超長(zhǎng)直埋鋼管組裝焊接及整體吊裝技術(shù)

閆偉，藺斌，齊永志，楊照東，張智鵬

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

港口、碼頭、市政等供水、供熱、油氣管道常采用埋地敷設(shè)方式，主要施工工序有：測(cè)量放線、管溝及工作坑開(kāi)挖、降水排水、管道吊裝、管道組裝焊接、焊縫探傷、管道試壓和回填等。管道在溝槽內(nèi)進(jìn)行全位置焊接，特別是在管道下部位置，焊工須在工作坑內(nèi)仰焊，焊縫成形難度大，且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

曹妃甸集中供熱長(zhǎng)輸管線工程單線長(zhǎng)度14 km，城外直埋保溫管道埋深大于1.5 m，供回水相鄰布設(shè)，敷設(shè)在農(nóng)田或道路邊緣下方，地表水豐富、地下水位高，施工環(huán)境復(fù)雜。

主管道直徑DN1 200 mm，介質(zhì)為熱水，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，供、回水溫度分別為120℃和60℃，為GB2級(jí)壓力管道。供、回水主管道壁厚分別為16 mm和14 mm，材質(zhì)為Q235-B鋼，按預(yù)熱和自然補(bǔ)償相結(jié)合的埋地方式敷設(shè)。管道采用改性聚氨酯泡沫保溫，高密度聚乙烯塑料外護(hù)套。

管道溝槽斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 管道溝槽斷面圖Fig.1 Cross section of pipeline trench

2 施工特點(diǎn)難點(diǎn)分析

2.1 環(huán)境復(fù)雜

工程地點(diǎn)屬沿海地區(qū)，泥沙土質(zhì)，地下水位高，穿越農(nóng)田、灘涂等區(qū)域，管溝成槽需要降水和支護(hù)。

2.2 工期壓力大

根據(jù)項(xiàng)目總體安排及現(xiàn)場(chǎng)條件，在材料入場(chǎng)后，后續(xù)多道工序依次進(jìn)行，系統(tǒng)必須在供暖期投入使用，工期緊、工程量大，施工組織難度和壓力大。

2.3 焊接質(zhì)量要求嚴(yán)

管道焊接要求焊工的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，具有全位置焊接能力，掌握單面焊雙面成形技術(shù)，確保焊縫全熔透。確定焊接工藝參數(shù)后，焊工在操作中還必須選擇合適的焊條角度、觀熔池、聽(tīng)弧音、控制熔池溫度，采用正確的運(yùn)條手法，方能使焊縫成形滿足要求。

2.4 確定基本安裝工藝

針對(duì)工程狀況，結(jié)合相關(guān)資料和文獻(xiàn)[1-2]，制定了“溝槽外組裝管道、下向焊、整體吊裝就位和無(wú)補(bǔ)償電預(yù)熱”的工藝方案。主要施工流程為：材料及設(shè)備進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收→測(cè)量放線→管道組裝、焊接→管溝開(kāi)挖及墊層施工→整體吊裝→強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)→吹掃→電預(yù)熱→管溝回填。

3 管道組裝焊接

3.1 管道組裝

管道焊接采用Y形坡口，見(jiàn)圖2。管道組對(duì)前，清除管道坡口附近的污物、氧化皮等，用角磨機(jī)磨光坡口。

圖2 管道坡口圖（mm）Fig.2 Pipe groove(mm)

制作工裝卡具，管道組對(duì)采用卡箍式對(duì)管器，確保裝配準(zhǔn)確[3]。該對(duì)管器由2個(gè)半圓環(huán)式鋼卡箍和千斤頂組成，依靠千斤頂?shù)膲毫κ逛摽ü块]合，調(diào)整管口的錯(cuò)邊量和間隙，使對(duì)接的2根管道內(nèi)外壁平齊，作業(yè)效率高，對(duì)口質(zhì)量好，是保證焊縫質(zhì)量的重要措施，見(jiàn)圖3。

圖3 對(duì)管器Fig.3 Pipe butt joint device

3.2 管道焊接工藝選擇

傳統(tǒng)壓力管道焊接一般采用鎢極氬弧焊（TIG）打底，手工電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊填充和罩面。

鎢極氬弧焊打底過(guò)程中，在氬氣保護(hù)下，利用電弧熱熔化母材和填充絲形成接頭，電弧和熔池可見(jiàn)，操作方便，但抗風(fēng)能力差，對(duì)焊件清理要求非常嚴(yán)格，容易產(chǎn)生氣孔。

手工下向焊接是一種先進(jìn)的技術(shù)，可以避免鎢極氬弧焊打底工藝的缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，全纖維素下向焊、纖維素+藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊技術(shù)已經(jīng)走向成熟[4]。主要工藝特點(diǎn)為：

1）環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)

纖維素焊條根焊時(shí)，藥皮中的有機(jī)物分解成大量氣體，維持電弧穩(wěn)定，保護(hù)熔池；藥芯焊絲半自動(dòng)焊接時(shí)不需氣體保護(hù)，抗風(fēng)能力強(qiáng)，可適用于施工環(huán)境較為復(fù)雜的地帶，對(duì)焊工的操作水平要求相對(duì)降低。

