Patrind水電站壓力鋼岔管制作與安裝過程控制

劉冬梅

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 510000)

巴基斯坦Patrind水電站位于Kunhar河上，總裝機容量為3×50 MW，單機額定流量為51.22 m3/s，工程由攔河閘壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、出線系統(tǒng)、導(dǎo)流洞等建筑物組成，其中引水發(fā)電建筑物包括進水口、引水隧洞、調(diào)壓井、高壓豎井、下平段壓力鋼管、地面廠房等建筑物。在廠房上游側(cè)約18.5 m處設(shè)有1段對稱四通無梁壓力鋼岔管(如圖1)，將1條引水鋼管分岔為3條鋼支管，鋼岔管主管內(nèi)徑為D=5.5 m，支管內(nèi)徑為d=3.2 m，公切球半徑R=4.031 m。鋼岔管承受內(nèi)水頭(含水擊壓力)為164.7 m(1.616 MPa)，HD值約905.85 m·m，鋼岔管整體尺寸規(guī)模較大。結(jié)合Patrind水電站壓力鋼岔管制作與安裝實際，對其質(zhì)量控制要點進行探討，以期為我國今后大型岔管的制造積累現(xiàn)實經(jīng)驗。

圖1 壓力鋼岔管現(xiàn)場安裝圖

1 整體制作方案

結(jié)合Patrind工地現(xiàn)場的條件和進場道路交通狀況，在工地現(xiàn)場搭設(shè)一臨時廠房進行壓力鋼岔管制作，即在中國境內(nèi)廠房采購、下料后，運至巴基斯坦境內(nèi)的廠房進行卷圓、焊接。

考慮管材運輸?shù)慕?jīng)濟性與可靠性，并結(jié)合制作設(shè)備投入的安排，制作方案擬在國內(nèi)采購所需管材，在國內(nèi)廠房按鋼管管節(jié)的分塊瓦片展開厚度、寬度及長度進行下料、切割，并留適當?shù)臋C加工坡口余量，切割好的鋼板在國內(nèi)廠房進行鋼板表面除銹(鋼板表面預(yù)處理)，管節(jié)瓦片鋼板的內(nèi)表面涂裝車間底漆，經(jīng)檢驗合格的已加工好鋼板運輸至巴基斯坦Patrind水電站工地現(xiàn)場的鋼管制作車間，在工地現(xiàn)場的鋼管制作車間進行管節(jié)的卷弧成圓，并在出廠前完成加勁環(huán)對裝、焊接及灌漿孔切割等作業(yè)(制作流程如圖2)。

圖2 壓力鋼岔管制作流程

1.1 鋼板的采購及下料

由于鋼管的最大直徑為5.5 m，展開周長為17.3 m，為盡可能減少縱焊縫，將每管節(jié)控制在2條或3條縱縫，即每管節(jié)分成2個或3個瓦片，分別卷制合格后，再在對管平臺上進行對圓，因此鋼板采購時須有比較嚴格的定尺要求。根據(jù)各管節(jié)的展開尺寸，要求每張鋼板下料時還得考慮到對圓時縱縫及橫縫的焊接收縮余量[1]。并根據(jù)每張板材下料尺寸，用油漆在鋼板的兩面按設(shè)計圖紙寫上編號。

1.2 鋼板卷制

為防止鋼板在卷制過程中產(chǎn)生變形，在卷板機進板側(cè)設(shè)置平行卷板機底輥的滾筒，使鋼板不出現(xiàn)下彎現(xiàn)象。板料在上下輥之間的位置須放正，使板料上畫好的中心線與下輥的中心線保持平行。管線弧度的偏差(主管I.D=5 500 mm，采用弦長為1.5 m或以上的樣板進行檢測，支管I.D=3200 mm，采用弦長為1.0 m或以上的樣板進行檢測)應(yīng)符合規(guī)范要求，超規(guī)范的須進行修改。

