24m超長(zhǎng)大口徑預(yù)制管道廠內(nèi)運(yùn)輸裝置的改造

劉 超，葉宇能，吳紅光

（中國石油集團(tuán)渤海裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北滄州 062658）

0 引言

中俄管線是國家重點(diǎn)工程，是構(gòu)建能源共享體制的一個(gè)重要組成部分。中俄管線承載著中俄兩國之間的天然氣等能源共享使用、共同發(fā)展的重要載體。任務(wù)艱巨，時(shí)間緊迫，質(zhì)量要求嚴(yán)格，中俄管線項(xiàng)目也是國家建設(shè)能力的一個(gè)體現(xiàn)，它的建成將會(huì)為中國居民的天然氣等能源使用提供非常大的便利，更有利于生態(tài)環(huán)保的發(fā)展，減少煤的消耗等方面。

中俄管線的管道提供方為中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司巨龍鋼管公司和華油鋼管公司這兩大鋼管制造企業(yè)，而鋼管的發(fā)運(yùn)則是由渤海裝備制造有限公司第一機(jī)械廠儲(chǔ)運(yùn)公司全面負(fù)責(zé)。

1 長(zhǎng)距離大口徑管道的工廠預(yù)制及模塊化

隨著國家管網(wǎng)越來越多的工程，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管道施工的傳統(tǒng)方式，存在著現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、作業(yè)條件、設(shè)備狀態(tài)、人員技能等多方面因素，直接或間接地影響到管道焊接質(zhì)量，同時(shí)也制約著施工工期和成本。

在建造過程中，逐步推行管道預(yù)制，以往的基建施工等均可以采用預(yù)制的方法，不過管徑較小（公稱直徑一般不大于700 mm）。在現(xiàn)代的石油管道工程中，人們對(duì)能源的需求也越來越大，敷設(shè)的管徑也越來越大、越來越長(zhǎng)，給建設(shè)單位提出了更高的質(zhì)量要求和更低的建設(shè)成本與工期。長(zhǎng)距離、大口徑管道的工廠預(yù)制及模塊化，就成為一個(gè)很有前景的發(fā)展方向。在工廠范圍內(nèi)進(jìn)行的管道預(yù)制，由于不受環(huán)境影響，可以依靠非?？煽康募寄苋藛T和設(shè)備，大大提升管道焊接的質(zhì)量，也可以從空間和時(shí)間兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)不同地的管道焊接同時(shí)化，大幅縮減工程的施工周期，降低施工成本。

2 制約預(yù)制及模塊化的因素

長(zhǎng)距離、大口徑管道的工廠預(yù)制及模塊化，對(duì)工廠內(nèi)的吊裝、運(yùn)輸?shù)扔辛诵碌囊?，從行車、汽車吊的額定起重能力，現(xiàn)場(chǎng)的吊裝環(huán)境，吊裝方案，運(yùn)輸車輛等需要多方面論證和進(jìn)行相應(yīng)的改造。

工廠中的行車起重能力，是以單根12 m、Φ1416 mm 管徑為最大設(shè)計(jì)量為準(zhǔn)的?，F(xiàn)在需要將兩根12 m、Φ1416 mm 管道通過焊接，形成一根24 m 甚至更長(zhǎng)的預(yù)制化管道。這就要求更換行車或兩個(gè)行車進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)，尤其是長(zhǎng)度會(huì)直接影響到廠房?jī)?nèi)的吊裝和運(yùn)輸效率和安全。24 m 對(duì)于吊裝過程中的平衡梁及吊裝位置均有要求。

運(yùn)輸車輛方面，普通的半掛牽引車長(zhǎng)度為12～13 m，即便使用特車（長(zhǎng)17.5 m）對(duì)于24 m 管道來說，依舊會(huì)造成半掛車后軸稱重點(diǎn)與24 m 管道尾部的距離8.5 m，管道前后失衡、速度提升時(shí)，會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行安全造成不良影響。

3 針對(duì)性改進(jìn)措施

3.1 行車的吊裝吊點(diǎn)的優(yōu)化及選擇

3.1.1 長(zhǎng)直管道

24 m 的相同直徑的管道，載荷分配方面的問題相對(duì)簡(jiǎn)單。

現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí)，采取的吊裝方法是兩對(duì)吊點(diǎn)起吊。為便于研究，假定管道為理想型均勻質(zhì)，截面完全一致，質(zhì)量分布均勻，這樣的力學(xué)分析將其簡(jiǎn)化成為一種理想的模型——懸臂梁結(jié)構(gòu)受力模型。對(duì)其進(jìn)行分析，長(zhǎng)管道吊裝時(shí)的彎矩，兩個(gè)吊點(diǎn)與管道端點(diǎn)之間的距離相等并小于兩個(gè)吊點(diǎn)之間的距離時(shí)，吊裝就可以達(dá)到穩(wěn)定平衡的效果。

