1把，平面尺1把。

⑵ 焊前準(zhǔn)備：

① 檢査調(diào)試設(shè)備，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；

② 準(zhǔn)備94.0J506焊條，最好在300℃～350℃烘箱烘干1 h。

⑶ 焊接過程：

① 把鋼管和大法蘭按圖紙要求組裝在一起，再平均把大法蘭分成8等份；

② 焊接由于法蘭較厚，坡口較大，因此采用分段對(duì)稱、多層焊接。

⑷ 焊縫質(zhì)量［6］：

① 要求焊縫強(qiáng)度至少達(dá)到母材強(qiáng)度；

② 焊縫表面平整光滑，無燒穿氣孔、焊漏、夾渣、咬邊、未焊滿等缺陷。余高小于2 mm。

⑸ 其他注意事項(xiàng)：

① 打底時(shí)一定使用J506焊條手工堆焊，并采用小電流焊接，嚴(yán)格按照焊接工藝焊接；

② 每焊接完一個(gè)位置，都要用水平尺卡一下法蘭平面的變形量；

③ 一邊焊接一邊用氣錘錘擊焊縫，以達(dá)到消除應(yīng)力的作用。

3.4 防腐及表面處理［7］

海洋排水鋼管（2 600 mm）內(nèi)外壁均需進(jìn)行防腐，外壁采用自動(dòng)噴砂除銹工藝，內(nèi)壁除銹采用人工砂輪片打磨除銹工藝，涂層防腐使用噴涂工藝進(jìn)行。

噴砂除銹工藝采用HQGW30A型鋼管外壁清理拋丸機(jī)壓縮空氣為動(dòng)力形成高速噴射束，將噴料等高速噴射到需處理工件表面，使工件外表面的外表發(fā)生變化，由于磨料對(duì)工件表面的沖擊和切削作用，使工件表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機(jī)械性能得到改善。

在排水鋼管防腐處理前，鋼管表面因焊接等因素難免會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，若不處理，則會(huì)影響防腐效果以及表觀質(zhì)量，本節(jié)總結(jié)施工過程中所遇到的表觀問題、缺陷，并根據(jù)不同問題、缺陷提出不同處理方法，并匯總?cè)绫?所示。

表1 鋼管表面處理說明Tab.1 Steel Pipe Surface Treatment Instruction

3.5 鋼管樁分節(jié)吊裝技術(shù)

為便于異形排水鋼管運(yùn)輸、吊裝，經(jīng)商討優(yōu)化施工工藝，每根排水鋼管分為2節(jié)分別制作，分節(jié)處通過法蘭完成對(duì)接。

3.5.1 鋼管樁運(yùn)輸

海洋排水管分2節(jié)制作，其中管節(jié)1長(zhǎng)44.8 m，管節(jié)2長(zhǎng)31.2 m，裝船與安裝共用吊耳，分2駁裝船，每駁放置管節(jié)1、管節(jié)2各1節(jié)，駁船有效長(zhǎng)度為52 m，有效寬度為11.5 m，滿足裝船要求，由于排水管外側(cè)有喇叭口、法蘭、翼環(huán)、吊耳板等構(gòu)件且船體甲板自身不平整，平躺放置排水管有高差，為保護(hù)排水管外側(cè)構(gòu)件不會(huì)被擠壓，在吊裝排水管前提前在駁船上布置鋼支座。海洋鋼管托架示意圖如圖4所示。

圖4 海洋排水鋼管托架示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Marine Drainage Steel Pipe Bracket

3.5.2 排水鋼管吊裝

配置1 000 t起重船進(jìn)行起吊安裝，使用起重船2個(gè)大鉤起吊，單鉤起重能力500 t，采用雙鉤4點(diǎn)吊方式進(jìn)行起吊。

起重船掛好鉤后，現(xiàn)場(chǎng)指揮檢查各項(xiàng)工作無誤后，進(jìn)行試起吊作業(yè)，試吊過程中，若出現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即停止試吊，待查明原因并解決后，方可再次進(jìn)行試吊工作。

試吊無誤后，起重船吊起海洋排水管，運(yùn)輸駁收錨后退出安裝區(qū)域，起重船通過絞纜方式前移至安裝位置，通過定位纜微調(diào)海洋排水管位置，通過岸上埋設(shè)定位鋼筋校核安裝位置。管節(jié)1安裝完成并通過測(cè)量驗(yàn)收后立刻進(jìn)行頂部回填壓實(shí)，避免管節(jié)2安裝及水下對(duì)接對(duì)管節(jié)1造成位移。管節(jié)2起吊工藝同管節(jié)1。排水鋼管現(xiàn)場(chǎng)吊裝示意圖如圖5所示。

