中深層地?zé)崮茉凑緳C(jī)電管網(wǎng)工程快速施工方法探索

李昊 李瑞霞 王天任 李驥飛 楊艷 馬啟震

1 中石化新星（北京）新能源研究院有限公司

2 長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

中深層地?zé)崮茉凑臼且环N以地下1500～2000 m熱水為基礎(chǔ)熱源，為用戶(hù)集中供熱的區(qū)域供暖系統(tǒng)。中深層地?zé)崮茉凑局黧w工程為帶壓供熱機(jī)電管網(wǎng)工程，站房?jī)?nèi)部機(jī)電設(shè)備分布密集，管道交錯(cuò)復(fù)雜，施工質(zhì)量要求高，采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)管道焊接施工方式，施工工期較長(zhǎng)，不利于站房的快速建設(shè)和投用。為提升中深層地?zé)崮茉凑緳C(jī)電管網(wǎng)施工效率，本文針對(duì)工廠模塊化預(yù)制、非焊接連接技術(shù)應(yīng)用、二維碼標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)施工順序4 個(gè)方面的應(yīng)用需求和實(shí)施方法展開(kāi)分析和研究。

1 應(yīng)用工廠預(yù)制技術(shù)減少現(xiàn)場(chǎng)施工量

中深層地?zé)崮茉凑緳C(jī)電管網(wǎng)施工包括設(shè)備定位、管道連接和支吊架搭建等環(huán)節(jié)，占站房總體施工量的60%以上。傳統(tǒng)的機(jī)電施工主要在現(xiàn)場(chǎng)完成，施工排序在土建施工完成之后，施工節(jié)點(diǎn)受土建施工進(jìn)度制約，拉長(zhǎng)了整體工期。

為解決上述問(wèn)題，在實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電管網(wǎng)施工之前，預(yù)先在工廠對(duì)管道和設(shè)備進(jìn)行模塊化加工組裝，可以減少70%的現(xiàn)場(chǎng)施工量。依照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模塊生產(chǎn)加工，可以與土建施工并行展開(kāi)。為實(shí)現(xiàn)模塊的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，需要規(guī)范模塊的拆分、組裝、加工和支撐等工序。

模塊拆分指確定模塊的集成方式。地?zé)崮茉凑镜闹饕O(shè)備單元包括氣液分離器、旋流除砂器、板式換熱器、熱泵循環(huán)泵、熱泵機(jī)組、供熱循環(huán)泵、補(bǔ)水裝置、回灌加壓裝置、分集水器、主干管道和配套閥門(mén)儀表等[1]。為便于施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝，需要以主要設(shè)備為基礎(chǔ)單元，以設(shè)備進(jìn)出水管所連接的主干水管分段為節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行模塊化拆分。模塊設(shè)備和管道通過(guò)框架進(jìn)行固定和支撐。模塊可以同一功能區(qū)整體集成，也可以同一類(lèi)型整體集成。如圖1 所示。由于模塊加工廠房與施工現(xiàn)場(chǎng)存在一定距離，模塊的拆分還需滿(mǎn)足交通運(yùn)輸和吊裝的尺寸要求。通常公路運(yùn)輸限高4 m，限寬2.5 m，限長(zhǎng)8 m，吊裝尺寸則應(yīng)根據(jù)站房吊裝通道設(shè)計(jì)圖紙確定[2]。

圖1 集成模塊

模塊組裝指模塊內(nèi)部的設(shè)備、管道和閥門(mén)儀表裝配。系統(tǒng)主干管道尺寸較大，為避免占用設(shè)備維護(hù)和檢修空間，需要布置于框架的上層。閥門(mén)、儀表需要置于垂直配管上，操作手柄和儀表表盤(pán)統(tǒng)一指向維護(hù)通道，以便于現(xiàn)場(chǎng)操作。閥門(mén)組中間短管DN≤250 mm時(shí)，長(zhǎng)度與管徑應(yīng)一致，DN＞250 mm 時(shí)，長(zhǎng)度應(yīng)為250 mm，以便于螺栓安裝檢修。

模塊加工指模塊內(nèi)部管道和支架的出圖、下料、焊接工作。模塊加工精度是影響模塊裝配精度的重要因素，需要對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行過(guò)程控制。模塊加工前需出具管道和支吊架加工圖紙、設(shè)備和支吊架基礎(chǔ)定位圖紙，標(biāo)注管道和支架尺寸和位置信息。按照加工圖紙采用冷切割下料，確保斷面平整，將誤差控制在1 mm以?xún)?nèi)。對(duì)于壁厚大于3 mm 的管道應(yīng)進(jìn)行坡口處理。采用工裝機(jī)床平臺(tái)進(jìn)行管道組對(duì)，在平臺(tái)上通過(guò)定位尺、法蘭板等工具將管道組對(duì)誤差控制在2 mm 以?xún)?nèi)。組對(duì)完成后，先進(jìn)行點(diǎn)焊，然后運(yùn)用自動(dòng)焊接設(shè)備處進(jìn)行全焊。