1.3 縱縫、管節(jié)及環(huán)縫對接

鋼管的管口平面度控制在2 mm之內(nèi)，方可進行縱縫焊接(用埋弧自動焊焊接)。焊接完成24 h后進行無損探傷，合格后方進入下一道工序。在鋼管的圓周上，每節(jié)鋼管分別卷成合格的2個或3個瓦片后，將在對管平臺上進行組圓?？紤]到運輸及工地安裝的焊接工作量，出廠前將2～4節(jié)鋼管拼成一安裝單元，因此在制造廠房內(nèi)進行大量的環(huán)縫焊接(采用滾焊臺車配合埋弧自動焊進行焊接)。管節(jié)對接時將每相鄰兩節(jié)管的縱縫至少錯開500 mm。外觀檢查合格后，對一類焊縫進行無損探傷。

2 壓力鋼岔管的制作

2.1 球形岔管的制作

Patrind水電站壓力鋼管岔管是一種四通的無加強梁、無月牙肋和無補強板的岔管，是完全由殼片組成，其結(jié)構(gòu)合理，受力性能優(yōu)越，且該結(jié)構(gòu)用材較省，所占空間小。該四通的無梁式岔管，分別將主管的水流引到三條支管(平面圖如3所示)。該結(jié)構(gòu)由2個球殼片和12個錐管、3個直管組成，其中心體為內(nèi)徑8 062.6 mm的球體，在主管中心線方向通過直管4、錐管3、錐管2及錐管1與球殼相切；1號支管通過錐管9、10、11、直管12與球殼連接，其中錐管9與球殼相切；2號支管通過錐管5、6、7、直管8與球殼連接，其中錐管5與球殼相切；3號支管通過錐管9、10、11、直管12與球殼連接，其中錐管9與球殼相切。

該無梁岔的1、5、9管節(jié)、Y球殼在國內(nèi)工廠下料、坡口加工、壓制與卷制成形，并對以上的部件進行整體預(yù)組裝，整體尺寸和形狀經(jīng)檢查合格后，拆散發(fā)運至Patrind水電站工地現(xiàn)場。其余的2、3、6、7、10、11共計8節(jié)錐管與4、8、123節(jié)直管在國內(nèi)工廠下料、防腐、坡口加工后直接包裝發(fā)運至Patrind水電站工地現(xiàn)場，在工地現(xiàn)場卷板后進行組裝、焊接。整個無梁岔在安裝現(xiàn)場進行整體組裝、焊接及水壓試驗。

圖3 壓力鋼岔管平面圖

2.2 球殼熱壓成形工藝

球殼采用經(jīng)調(diào)質(zhì)(正火+回火)的鋼板，然后進行熱壓，始壓溫度為980℃，終壓溫度為880℃，壓制設(shè)備為3 000 t的油壓機。Y球殼的球半徑為4 031.3 mm，外形展開尺寸為7 083.4 mm×7 344 mm，由于外形尺寸較大需要分塊進行下料并熱壓成型。對以上部件進行整體預(yù)組裝，檢查合格后拆散發(fā)運至Patrind水電站工地現(xiàn)場。球殼的拼裝焊縫應(yīng)盡量地避免十字形焊縫的出現(xiàn)。

2.3 無梁岔焊接

由于無梁岔的焊接全部為一類焊縫，施工前先將坡口兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的鐵銹、油垢及水跡清除干凈，使之露出金屬光澤，并對全部焊縫進行焊前預(yù)熱(采用履帶式電熱片加熱，Q345R鋼預(yù)熱溫度為100～120℃)。溫度測量采用紅外線測溫槍，測點設(shè)于焊縫兩側(cè)100 mm處。焊接采用多層多道焊，焊接過程中層間溫度不低于100℃。施焊時為減少無梁岔焊接變形，采用以下工藝進行控制：①對稱、分段均勻施焊，分段長度為200～400 mm；②先焊內(nèi)側(cè)焊縫，當完成內(nèi)側(cè)焊縫時，對外側(cè)坡口用碳弧氣刨清根，并對清根后的內(nèi)側(cè)焊縫進行100%超聲波探傷檢查，最后焊接外側(cè)焊縫；③每條焊縫焊接完成后進行后熱處理，后熱溫度為250～350℃，并保溫1～2 h。無梁岔的全部焊接焊縫進行100%超聲波探傷。

