超大型球岔現(xiàn)場(chǎng)整體安裝焊接創(chuàng)新技術(shù)探討

陳允兵，黃 禮

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

近幾年，超大型高強(qiáng)鋼球岔在水電站中應(yīng)用廣泛，其整體組裝、焊接施工工藝得到了成功的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯，可在類似設(shè)備制造、安裝中推廣[1-2]。

一直以來(lái)，球岔的制造、安裝都是水電工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，尤其是超大型球岔制造安裝過(guò)程，對(duì)工藝及精度要求較高，且因運(yùn)輸條件的限制，需在廠家制作瓦片后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體組裝和焊接。但是受到施工現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，對(duì)鋼球岔的現(xiàn)場(chǎng)整體組裝、焊接工藝要求較高。

為確保安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成岔管的現(xiàn)場(chǎng)組裝、焊接，本研究在施工中充分使用新材料、新工藝、新技術(shù)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次優(yōu)化，制定了一套全面的施工方案，以期為以后其他電站超大型球岔現(xiàn)場(chǎng)組裝工程提供借鑒。

1 技術(shù)特點(diǎn)

老撾南塔河水電站壓力鋼管采用一管三機(jī)的供水方式，主管直徑為8.20 m，支管直徑為4.50 m。岔管采用Y型球岔，分岔角為80°。埋管段長(zhǎng)93.50 m，岔管段長(zhǎng)14.50 m。這種超大型Y型球岔在水電站使用較少，安裝制作工藝及精度要求較高，且南塔河水電站是國(guó)外項(xiàng)目，受現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備條件限制，都是由國(guó)內(nèi)工廠制作成瓦塊后現(xiàn)場(chǎng)組拼、安裝，這一過(guò)程存在如下難點(diǎn)：一是受現(xiàn)場(chǎng)吊裝條件限制，球岔現(xiàn)場(chǎng)組裝必須根據(jù)每塊瓦塊的重量結(jié)合汽車吊參數(shù)明確瓦塊的吊裝順序；二是球岔管為異型結(jié)構(gòu)，焊縫質(zhì)量要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同類結(jié)構(gòu)的焊縫，焊接質(zhì)量和外觀質(zhì)量控制難度大；三是岔管由國(guó)內(nèi)卷板后瓦塊轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)組裝安裝，可能存在運(yùn)輸變形（現(xiàn)場(chǎng)無(wú)矯正設(shè)備），且岔管板厚達(dá)到40 mm，現(xiàn)場(chǎng)只能采用千斤頂、鏈條葫蘆調(diào)整以及加溫等方法處理，導(dǎo)致施工難度較大。

為此，本研究通過(guò)和國(guó)內(nèi)制作廠聯(lián)系，取得岔管下料圖和編號(hào)圖，通過(guò)科學(xué)的施工設(shè)備布置、合理的人員安排及采用合適的吊裝手段，根據(jù)瓦塊的重量結(jié)合汽車吊參數(shù)明確瓦塊的吊裝順序，解決了現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有吊車（50 t）起吊能力不足的問(wèn)題，同時(shí)，通過(guò)利用已安裝完成的支管作為首裝節(jié)在岔管設(shè)計(jì)安裝位置進(jìn)行組裝、焊接，在每個(gè)瓦塊掛裝時(shí)對(duì)瓦塊的管口中心高程和里程進(jìn)行調(diào)整，并利用水平儀和鋼卷尺配合測(cè)量瓦塊的安裝高程，測(cè)量點(diǎn)為兩腰和頂?shù)坠?個(gè)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并消除岔管圓度變形誤差的影響，進(jìn)行綜合判斷后，再來(lái)確定壓縫的方向和安裝位置，保證了岔管現(xiàn)場(chǎng)組裝精度。

2 技術(shù)理論

老撾南塔河水電站工廠項(xiàng)目屬于國(guó)外項(xiàng)目，大型球岔的制作安裝受現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備條件限制，都是國(guó)內(nèi)制作成瓦塊后到施工現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行組拼、安裝，根據(jù)每塊瓦塊的重量結(jié)合汽車吊參數(shù)（岔管總重126 t），岔管按照安裝說(shuō)明書(shū)進(jìn)行組裝。岔管從#2機(jī)支管第18節(jié)開(kāi)始安裝，以第10塊瓦塊作為始裝瓦塊，然后向#1機(jī)支管、#3機(jī)支管、主管三個(gè)方向延伸，每塊瓦塊根據(jù)放置的樣點(diǎn)和預(yù)裝的中心記號(hào)控制岔管安裝尺寸。這一過(guò)程中，利用水準(zhǔn)儀控制岔管中心高程。最后在#1機(jī)支管第1節(jié)、#3機(jī)支管28節(jié)、主管34節(jié)為湊合節(jié)進(jìn)行合攏。