模塊支撐措施（圖2）用于提升模塊內(nèi)管道接口誤差容錯(cuò)額度。在水泵的進(jìn)出口應(yīng)通過(guò)柔性管與鋼管連接，消化水泵振動(dòng)對(duì)鋼管的影響，如圖2（a）所示。水泵的基礎(chǔ)應(yīng)通過(guò)彈簧支撐與支架連接，消化水泵振動(dòng)對(duì)支架的影響，如圖2（b）所示。管口與支架之間應(yīng)通過(guò)木托和卡環(huán)固定，可以通過(guò)調(diào)節(jié)木托厚度配合柔性管和彈簧減震器對(duì)管口位置進(jìn)行微調(diào)，消化微小橫向誤差，如圖2（c）所示。

圖2 模塊支撐措施

2 應(yīng)用非焊接連接技術(shù)簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)裝配難度

管道連接和支吊架搭建均涉及到管道和鋼材的切割、組對(duì)、焊接等工藝。機(jī)電施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管材排布密集，空間條件受限，不利于大型加工機(jī)床展開(kāi)，采用傳統(tǒng)的手工焊接，施工難度大，施工精度和效率均難以保證。

為解決上述問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)管道溝槽連接替代焊接連接。溝槽連接工藝指在管道接頭部位采用專(zhuān)業(yè)滾槽機(jī)加工成環(huán)形溝槽，在相鄰管端套上C 型橡膠密封圈，用拼合式卡箍件和緊固件組裝成的套筒進(jìn)行快速連接。溝槽連接管端拉力強(qiáng)度大，試驗(yàn)壓力可達(dá)4.2 MPa，溫度為30 ℃～100 ℃。溝槽接口為活性連接，可消化1～6 mm 縱向間隙。溝槽節(jié)點(diǎn)安裝器材簡(jiǎn)單，安裝工時(shí)為法蘭連接的1/2～1/3，為焊接連接的1/6～1/9。

目前，國(guó)產(chǎn)溝槽連接件直徑在DN25 mm～DN400 mm 之間。根據(jù)2021 年中國(guó)工程造價(jià)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，溝槽連接件價(jià)格相對(duì)于同等直徑的法蘭具有優(yōu)勢(shì)。如表1 所示。對(duì)于DN＞400 mm 的溝槽件需要從國(guó)外廠家定制，且費(fèi)用較高。以維特利溝槽廠家為例，其DN＞400 mm 的溝槽件價(jià)格較法蘭高出4 倍以上。

表1 法蘭、溝槽連接綜合工日和費(fèi)用對(duì)比表

中深層地?zé)崮茉凑臼艿叵聼崴Y源和地?zé)峋畵Q熱能力限制，通常供能負(fù)荷≤12000 kW，供能面積≤30 萬(wàn)m2，供回水溫度在40～60 ℃之間，水管壓力＜1.0 MPa。根據(jù)當(dāng)前供能技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，房?jī)?nèi)部管道最大直徑≤400 mm，處于溝槽件性?xún)r(jià)比較高的管徑區(qū)間。

中深層地?zé)崮茉凑竟艿肋B接施工可分為管段與管件的連接、管段與設(shè)備的連接、模塊接口之間的連接3 種形式。其中，管段與管件連接可以利用工廠成套的機(jī)床設(shè)備進(jìn)行預(yù)制加工，加工時(shí)間寬裕，加工精度高，經(jīng)濟(jì)效益權(quán)重高于時(shí)間效益權(quán)重，應(yīng)采用焊接。水泵、閥門(mén)、儀表多采用法蘭作為接口連接形式，這些設(shè)備與管段之間連接多采用法蘭連接。模塊之間、主干管道分段之間連接在施工現(xiàn)場(chǎng)完成，由于施工時(shí)間緊張、施工空間受限，應(yīng)采用溝槽連接。為保證溝槽節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度，需要在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)500 mm 內(nèi)設(shè)置支吊架。

3 應(yīng)用二維碼物流管理技術(shù)提升施工協(xié)同效率

中深層地?zé)崮茉凑緳C(jī)電管網(wǎng)工程施工環(huán)節(jié)多，工序銜接緊密，信息管理工作量大[3]。以一個(gè)供熱負(fù)荷為1 萬(wàn)kW 的中型地?zé)崮茉凑緸槔?，?jīng)過(guò)拆分，需要標(biāo)記的模塊有60 多個(gè)，管段有1000 多段。每個(gè)管段需要標(biāo)記尺寸、材質(zhì)、節(jié)點(diǎn)安裝方式、生產(chǎn)加工進(jìn)度、責(zé)任班組等信息。采用傳統(tǒng)的人工登統(tǒng)計(jì)管理方式，容易出現(xiàn)管段組對(duì)錯(cuò)誤、尺寸錯(cuò)誤、管段丟失等問(wèn)題，進(jìn)而影響施工進(jìn)度。

為解決上述問(wèn)題，依托二維碼信息管理技術(shù)對(duì)設(shè)備信息和施工組織信息進(jìn)行管理，減少施工差錯(cuò)，提高協(xié)同效率。

