大口徑管道陡坡段坡頂全自動焊接預(yù)制及溜管下溝施工方法

梁國儉，姚道玉

1.中國石油管道局工程有限公司第一分公司市場開發(fā)中心，河北廊坊 065000

2.中國石油管道局工程有限公司第一分公司工程技術(shù)部，河北廊坊 065000

2019年，中國石油管道局第一工程分公司承建的中俄東線天然氣管道工程（黑河-長嶺段）第二標(biāo)段，位于孫吳縣境內(nèi)及五大連池地區(qū)，管道長度72.89 km，管徑1 422 mm，全線存在多處大于15°的陡坡。由于受到內(nèi)焊機爬坡能力和焊接鐵水受重力下垂等的影響，因此對于大于15°的斜坡，全自動焊接工藝無法使用。該公司根據(jù)現(xiàn)場實際勘察，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗，經(jīng)過反復(fù)研究論證，確定采用“坡頂預(yù)制+溜管下溝”的方式進行施工，最終成功解決了全自動焊大于15°陡坡段施工的難題，收到了良好的施工效果，保障了施工安全與施工質(zhì)量，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 地質(zhì)條件

地質(zhì)勘察報告和現(xiàn)場踏勘結(jié)果揭示：本區(qū)域地質(zhì)分為兩層，第①層為殘積土、粉質(zhì)黏土，呈灰褐色，可塑，主要包含黏土礦物、砂土等，土質(zhì)均勻性一般，局部夾圓礫薄層，層厚0.5～1.5 m，土石等級為Ⅱ～Ⅲ級；第②層為強（中）風(fēng)化花崗巖，呈黃褐色，為中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長石等，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度不一，用風(fēng)鎬和爆破開挖，最大揭露厚度2.0 m。

2 總體施工方案和作業(yè)流程

“坡頂預(yù)制+溜管下溝”的施工方案是：根據(jù)陡坡地形特點，采用挖掘機開挖管溝，同時采用全自動焊接工藝[1]在坡頂預(yù)制滿足陡坡敷設(shè)需要的管段（含彎頭）[2-4]，并在預(yù)制管段兩端各焊接一個牽引頭，溜管前采用多臺大噸位吊管機將預(yù)制管部分牽至坡頂外，而后通過配置在坡腳的吊管機牽引和坡頂?shù)牡豕軝C尾溜（注：尾溜就是在坡頂處對管道尾部進行牽拉，同時控制管道牽拉速度，以保證管道在溜管過程中穩(wěn)定可控）將管道安裝就位。溜管過程示意見圖1，施工作業(yè)流程見圖2。

圖1 溜管過程示意

圖2 施工作業(yè)流程

3 關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)的技術(shù)措施

3.1 施工準(zhǔn)備

第一，詳細(xì)勘察施工現(xiàn)場，充分掌握現(xiàn)場實地資料。熟悉施工圖紙，了解工程的有關(guān)情況，即管材壁厚、規(guī)格、防腐等級要求，熱煨彎頭的角度、位置，管溝挖深等。第二，對進行陡坡施工的機械設(shè)備如挖掘機、吊管機等進行檢查，確保施工設(shè)備性能良好，工器具安全可靠，無故障作業(yè)。第三，在溜管作業(yè)前，項目部組織對機組人員進行安全、技術(shù)及施工方案交底。第四，管道溜管前對所有參建員工進行安全教育和現(xiàn)場演練，并對現(xiàn)場風(fēng)險點進行識別，做好安全防護措施，使機組全員掌握溜管過程中產(chǎn)生的安全風(fēng)險、處置措施及個人職責(zé)分工。

3.2 測量放線

按照設(shè)計樁位用GPS或全站儀放出管道中心線、作業(yè)帶邊界線和降坡邊界線，在邊界線和管道中心線撒白灰。

3.3 場地平整

坡頂管溝暫不開挖，采用人工配合挖掘機對坡頂、坡底場地進行平整，清理場地內(nèi)雜物，場內(nèi)地表不得泥濘，不得有凍土、積雪和其他容易造成設(shè)備溜滑的雜物。