在實(shí)際吊裝過程中，吊裝點(diǎn)的選擇取決于現(xiàn)場(chǎng)操作人員的意識(shí)和動(dòng)作，缺少吊裝過程中的數(shù)據(jù)量化環(huán)節(jié)，存在著“想當(dāng)然”和“經(jīng)驗(yàn)派”現(xiàn)象。在很多情況下需要用平衡梁來分擔(dān)吊鉤的負(fù)荷，做到均布受力載荷，提升吊裝的安全和效率，特別是在這種情況下，操作人員過多依靠平衡梁會(huì)造成不良影響。同時(shí)，對(duì)平衡梁的選擇也應(yīng)有一定的要求，平衡梁的長(zhǎng)度至少不小于管道長(zhǎng)度的1/3、最好保持在1/2。

因此，在吊裝前需要在被吊裝的長(zhǎng)距離大管徑管道上，畫出吊點(diǎn)的范圍和邊界線，每一吊的每一操作都要做好數(shù)據(jù)的計(jì)算和量化。

3.1.2 多種管道組成的模塊

大多數(shù)的模塊化管道上都存在著彎頭、變徑、閥門等的模塊，這些又長(zhǎng)又大又復(fù)雜的管道模塊，在吊裝過程中必定需要在管道模塊進(jìn)行吊裝、運(yùn)輸前，進(jìn)行載荷核算的過程，特別是需要計(jì)算自由狀態(tài)下正常受力和吊裝運(yùn)輸狀態(tài)下的受力狀態(tài)。由于設(shè)置的吊點(diǎn)位置和數(shù)量不同，自由狀態(tài)下正常受力和吊裝運(yùn)輸狀態(tài)下的受力狀態(tài)，完全不同。在這種情況下，行車吊點(diǎn)選擇的原則是使預(yù)制管道模塊不同分段截面平均受力，在受力分析圖上，管道模塊的危險(xiǎn)截面處，保持彎矩相等。

面對(duì)多元化的模塊構(gòu)成，若要準(zhǔn)確計(jì)算吊點(diǎn)位置，計(jì)算量非常大，耗時(shí)長(zhǎng)，不利于工廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢圆扇∧M均衡狀態(tài)的方法，將整個(gè)模塊化管道重量作為一個(gè)整體，對(duì)其進(jìn)行平均分配，同時(shí)將管道的空間長(zhǎng)度投影至軸向平面，形成一條投影直線，并將重量平均分布在投影直線上。這時(shí)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的管道不同部件的質(zhì)量分布情況劃分出3 對(duì)或4 對(duì)吊點(diǎn)，再采取不同于兩對(duì)吊點(diǎn)靜定結(jié)構(gòu)的超靜定結(jié)構(gòu)方式，對(duì)吊點(diǎn)的選擇位置進(jìn)行估算。

3.2 管道運(yùn)輸方面的改造

在制管廠房?jī)?nèi)，以長(zhǎng)度為17.5 m 的半掛車對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)以下3 個(gè)問題：①半掛車后軸稱重點(diǎn)與24 m管道尾部的距離8.5 m，管道前后失衡，重心基本上壓在了半掛后橋上，造成了車輛的前輕后重；②預(yù)制模塊管道在半掛車上固定方式不到位，前后固定僅僅使用吊帶捆綁，對(duì)于26 t 的重量所產(chǎn)生的慣性來說，由幾根吊帶的捆綁產(chǎn)生的力基本上可以忽略不計(jì)；③在寬度和載重量允許的情況下，每次只能運(yùn)輸一根，效率較低。

針對(duì)這些情況，將采取以下的措施進(jìn)行改造。

3.2.1 車輛改造

以普通半掛牽引車為基本，通過在12 m 半掛后增加1～2節(jié)拖車的方式，滿足24 m 大管徑管道的運(yùn)輸要求。半掛車與拖車之間的不選擇硬連接，而采用的是軟連接。軟連接結(jié)構(gòu)如下：鴨嘴形掛鉤的閉口端一側(cè)與連接塊，通過轉(zhuǎn)軸鉸接，連接塊上開有一個(gè)垂直方向的通孔，鴨嘴形掛鉤的開口端一側(cè)設(shè)有銷孔，銷軸設(shè)置在所述銷孔內(nèi)。這樣相當(dāng)于在半掛車與拖車之間加了一個(gè)萬向節(jié)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)與拖車之間的軟連接，使得半掛車和拖車行駛在彎曲或坡度不斷的道路上時(shí)，拖車也再不會(huì)將半掛車撅起，保障了行車安全。即使半掛車牽引拖車拐小彎也不會(huì)使半掛車的后輪摩擦到拖車連接器或拖車上，保障車輛的正常行駛。

拖車部分改造。為了在廠區(qū)內(nèi)彎曲不斷的廠內(nèi)道路內(nèi)，安全平穩(wěn)行駛，尤其是要避開人員較多的情況。在拖車上加設(shè)一組可以自由轉(zhuǎn)向的液壓轉(zhuǎn)動(dòng)托盤裝置，這種裝置與鐵路超長(zhǎng)運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電的葉輪運(yùn)輸車輛的裝置作用相近。該裝置，主要作用為可以自由轉(zhuǎn)向，相當(dāng)于將整個(gè)半掛車與拖車分割成為3 個(gè)聯(lián)動(dòng)關(guān)鍵部位，間接地將整車的轉(zhuǎn)彎變徑減少了，針對(duì)彎曲的廠區(qū)道路，有非常好的效果。