2）焊接質(zhì)量好

纖維素焊條下向打底焊時(shí)，焊縫處于短路過(guò)渡伴隨著小熔滴顆粒過(guò)渡，成形的焊縫熔深大、敏感性小，焊縫背側(cè)成形美觀、飽滿，焊縫探傷一次合格率較高，減少焊縫返修工作量。

3）焊接效率高

纖維素下向焊與傳統(tǒng)手工電弧焊操作基本一致，焊接手法易掌握，難度較小、焊接速度快；藥芯焊絲半自動(dòng)填充時(shí)設(shè)備送絲連續(xù)，金屬熔敷量大，填充層數(shù)少，焊接接頭少，焊接效率高，約為手工電弧焊的2～4倍[5]。

4）焊條損耗低

纖維素焊條下向焊與傳統(tǒng)的由下向上焊接方法相比，焊條消耗量減少20%～30%。

綜上，雖然下向焊條價(jià)格高，需要專用焊機(jī)，但施工成本、生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制方面更有優(yōu)勢(shì)，適宜在本工程應(yīng)用。

3.3 可焊性分析

根據(jù)鋼管取樣化學(xué)成分檢測(cè)報(bào)告（表1），纖維素焊條選用E6010（AWS A5.1），φ3.2 mm，藥芯焊絲選用E71T8-K6（AWS A5.29），焊縫中熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 鋼管化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of steel pipe material%

表2 熔敷金屬化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of deposited metal%

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量Ce計(jì)算公式，該管道具有較好的可焊性，選擇的焊條、焊絲與母材匹配。

3.4 管道焊接

3.4.1 焊接材料及設(shè)備

焊接設(shè)備采用DC-400直流電焊機(jī)和LN-23P送絲機(jī)，通過(guò)工藝試驗(yàn)確定相關(guān)焊接參數(shù)。

3.4.2 打底焊（根焊）

焊接時(shí)由2名焊工在管道兩側(cè)4個(gè)點(diǎn)位同步自上而下定位焊，焊縫長(zhǎng)度15 cm。完成定位焊后，2名焊工再?gòu)墓艿理敳?2點(diǎn)鐘和4點(diǎn)鐘方向，自上而下對(duì)稱施焊，見(jiàn)圖4。

圖4 焊接次序圖Fig.4 Welding sequence

3.4.3 藥芯半自動(dòng)填充、蓋面

填充及蓋面由底部向上部施焊。填充時(shí)，每相鄰焊道間的焊接接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)30 mm以上[6]；焊藥填充高度不宜過(guò)高，一般宜低于母材高度1 mm左右。蓋面時(shí)根據(jù)母材間隙適當(dāng)調(diào)整擺動(dòng)幅度，以保證母材充分熔合，焊縫美觀，余高0～2 mm。

4 整體吊裝

4.1 管道吊裝工藝選擇

管道安裝工程中，一般是將管道逐根吊裝到管溝就位，在溝內(nèi)組裝管道、焊接，連接成系統(tǒng)，邊坡支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，溝槽排水降水時(shí)間較長(zhǎng)，潮濕環(huán)境對(duì)焊縫成形造成不良影響，管道基礎(chǔ)易受擾動(dòng)，施工效率降低，基坑作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

將管道在溝頂附近組對(duì)、焊接，連接成數(shù)百米的管段，大大減少地下水的影響，保證焊縫質(zhì)量，提高焊接效率，減少觸電風(fēng)險(xiǎn)，縮短溝槽晾曬時(shí)間、保證回填質(zhì)量。利用管道的彈性變形，將連接成整體的管道用多臺(tái)起重設(shè)備分段依次吊裝，直到管道整體落到溝槽就位。

由于工程所在地?zé)o專用吊管機(jī)，調(diào)遣費(fèi)和租賃費(fèi)高，組織難度很大。經(jīng)過(guò)研究和論證，決定采用多臺(tái)履帶吊聯(lián)合吊裝管道，以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。

4.2 整體吊裝分析

由于整體吊裝過(guò)程管道狀態(tài)較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)未見(jiàn)更詳細(xì)的計(jì)算方法，采用簡(jiǎn)化計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)吊裝試驗(yàn)的方法，確定具體施工方案。

簡(jiǎn)化計(jì)算方法中，許用應(yīng)力[σ]=σ/2（σ為屈服強(qiáng)度），計(jì)算管道彎曲半徑和允許最大移動(dòng)距離。通過(guò)計(jì)算，管道的允許最大移動(dòng)距離滿足變形要求。

考慮吊車和管道處于最不利位置，吊裝過(guò)程管道處于彎曲狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，使用50 t履帶吊（或50 t汽車吊），作業(yè)半徑10 m，方案具有可行性。