3.4 坡頂降坡

其一，為避免管道發(fā)送時在坡頂彎點處產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力[5]，保證管道施工安全，在坡頂管溝彎管處降坡處理。其二，削方降坡前，根據(jù)設(shè)計圖紙對山體坡度、線路走向進行復(fù)核，計算出削方降坡土石方量，施工后請監(jiān)理（業(yè)主）、設(shè)計代表現(xiàn)場確認(rèn)。其三，由于管道發(fā)送過程在坡頂位置進行，管道與溝底之間的摩擦力較大，為避免管道防腐層直接與管溝接觸磨損防腐層，在此處鋪設(shè)細(xì)土墊層，厚度500 mm，上面鋪設(shè)300 mm厚袋裝細(xì)土，總厚度不小于800 mm。其四，按下式臺體體積公式進行削方量計算：

式中：S1為上底面積，S2為下底面積，h為計算深度。

3.5 管溝開挖

采用4臺30 t級挖掘機由上向下開挖管溝，1臺配液壓鎬破碎巖石、1臺挖管溝、2臺進行接力倒運，其中堆土側(cè)的堆土距離溝邊不小于1 m，堆土高度不超過1.5 m；另一側(cè)堆土距離溝邊不小于4 m，以滿足挖掘機行走和保證后續(xù)管溝清理的需要。同時及時清理溝壁石塊，不得有預(yù)墜的石塊。

為避免溜管過程中劃傷防腐層，管溝挖深比設(shè)計標(biāo)高超挖0.5 m，溝底寬度不小于3 m。溜管前在管溝底部滿鋪袋裝細(xì)土，厚度不小于200 mm，袋裝細(xì)土上方鋪設(shè)300 mm厚細(xì)土，總厚度不小于500 mm。同時，在溝壁兩側(cè)500 mm高度范圍內(nèi)鋪設(shè)袋裝細(xì)土，厚度不小于200 mm。細(xì)土鋪設(shè)完畢后，應(yīng)保證管溝順直，不得有凸起和下凹，彎頭段應(yīng)圓滑過渡[6]。

3.6 管段預(yù)制

其一，焊接前對坡長進行精確測量，保證預(yù)制管段長度與坡長一致。其二，在坡頂處采用全自動焊接工藝預(yù)制所需管段，兩端彎頭采用自由口連頭工藝焊接[1]。其三，焊口檢測合格后，及時進行防腐補口補傷作業(yè)[2]。

3.7 牽引頭制作及安裝

3.7.1 牽引頭制作

牽引頭由短節(jié)、圓形盲板及3個吊耳焊接制成。鋼管規(guī)格為D1422mm×21.4mm，長度為1m；盲板、吊耳、加強肋板均采用厚度為30 mm、材質(zhì)為Q235的鋼板制作；盲板直徑為1 600 mm，吊耳尺寸為380 mm×280 mm。牽引頭、吊耳及肋板結(jié)構(gòu)如圖3～圖5所示。

圖3 防腐管牽引頭示意

圖4 吊耳尺寸

圖5 肋板尺寸

盲板與鋼管滿焊連接，保證與鋼管同心，吊耳沿直徑為1 422 mm的圓周按夾角120°均布。吊耳和鋼板間焊接加強肋板，肋板尺寸150 mm×100 mm。

牽引頭構(gòu)件均采用手工電弧焊，焊條型號為E4303。焊接時選用技能水平好、責(zé)任心強的焊工施焊，并對焊道進行仔細(xì)檢查和打磨處理，保證焊道質(zhì)量。

3.7.2 焊縫及吊耳受力分析

第一，焊縫許用拉力計算：

式中：hf為焊縫高度，本項目取值3.0 cm；l為焊縫的總長度，本項目取值l=28 cm×2=56 cm；[τ]為Q235鋼焊縫許用剪切應(yīng)力，[τ]=7 000 N/cm2。