圖5 排水鋼管現(xiàn)場(chǎng)吊裝示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Field Hoisting of Drainage Steel Pipe

3.5.3 法蘭水下對(duì)接［8］

管節(jié)2通過起重船吊至安裝位置后，離基床面約30 cm，潛水員下潛探摸對(duì)接法蘭，通過鋼絲繩穿過管節(jié)1、2兩側(cè)法蘭螺栓口，用手拉葫蘆收緊后，潛水員安裝連接螺栓。頂部螺栓安裝完成后，起重船將管節(jié)2放下，脫鉤后才可進(jìn)行底部螺栓連接。

4 排水鋼管吊裝方案比選及驗(yàn)算

4.1 分節(jié)吊裝與整體吊裝方法優(yōu)劣對(duì)比

排水鋼管單根長(zhǎng)度為76 m，重98 t，吊裝方法可分為整體吊裝及分節(jié)吊裝。

4.1.1 整體吊裝法

異形排水鋼管從加工制作，到運(yùn)輸，最后再到安裝整體進(jìn)行施工。安裝時(shí)選用2臺(tái)起重船同時(shí)起吊、安放。

優(yōu)點(diǎn)：①整體制作快，加工速率略有提高；②接頭少；③可一次性安裝完成。

缺點(diǎn)：①整體管節(jié)較長(zhǎng)，需要大型運(yùn)輸船舶，因此成本高；②2臺(tái)起重船同步，對(duì)司索工、司機(jī)要求高，抬吊指揮、操作難度大，安全系數(shù)低。

4.1.2 分節(jié)吊裝法

制作時(shí)單根排水鋼管分2節(jié)制作，其中管節(jié)1長(zhǎng)44.8 m，管節(jié)2長(zhǎng)31.2 m，接口處采用法蘭水下連接，并配有1臺(tái)起重船及潛水員輔助吊裝。

優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)備成本低；②起吊方便、安全可靠；

缺點(diǎn)：異形排水管安放時(shí)水下對(duì)接，對(duì)排水管的安放精度以及潛水員和抬吊指揮的配合度要求較高。

經(jīng)過不斷的分析、對(duì)比，“分節(jié)吊裝法”在工期、安全、質(zhì)量、吊裝操作、成本上更占優(yōu)勢(shì)，因此本工程選用分節(jié)吊裝法進(jìn)行異形排水鋼管安裝。

4.2 應(yīng)力驗(yàn)算［9］

第1段應(yīng)力：最大應(yīng)力為4.52 MPa≤215 MPa，滿足要求（見圖6a）。第二段應(yīng)力：最大應(yīng)力為8.27 MPa≤215 MPa，滿足要求（見圖6a）。

圖6 排水鋼管管節(jié)應(yīng)力云圖Fig.6 Stress Nephogram of Drainage Steel Pipe Joint

4.3 變形驗(yàn)收

第1段變形：最大變形為0.34 mm（見圖7a）；第2段變形：最大變形為1.14mm（見圖7b）。因此滿足施工要求。

5 施工注意事項(xiàng)

⑴ 海洋鋼管制作前期提前規(guī)劃好場(chǎng)地布置，若場(chǎng)地允許，可在就近出運(yùn)碼頭進(jìn)行制作及拼接，減少二次出運(yùn)半成品管節(jié)工序；

⑵ 喇叭口為變截面管節(jié)，外徑最大為4 600 mm，在運(yùn)輸及起吊過程中應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，以免產(chǎn)生變形；

⑶ 海水排水鋼管裝駁前需做好支座與船體加固措施，裝駁完成后為躺放狀態(tài)，鋼管與支座間需加焊三角板固定；

圖7 海水排水管管節(jié)變形云圖Fig.7 Cloud Chart of Deformation of Sea Water Drainage Pipe Joint

⑷ 安裝前提前做好理坡，坡腳處需預(yù)留30 cm，待鋼管安裝完成固定后，潛水員補(bǔ)拋該處塊石。

6 總結(jié)

本文通過深圳某LNG項(xiàng)目碼頭配套工程異形排水鋼管制作及安裝實(shí)例，詳細(xì)分析了異形排水鋼管制作及安裝技術(shù)難題，采用數(shù)控半自動(dòng)化及建模形式分析解決問題，并運(yùn)用水下法蘭對(duì)接施工工藝，有效解決了異形排水鋼管制作運(yùn)輸及安裝等問題，以期為今后類似工程起到參考和借鑒意義。