另外，管道向溝內(nèi)吊裝移動(dòng)時(shí)，管道水平方向?qū)Φ鯔C(jī)施加的彈性阻力力矩，與管道重力作用于吊機(jī)的傾覆力矩方向相反，一定程度上增加了吊車的穩(wěn)定性和可靠性。吊裝過(guò)程中，同樣也要觀察管道產(chǎn)生的反向水平彈力，防止反向傾覆力矩過(guò)大。

4.3 管道整體吊裝

4.3.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)管道組裝和就位位置，布置吊裝設(shè)備和管道移動(dòng)量，見(jiàn)圖5。

圖5 管道吊裝圖Fig.5 Drawing of pipeline hoisting

使用8臺(tái)吊機(jī)起吊，另備用1臺(tái)，單次吊裝管道長(zhǎng)度120 m，吊車間距15 m，見(jiàn)圖6。

圖6 管道吊裝吊車布置圖（m）Fig.6 Overall layout of crane for pipeline hoisting（m）

4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

路面處理平整堅(jiān)實(shí)，保證車輛安全行駛和順暢移動(dòng)；清理平整溝底，測(cè)量復(fù)核標(biāo)高，確保管道安裝位置和標(biāo)高準(zhǔn)確。

4.3.3 鎖固直管段

管道吊裝時(shí)，120 m以外的直管段受吊裝管道彈性變形力影響具有向溝槽滑動(dòng)的趨向，布置3臺(tái)挖掘機(jī)鎖固直管段，避免產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)。

4.3.4 管道外護(hù)層保護(hù)

使用寬度為300 mm、承載力20 t吊帶吊裝，減少單位面積上的壓力，禁止使用鋼絲繩吊裝直接接觸管道保護(hù)層。

在吊裝過(guò)程中，與溝槽邊緣鋼板樁接觸部位設(shè)置木板作為保護(hù)墊。

4.3.5 吊裝

吊車與挖掘機(jī)全部駐位之后，吊裝管道抬起20 cm，穩(wěn)定30 s，檢查管道、挖掘機(jī)與吊車是否有異常。

水平位移管道，將端頭管道的軸線逐步吊裝至安裝中心線正上方。吊裝過(guò)程中，相鄰兩吊點(diǎn)間軸線水平方向偏離距離小于0.64 m。

管道緩慢下降，相鄰兩吊點(diǎn)間軸線豎直偏離高度小于0.71 m。

管道起始段著地調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，第1臺(tái)吊車可以松開(kāi)吊具，向后移車120 m至距第8臺(tái)吊車15 m的位置吊裝管道。吊車承重后，挖掘機(jī)陸續(xù)向后移動(dòng)15 m到新位置，繼續(xù)整體吊裝管道，見(jiàn)圖7。

圖7 整體吊裝現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.7 Site construction photo of overall hoisting

5 管道電預(yù)熱

5.1 管道預(yù)熱方式

管口焊縫經(jīng)探傷合格、完成接頭保溫，進(jìn)行管道預(yù)熱。管道預(yù)熱處理的方法常用水預(yù)熱或風(fēng)預(yù)熱，本次施工采用了電預(yù)熱技術(shù)，把鋼管母材直接作為負(fù)載電阻，通入電流進(jìn)行加熱鋼管到設(shè)計(jì)溫度。

5.2 管道電預(yù)熱

電預(yù)熱設(shè)備有1 200 kW發(fā)電機(jī)、高頻開(kāi)關(guān)電加熱整流單臺(tái)電源設(shè)備和電纜等。

單次預(yù)熱管道960 m，在預(yù)熱段的始端和末端上半圓弧均勻地焊接螺栓M16×50，螺栓間距50 mm，用于連接電纜，見(jiàn)圖8。

圖8 電預(yù)熱接線圖Fig.8 Wiring diagram of electric preheating

加熱輸出電壓控制在36 V以下，控制溫升速度小于5℃/h，管道整體溫度達(dá)到65℃時(shí)保持恒溫狀態(tài)，開(kāi)始分層回填，分層夯實(shí)，將管道受熱工作狀態(tài)產(chǎn)生的膨脹變形提前部分釋放，降低管道的軸向力，減少管道滑動(dòng)位移量。

6 結(jié)語(yǔ)

工程采用下向焊焊接的焊縫共計(jì)656道，焊縫經(jīng)射線探傷檢測(cè)，一次合格642道，合格率為97.9%，Ⅰ級(jí)片率在96%以上。

管道經(jīng)過(guò)2.4 MPa壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程管道穩(wěn)定無(wú)泄漏；試運(yùn)行期間工作狀態(tài)穩(wěn)定，管道隨即投入使用。

通過(guò)工程分析和實(shí)踐表明，采用管道溝外連接、纖維素焊條下向焊、藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊接、超長(zhǎng)段整體吊裝和電預(yù)熱技術(shù)，為操作工人改善了作業(yè)環(huán)境，加快了工程進(jìn)度，保證了工程質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足供熱系統(tǒng)按時(shí)投入使用的要求，在類似的工程中具有推廣價(jià)值。