單個吊耳焊縫實際受到的拉力為：

式中：580 200 N為鋼絲繩拉力。

吊耳受拉安全系數(shù)：

因此，吊耳焊縫滿足強度及安全要求。

第二，吊耳受力計算：

式中：[σ]為Q235鋼許用拉應(yīng)力；A為吊耳危險截面積，A=（28-8） ×3=60（cm2）。

因此，吊耳自身強度滿足要求。綜上所述，吊耳在溜管中滿足作業(yè)要求。

3.7.3 滑撬裝置的加設(shè)

在溜管下滑過程中，為保護坡底彎頭，同時防止彎頭下滑和受拉后傾斜轉(zhuǎn)向，前端直管段加設(shè)滑撬裝置，彎頭部位用橡膠圈綁扎保護，在彎頭前端焊接牽引頭，其結(jié)構(gòu)如圖6～圖8所示。

圖6 滑撬牽拉裝置結(jié)構(gòu)示意

圖7 滑撬牽拉裝置結(jié)構(gòu)示意

圖8 滑撬牽拉裝置結(jié)構(gòu)示意

3.7.4 牽引頭安裝

牽引頭與預(yù)制管段兩端的熱煨彎頭通過焊接連接。吊耳上安裝卡環(huán)，卡環(huán)采用30 t卸扣。

3.8 溜管

3.8.1 溜管前準(zhǔn)備工作

（1）防腐層保護。管道前端、中間支點處防腐層和收縮套（帶）易受到損傷，為避免此損傷，在溜管前用竹坯子將管道前端20 m范圍內(nèi)和補口位置進行包裹，用鐵絲捆扎牢固。在坡腳鋪設(shè)細(xì)土墊層，厚度600 mm，上面鋪設(shè)200 mm厚袋裝細(xì)土，保證總厚度不小于800 mm。在坡腳管溝內(nèi)設(shè)置與管溝同寬且高2 m、厚0.5 m的袋裝細(xì)土墻，以防彎頭碰撞。

用紅油漆在預(yù)制管1/3管段處做出明顯記號，方便指揮人員觀察判斷。由于坡頂彎頭及牽引頭移位后朝向地面，為避免牽引頭和彎頭受損，提前在坡上牽引頭落地點開挖一個4m×2m×2m的土坑。

（2）鋼絲繩及設(shè)備檢查。在前端的牽引頭上安裝牽引鋼絲繩，在尾端的牽引頭上安裝尾溜鋼絲繩。安裝前需檢查鋼絲繩是否有斷絲、斷股、鋼絲嚴(yán)重磨損、鋼絲嚴(yán)重銹蝕等現(xiàn)象，缺陷嚴(yán)重的鋼絲繩不得使用，對于輕微缺陷的鋼絲繩應(yīng)進行強度折減處理。同時對起重設(shè)備和起重配件進行整體檢查，重點檢查剎車可靠性和動力系統(tǒng)。

（3）預(yù)制管移位。根據(jù)實際吊裝噸位需要，采用多臺吊管機起吊，先將預(yù)制管段吊運至管道中心線上。預(yù)制管移動時，吊裝吊管機將預(yù)制管緩慢吊起并向前移動，待首臺吊管機行走至坡頂彎頭位置時，拆卸吊帶，將吊管機退回至末端位置后再次入位進行吊管，各吊管機以此類推，直至將預(yù)制管移位至預(yù)制管1/3管段處后，將預(yù)制管停放在坡頂。預(yù)制管移位如圖9所示。

圖9 預(yù)制管移位示意

（4） 懸空狀態(tài)下管段強度（應(yīng)力σ）計算[7]：

式中：M為管道彎矩；D為管道外徑，取142.2 cm；E為彈性模量，取2.1×107N/cm2；I為管道的慣性矩；q為單位長度管道質(zhì)量，取74.5 N/cm；l0為管道懸空段長度，取6 500 cm；d為管道內(nèi)徑，取137.92 cm。

X80鋼管許用應(yīng)力[σ]=56 000 N/cm2；代入數(shù)據(jù)得σ=0.23 N/cm2<[σ]，因此，當(dāng)管段懸空65 m時，管道應(yīng)力小于許用應(yīng)力，管道是安全的。