首先需要構(gòu)建施工信息化管理平臺(tái)。管理平臺(tái)應(yīng)具有BIM 模型輕量化，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，線(xiàn)上多人協(xié)同化辦公，BIM+二維碼數(shù)據(jù)雙向關(guān)聯(lián)等功能。其中，BIM 模型為1:1 尺寸三維機(jī)電和土建模型，是信息數(shù)據(jù)的載體。

然后需要建立管段信息管理庫(kù)。出具設(shè)備管道裝配圖，以模塊三維透視圖為基礎(chǔ)，標(biāo)記管段編號(hào)和節(jié)點(diǎn)連接類(lèi)型，用于指示管段位置，指導(dǎo)管道安裝。為每個(gè)管段編輯唯一二維碼，并打印粘貼在管段上。二維碼可關(guān)聯(lián)管段的尺寸、材料、分類(lèi)、編號(hào)、狀態(tài)、位置、責(zé)任人等信息。

手機(jī)掃描二維碼可以一鍵備注上傳管段加工、組裝、運(yùn)輸、吊裝動(dòng)態(tài)信息[4]。還可以通過(guò)掃描二維碼，獲取管段的位置、尺寸信息，并關(guān)聯(lián)BIM 三維模型，指導(dǎo)管道施工。如圖3、圖4 所示。

圖3 掃描二維碼示意圖

圖4 管道模型定位示意圖

4 優(yōu)化施工順序消除土建與機(jī)電施工誤差

中深層地?zé)崮茉凑緳C(jī)電模塊在工廠預(yù)制，與土建工程并行施工，將不可避免面臨施工精度配合的問(wèn)題。通常土建施工誤差要求為厘米級(jí)，而機(jī)電施工誤差要求為毫米級(jí)。在工廠預(yù)制完成的模塊，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)裝配，經(jīng)常因?yàn)榛A(chǔ)水平和縱向誤差較大，導(dǎo)致模塊定位不準(zhǔn)確，模塊之間的預(yù)留管道接口抽心錯(cuò)位，導(dǎo)致無(wú)法裝配，延誤施工進(jìn)度[5]。

為解決上述問(wèn)題，需要對(duì)施工順序進(jìn)行優(yōu)化。

首先應(yīng)在土建施工和模塊工廠預(yù)制之前，預(yù)先定位設(shè)備基點(diǎn)[6]。機(jī)電設(shè)備安裝與土建配合的地方主要有設(shè)備基礎(chǔ)位置、支架基礎(chǔ)位置和預(yù)留管口位置。優(yōu)先出具基點(diǎn)定位圖紙，以基點(diǎn)定位圖為基準(zhǔn)定位BIM模型設(shè)備，并指導(dǎo)模塊預(yù)制加工。土建施工時(shí)采用激光測(cè)距+三維掃描工具校準(zhǔn)基點(diǎn)位置，將基點(diǎn)位置精確到毫米范圍。土建施工完成后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)基點(diǎn)做好標(biāo)記，為機(jī)電模塊進(jìn)場(chǎng)裝配提供定位依據(jù)。

然后需要優(yōu)化模塊裝配順序。模塊被運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)，應(yīng)按照先熱泵機(jī)組、供回水主管，后其他設(shè)備的順序進(jìn)行裝配。熱泵機(jī)組體量較大，且管口為剛性連接，需要優(yōu)先裝配。供回水主管作為系統(tǒng)主要管道路由，且為剛性連接，應(yīng)緊隨熱泵機(jī)組進(jìn)行安裝，為其它模塊設(shè)備提供接口位置參照。主管道溝槽連接施工需要從前往后依次進(jìn)行，避免因多向施工，造成局部間隙過(guò)大，無(wú)法連接。最后進(jìn)行循環(huán)水泵、板換、過(guò)濾裝置、補(bǔ)水裝置的裝配。利用設(shè)備模塊內(nèi)部的柔性連接、彈簧支撐、木托支撐構(gòu)件進(jìn)行微調(diào)，消化管口組對(duì)橫向誤差。利用溝槽連接節(jié)點(diǎn)間隙消化管口組對(duì)縱向誤差。

5 結(jié)論

工廠預(yù)制技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是解決模塊標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。非焊接連接技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是合理應(yīng)用法蘭、溝槽和焊接方式，最大化控制成本，提高效率。二維碼物流管理技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是建立精細(xì)的BIM 模型和搭建二維碼管理軟件平臺(tái)。優(yōu)化施工順序的關(guān)鍵是以定位基點(diǎn)作為機(jī)電和土建施工配合的紐帶。對(duì)比實(shí)際應(yīng)用案例，采用本文論述的施工方法可將中深層地?zé)崮茉凑緳C(jī)電管網(wǎng)工程現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間減少到2 個(gè)星期以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)快速施工的目的。

本研究的不足之處在于未對(duì)站房外部地?zé)峋凸芫W(wǎng)的快速施工方法展開(kāi)討論。主要考慮外部地?zé)峋凸芫W(wǎng)施工不受站房土建施工限制，對(duì)工期影響不大。但是這也影響到論文內(nèi)容的完整性，后續(xù)將對(duì)這部分內(nèi)容做進(jìn)一步研究。