拖車與半掛車的距離，應(yīng)該采取行車兩對(duì)吊點(diǎn)受力分析的方式，來分配半掛車的后橋與拖車支撐橋之間的間距。

3.2.2 管道固定夾具的設(shè)計(jì)與安裝

針對(duì)半掛車的固定夾具改造，從支撐梁方面入手，先將支撐梁改造成為可以裝配緊固機(jī)構(gòu)的模式。

在車輛的兩側(cè)，增加左側(cè)托架和右側(cè)托架，并在左側(cè)托架和右側(cè)托架之間增加一個(gè)托架中央支架，形成一個(gè)“w”的樣式，用以承載和定位兩根長(zhǎng)管道，防止其左右方向的錯(cuò)位和移動(dòng)。在車斗的前方加設(shè)圍擋和制動(dòng)鉤，防止管道軸向移動(dòng)并保護(hù)好駕駛樓內(nèi)的司機(jī)。

在做好上述準(zhǔn)備工作后，在重心位置附近增加一組夾緊固定裝置，同時(shí)也可以作為整體固定的一種裝置。裝置包括：安裝在車輛支撐梁上、底座下方的保險(xiǎn)架，用以防止固定夾具打滑，使定位更加準(zhǔn)確；在底座的頂端，設(shè)計(jì)有兩塊吊板，在兩塊吊板之間加裝一個(gè)同時(shí)與吊板連接的吊環(huán)，用作連接和固定作用；在底座上連接兩個(gè)支架。在吊板遠(yuǎn)離吊環(huán)的一端，分別與就近的一個(gè)支架相連接。在吊板中，設(shè)置有棘輪、棘爪、防反轉(zhuǎn)棘爪，棘輪設(shè)置在棘爪和防反轉(zhuǎn)棘爪之間。在防反轉(zhuǎn)棘爪中，增加了防反轉(zhuǎn)棘爪軸，軸的兩端穿過防反轉(zhuǎn)棘爪后連接在對(duì)應(yīng)的支架中。同樣，在棘爪中設(shè)置有棘爪軸，軸的兩端穿過棘爪后設(shè)置在對(duì)應(yīng)的吊板中，棘輪中設(shè)置有棘輪軸。這樣可以使固定具備可調(diào)節(jié)模式，方便固定操作、提升緊固的精度。

通過一系列的改造，可以充分利用半掛車的寬度（2.85 m）將原來只裝一根長(zhǎng)管道改變?yōu)榭梢匝b載兩根長(zhǎng)管道，在載重量允許的情況下可以再增加一根，呈品字形分布。

3.2.3 減振裝置

運(yùn)輸過程中，試驗(yàn)用車所使用的減振裝置為草墊子和枕木，這主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是草墊子和枕木不耐磨，在運(yùn)輸過程中損耗大，更換成本高且承載力不足；二是枕木本身的不平整情況，對(duì)于24 m 長(zhǎng)鋼管運(yùn)輸?shù)挠绊戄^大。

改造措施：一在支撐梁固定結(jié)構(gòu)底部增加托架彈性墊，材料為氈；二是將枕木換成包覆保護(hù)層的方鋼或?qū)⑿】趶降匿摴芴走M(jìn)PE（Polyethylene，聚乙烯）管道內(nèi)形成的支撐面。

4 改造效果

通過一系列的技術(shù)改造，在試驗(yàn)過程中，駕駛速度為20 km/h，測(cè)試的剎車距離為6.5 m 左右，半掛車的前后車輪、拖車的車輪保持同步，整體效果良好。測(cè)試轉(zhuǎn)彎時(shí)的半徑比17.5 m 半掛車的轉(zhuǎn)彎半徑減少至1/2，在制管廠場(chǎng)地至防腐場(chǎng)地之間的廠內(nèi)通道上，暢通無阻，確保了有限空間的合理利用，又減少了安全風(fēng)險(xiǎn)和大量的基建改造成本。

行車在吊裝24 m 大口徑管道時(shí)，通過對(duì)預(yù)制模塊化管道的自由狀態(tài)和吊裝運(yùn)輸狀態(tài)下受力狀態(tài)的分析，采取模擬均衡狀態(tài)的方法，確定出吊裝吊點(diǎn)的范圍及邊界線，確保吊裝的安全及吊裝效率。

通過對(duì)半掛車的緊固裝置的改造，使得兩根24 m 大口徑鋼管在運(yùn)輸過程中穩(wěn)定、不錯(cuò)位，測(cè)試在半掛車急剎車的情況下，兩根管道的軸向錯(cuò)位和左右兩側(cè)方向的位移，效果非常好，確保了管道運(yùn)輸過程中的安全運(yùn)行。同時(shí)，將半掛車的牽引力發(fā)揮到一定程度，由原來運(yùn)輸一根變成運(yùn)輸兩根，提升一倍的效率縮短工序之間的時(shí)間差，，節(jié)省了大量時(shí)間，從而提升效率、降低預(yù)制成本。