3.8.2 溜管過程中受力分析

從預(yù)制管牽引、下壓和下滑3個階段對預(yù)制管的受力進行分析。

（1）預(yù)制管牽引力計算及設(shè)備選用。當(dāng)管段處于65 m懸空、77 m著地狀態(tài)時，牽引力為：

式中：T0為鋼絲繩牽引力；G為管段總重量，取1 066.4 kN；φ為干土壤內(nèi)摩擦角，取30°；α為鋼絲繩與水平方向之間的夾角，經(jīng)計算α=17°。

根據(jù)90 t的吊管機的行走速度與牽引力的關(guān)系曲線可知，每臺90 t的吊管機牽引力為300 kN，為滿足牽引力需求，需要配置3臺90 t吊管機。牽引鋼絲繩規(guī)格為φ32 mm-6*19-1670，破斷拉力580 kN，使用工作拉力232 kN，牽引力644.0 kN，單臺吊管機受力214.7 kN，需要1根鋼絲繩方能滿足需求（鋼絲繩使用工作拉力232 kN>單臺吊管機受力214.7 kN）。坡腳每臺吊管機采用1根鋼絲繩，單根長度為180 m，3臺吊管機共配置3根各長180 m，總長540 m的鋼絲繩。

（2）預(yù)制管下壓過程受力分析：

第一，預(yù)制管下壓過程牽引力計算及設(shè)備選用。假設(shè)在預(yù)制管中點處、在預(yù)制管完全進入管溝前，坡上吊管機所受力最大，見圖10。坡上采用80 m長鋼絲繩。

圖10 預(yù)制管下壓過程示意

由靜力平衡方程可得：

式中：G為預(yù)制管和牽引頭自重，其中預(yù)制管（帶彎頭）自重1 066.4 kN，牽引頭自重取40 kN，故G取值1 106.4 kN；N為地面對預(yù)制管中點的支持力；α為坡角度，取23°；T為與坡上吊管機連接鋼絲繩拉力；β為坡上鋼絲繩與水平夾角，經(jīng)計算80 m長鋼絲繩與地面的夾角為19°（鋼絲繩與吊管機連接高度取1 m）。

經(jīng)計算得到：T=580.2 kN。通過控制吊管機的行走速度，使1臺90 t的吊管機產(chǎn)生牽引力在300 kN以上，3臺90 t吊管機即可滿足牽引需求。

尾溜牽引鋼絲繩規(guī)格為φ28 mm-6*19-1670，破斷拉力500 kN，使用工作拉力151.5 kN，牽引力580.2 kN，單臺吊管機受力193.4 kN，需要2根鋼絲繩方能滿足需求（使用工作拉力151.5 kN×2=303 kN>單臺吊管機受力193.4 kN）。坡頂每臺吊管機采用2根鋼絲繩，單根長度為80 m，3臺吊管機共配置6根長80 m、總長480 m的鋼絲繩。鋼絲繩吊耳采用插編方法插編，且滿足插編標(biāo)準(zhǔn)要求。

第二，預(yù)制管下壓過程彎曲應(yīng)力計算[7]。經(jīng)分析當(dāng)管道牽引的重心處于坡頂角時，管道受到的彎曲應(yīng)力最大。此時管道易出現(xiàn)癟管現(xiàn)象。

管道懸空狀態(tài)最大彎矩M為：

式中：T為與坡上吊管機連接的鋼絲繩拉力，取580000N；β為坡上鋼絲繩與水平的夾角，取19°；L為13根鋼管長度，取13 760 cm；q為每厘米延長管道重量，取74.5 N/cm。

相關(guān)數(shù)據(jù)代入3.8.1節(jié)的應(yīng)力計算公式求得：σ=0.088N/cm2，X80鋼管許用應(yīng)力56000N/cm2，因此管道在發(fā)送過程中是安全的，不會出現(xiàn)管道失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）溜管下滑過程受力分析。溜管下滑過程示意見圖11。

由靜力平衡方程得到：

式中：G為預(yù)制管和牽引頭自重；φ為土內(nèi)摩擦角，取18°；T為尾溜拉力；α為坡角度，實際為23°。

尾溜拉力經(jīng)計算為101 kN，考慮坡下彎頭對口調(diào)整，坡上采用3臺90 t吊管機，即可滿足下滑需求。綜上所述，為滿足溜管需求，坡頂和坡腳各需設(shè)置3臺90 t吊管機。