岔管平面布置情況如圖1所示。

圖1 岔管平面布置圖

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 岔管現(xiàn)場(chǎng)組裝工藝流程

準(zhǔn)備工作（含資源、技術(shù)等）→車間立式組裝→現(xiàn)場(chǎng)臥式組裝→現(xiàn)場(chǎng)焊接→無(wú)損檢測(cè)→支撐拆除及打磨→悶頭安裝→水壓試驗(yàn)→防腐→整體驗(yàn)收。

3.2 施工準(zhǔn)備

3.2.1 人員準(zhǔn)備對(duì)施工人員進(jìn)行培訓(xùn)，焊工按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行技術(shù)考核。

3.2.2 施工臨時(shí)設(shè)施布置

根據(jù)岔管瓦片組裝焊接需設(shè)備和用電量，在上游主管內(nèi)布置配電柜，并布置8臺(tái)電焊機(jī)。在#3機(jī)支管位置布置一臺(tái)容量為1.5 m3的空氣壓縮機(jī)，然后利用軟管連接到施工現(xiàn)場(chǎng)。

3.3 車間組裝

球岔分瓦塊到貨后，根據(jù)瓦塊重量和吊車參數(shù)，瓦塊需要先在車間內(nèi)組裝好。這一過(guò)程中，保證與預(yù)組裝的尺寸偏差相一致或接近是關(guān)鍵問(wèn)題。綜合考慮采用以下組裝方法，組裝順序如表1所示。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)組裝

岔管從#2機(jī)支管第18節(jié)開(kāi)始安裝，以第10塊瓦塊作為始裝瓦塊，然后向#1機(jī)支管、#3機(jī)支管、主管三個(gè)方向延伸，每塊瓦塊根據(jù)放置的樣點(diǎn)和預(yù)裝的中心記號(hào)控制岔管安裝尺寸，采用水準(zhǔn)儀控制岔管中心高程。最后在#1機(jī)支管第1節(jié)、#3機(jī)支管28節(jié)、主管34節(jié)為湊合節(jié)進(jìn)行合攏。其安裝順序如表2所示。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)焊接

岔管焊縫在工作中要承受很大動(dòng)水壓力，因而對(duì)焊縫的內(nèi)部質(zhì)量要求高，對(duì)其外形尺寸要求也高，施工過(guò)程中需嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行施工。

在岔管組裝合格后進(jìn)行接縫的焊接。焊接的原則為先焊接縱縫、后焊接環(huán)縫。預(yù)先對(duì)岔管進(jìn)行對(duì)稱分段焊接控制，冷卻后進(jìn)行填充滿焊，滿焊方法采用多層、多道、分段退步焊接，以減少焊接變形。焊接完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求對(duì)焊縫進(jìn)行打磨工作以滿足設(shè)計(jì)要求，焊條使用相應(yīng)的（GB/T 5117-1995）標(biāo)準(zhǔn)焊條進(jìn)行焊接。

球岔管板厚達(dá)到40 mm，且球殼頂點(diǎn)圓弧位置為十字縫，焊接時(shí)應(yīng)力集中，該部位縱、環(huán)縫預(yù)留500 mm距離，不焊接，全部焊接完成后最后焊接頂點(diǎn)圓弧位置。

3.6 焊縫檢查

外觀檢查：所有焊縫都進(jìn)行焊縫外觀檢驗(yàn)，符合DL5017的規(guī)范要求。

無(wú)損探傷：悶頭連接管的焊縫均需經(jīng)過(guò)TOFD或者UT探傷合格。焊縫無(wú)損探傷的抽查率應(yīng)負(fù)荷施工圖及相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定。岔管焊接合計(jì)焊縫長(zhǎng)度為443.44 m，超聲波探傷一次合格率為99 %,TOFD探傷一次合格率為100 %。

表1 車間組裝順序表

表2 現(xiàn)場(chǎng)組裝順序表

3.7 支撐拆除及打磨

岔管內(nèi)支撐在水壓試驗(yàn)前拆除，使整個(gè)岔管處于自由無(wú)約束狀態(tài)。拆除鋼岔管上的支撐時(shí)，嚴(yán)禁采用錘擊法。應(yīng)用割槍或氣刨將工具卡在距離母材2～4 mm處切割去除，然后用砂輪機(jī)打磨并進(jìn)行PT檢測(cè)。焊縫內(nèi)部或表面發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)，將先找出原因、制定措施，再進(jìn)行補(bǔ)焊。在母材上存在電弧擦傷，若有擦傷，需進(jìn)行砂輪打磨處理后進(jìn)行探傷檢查。