3.8.3 鋼絲繩及設(shè)備檢查[8]

安裝前需檢查鋼絲繩是否有斷絲、斷股、鋼絲嚴(yán)重磨損、鋼絲嚴(yán)重銹蝕的現(xiàn)象，缺陷嚴(yán)重的鋼絲繩不得使用，對于輕微缺陷的鋼絲繩應(yīng)按照起重規(guī)范進行強度折減處理。同時對起重設(shè)備和起重配件進行整體檢查。

牽引管道以前，對設(shè)備進行系統(tǒng)檢查，檢查剎車抱帶可靠性，實地對每臺吊管機牽引力進行測試，根據(jù)實際數(shù)據(jù)、施工方案中計算的力學(xué)數(shù)據(jù)進行牽引設(shè)備數(shù)量的調(diào)整，以保證安全系數(shù)n不小于1.5（即：n=300×3/580.2=1.55，其中580.2 kN為與坡上吊管機連接鋼絲繩拉力，300 kN為1臺90 t的吊管機產(chǎn)生的牽引力）。

3.8.4 管道牽引

坡下各吊管機同時緩緩啟動，當(dāng)牽引鋼絲繩都處于受力狀態(tài)時停止，檢查連接點卡環(huán)和鋼絲繩是否正確連接，鋼絲繩是否擰股，確定沒有問題時正式開始牽拉。

在坡下吊管機牽引的同時，坡頂移位吊管機將坡上尾部彎頭吊離地面，當(dāng)管道緩緩行走，尾溜吊管機牽引鋼絲繩處于平直狀態(tài)時，暫停坡下的牽拉，檢查坡上尾溜鋼絲繩的使用卡環(huán)、鋼絲繩是否正常。若沒有問題則逐步撤離吊裝吊管機，牽引吊管機繼續(xù)牽拉，尾溜吊管機在半受力狀態(tài)下緩緩前行。

預(yù)制管道開始上翹時管道尾溜鋼絲繩受力最大，管道處于最危險狀態(tài)，這時尾溜吊管機鋼絲繩均要處于受力狀態(tài)，通過吊管機現(xiàn)場操作控制鋼絲繩張緊程度，使吊管機鋼絲繩均勻受力。坡下吊管機緩緩向前行走，坡上尾溜吊管機緩緩行進，預(yù)制管前端慢慢貼向管溝溝底，通過坡下吊管機的緩慢牽引，坡上尾部吊管機在工作狀態(tài)下，前端懸空管段由懸空狀態(tài)緩慢接觸溝底，直至完全貼向管溝。

當(dāng)管段完全貼向管溝后，進入溜管狀態(tài)，在坡頂和坡下吊管機的相互配合下，實現(xiàn)坡頂?shù)狡履_的溜管，最后管段全部進入管溝。

在整個作業(yè)過程中，現(xiàn)場需有經(jīng)驗的專職起重人員進行指揮，站在坡頂拐角能夠看清所有吊管機作業(yè)的地點，通過鋼絲繩的張緊狀態(tài)判斷吊管牽引和尾溜的工作情況，決策各個吊管機的工作狀態(tài)。所有吊管機操作手、現(xiàn)場指揮和安全員全部配備對講機，達到管段從發(fā)送到就位過程統(tǒng)一協(xié)調(diào)的目的，保證管段的順利就位。同時，指揮員、安全員要確保站在設(shè)備作業(yè)路徑之外的安全地點，作業(yè)工人完成輔助工作后撤離至安全地帶。

4 結(jié)束語

對于口徑大、質(zhì)量大的鋼管陡坡全自動焊接施工，采用本工法溜管下溝，保證了施工進度和施工安全，減少了對環(huán)境的破壞，同時節(jié)約了施工成本，這種工藝具有明顯的“安全、節(jié)省、環(huán)?！眱?yōu)勢，解決了全自動焊接在大陡坡地段施工的困難，其經(jīng)驗可為以后類似工程提供借鑒。