3.8 悶頭設(shè)計(jì)安裝

根據(jù)《壓力容器規(guī)范》（GB150-2011），按照推薦壓力容器計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，球岔水壓試驗(yàn)悶頭建議采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型悶頭，悶頭板厚和技術(shù)要求根據(jù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.8.1 支管悶頭計(jì)算

壓力容器（GB 150.3 設(shè)計(jì)）部分相關(guān)參數(shù)：

Di—封頭內(nèi)徑與其連接的岔管內(nèi)徑，mm；

hi—凸型封頭內(nèi)曲面深度，mm；

Pc—計(jì)算壓力（工作壓力1.4 MPa）；

[σ]t—設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的許用應(yīng)力，MPa；

Φ—焊接接頭系數(shù)；

δh—凸型封頭計(jì)算厚度，mm；

δnh—凸型封頭的名義厚度，mm；

在本研究設(shè)計(jì)中：Di=4 500，封頭采用和岔管同類材料Q390C，板厚30 mm；通過(guò)查壓力容器（GB 150.1 通用部分）得Φ=0.8，查壓力容器（GB 150.2材料）得[σ]t=196 MPa（水溫＜100 ℃）。

采用標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形封頭（長(zhǎng)軸與短軸之比為2），K=1：

3.8.2 主管悶頭計(jì)算

Di=8200，封頭采用和岔管同類材料Q390C，板厚40 mm；通過(guò)查壓力容器（GB 150.1 通用部分）得Φ=0.8，查壓力容器（GB 150.2材料）得[σ]t=193 MPa（水溫＜100 ℃）。

采用標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形封頭（長(zhǎng)軸與短軸之比為2) ，K=1：

3.8.3 悶頭安裝

悶頭拼焊完成后進(jìn)行悶頭與主岔管管口尺寸檢測(cè)，然后進(jìn)行悶頭安裝。在安裝前做好定位軸線，4 500 mm悶頭安裝采用25 t施工現(xiàn)場(chǎng)布置塔機(jī)吊進(jìn)行吊裝，采用5 t手拉葫蘆將悶頭開(kāi)口調(diào)節(jié)處于豎直狀態(tài)，吊至連接管管口，控制悶頭內(nèi)壁與連接管內(nèi)壁錯(cuò)邊在2 mm以內(nèi)。吊裝時(shí)應(yīng)避免悶頭與管節(jié)相撞。直徑8 200 mm悶頭在岔管安裝完成后采用50 t汽車吊分瓣進(jìn)行吊裝安裝。

3.9 水壓試驗(yàn)

在岔管管節(jié)與悶頭連接管上布置排水閥、排氣閥等，在2#機(jī)支管節(jié)消防取水管上布置充水閥、壓力表等。水壓試驗(yàn)采用20 MPa的打壓泵。水源利用試驗(yàn)場(chǎng)地附近施工水源或者養(yǎng)護(hù)用水。水壓試驗(yàn)完成后，首先卸壓，將岔管內(nèi)的水排空后進(jìn)行悶頭切割，并按要求切割掉岔管與悶頭間連接管的余量，岔管水壓試驗(yàn)布置原理圖如圖2所示。

圖2 岔管水壓試驗(yàn)平面布置圖

為保證岔管的穩(wěn)定性，岔管底部和兩腰采取支撐加固，增加岔管剛性，且在岔管水壓試驗(yàn)前在岔管底部澆筑一個(gè)2 m×2 m的混凝土支墩，保證支撐強(qiáng)

3.1 0 整體驗(yàn)收

岔管安裝完成后，根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL-T 5017-2007）組織業(yè)主、監(jiān)理進(jìn)行聯(lián)合驗(yàn)收。

4 效益分析

超大型球岔現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接方法產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益如下：一是解決了國(guó)外項(xiàng)目吊車起吊能力不足的問(wèn)題；二是解決了超大型球岔無(wú)法整體運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，節(jié)省了雇傭大型起重和運(yùn)輸設(shè)備的費(fèi)用；三是通過(guò)方案的優(yōu)化，節(jié)省了人力資源、縮短了安裝工期，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

超大型球岔的現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接成功，對(duì)以后其他水電站岔管現(xiàn)場(chǎng)安裝、組裝、焊接工藝有重要的指導(dǎo)意義，也為以后同類型電站的岔管設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)已成功應(yīng)用于老撾南塔河1號(hào)水電站大型岔管現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接施工中，岔管的水壓試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生岔管本體滲漏和焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。目前，老撾南塔河1號(hào)水電站已蓄水發(fā)電。2018年10月26日三臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)及動(dòng)水管蝶閥試驗(yàn)完成，引水隧洞、壓力鋼管、岔管運(yùn)行安全、穩(wěn)定。