2.4 無梁岔水壓試驗

為檢驗鋼岔管制作及焊接施工質(zhì)量，驗證結(jié)構(gòu)的可靠性，并削減焊接殘余應(yīng)力及不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力[2]，岔管焊接探傷經(jīng)檢查合格后，可進行水壓試驗(試驗所需材料和設(shè)備如表1)。水壓試驗前，完成封堵悶頭的焊接并采用超聲波探傷，以保證試驗的安全性。根據(jù)設(shè)計文件，設(shè)計水頭(含水擊壓力)為164.7 m(1.616 MPa)，水壓試驗最大壓力按1.25倍設(shè)計最大內(nèi)水壓推算，為205.875 m(2.02 MPa)。水壓試驗水溫保證在5℃以上。試壓時，分級加載緩緩升壓至工作壓力，保持30 min以上，并對無梁岔進行檢查，觀察壓力表指針是否保持穩(wěn)定。情況正常時，允許繼續(xù)加壓，加壓速度以不大于0.05 MPa/min為宜。升至最大試驗壓力，保持30 min以上，此時壓力表指示的壓力無變動。然后下降至工作壓力，保持30 min以上，整個試驗過程中無滲水和其他異常情況。

表1 水壓試驗所需設(shè)備及材料

3 壓力鋼岔管的安裝

3.1安裝流程

卸車位置布置在鋼岔管前，即洞口位置，始裝管節(jié)為鋼管最上游的管節(jié)(定義為1號管節(jié))。由上游往下游順序安裝，鋼管的進入方向由岔管位置向上游進入(即由下游向上游推進)。在岔管前，預(yù)留6～12 m直管作為“湊合節(jié)”，完成岔管安裝后，再進行該湊合節(jié)的安裝，但該湊合節(jié)位置的頂部須完全開挖，為明管。最后安裝最下游端的彎管及支管。安裝流程如圖4，具體安裝順序如下。

圖4 壓力鋼岔管安裝流程圖

1)第一階段的鋼管安裝(始裝節(jié)安裝)：用車間的門機吊裝主管1號管節(jié)到運輸平車上并加固，運至壓力隧洞前。采用汽車吊將鋼管吊起，脫離車廂板后平車駛開，將運輸鋼管用的臺車推至鋼管的正下方，將鋼管吊放上臺車上并加固。用卷揚機將臺車牽引進入壓力洞內(nèi)，直至合適的安裝位置，采用4個32 t液壓千斤頂同步徐徐將壓力鋼管升至準確的高程后，進行鋼管的支撐加固。

2)第二階段的鋼管安裝：安裝完主管1號管節(jié)后，進行主管2號～主管3號管節(jié)的安裝，外側(cè)不再加固支撐，僅在底部進行支撐性的加固。主管2號鋼管安裝后，再安裝主管3號鋼管(其中最后一節(jié)主管3號鋼管及主管4號～8號鋼管作為預(yù)留湊合節(jié))。

3)第三階段的安裝：先進行岔管拼裝及安裝定位，此階段為整個安裝工程最為關(guān)鍵也是難度最高的一環(huán)。由于岔管由18個管節(jié)組成，重量過大，因此在安裝位置直接組裝。組裝過程中，隨時檢查其高程、里程、圓度等，合格后才進行焊接。之后安裝岔管的三條支管，安裝方法與第二階段的主管2號、主管3號管的安裝方法相同，即在前一管節(jié)的基礎(chǔ)上進行安裝，并在底部進行支撐性的加固。支管的運輸通道為各自的下游出水口端。

4)第四階段的鋼管安裝：安裝預(yù)留的湊合節(jié)(即主管3號管節(jié)的最后一節(jié)與主管4號～主管8號鋼管)，包括岔管三條支管與岔管的連接處的湊合節(jié)。

3.2 就位及管節(jié)加固

壓力鋼岔管管節(jié)運輸至適當?shù)奈恢煤螅ㄟ^液壓千斤頂將鋼管(托架)進行頂起，然后將平車移出，利用千斤頂進行管節(jié)高程的調(diào)節(jié)[3]。鋼岔管在洞內(nèi)卸車后，水平高程可以通過底部布置的液壓千斤頂進行調(diào)整，而水平方向同樣可通過千斤頂進行調(diào)整。

在主管段，距管線中心兩側(cè)1 500 mm的沿線上，每隔1.5 m需埋設(shè)兩支平行的φ22錨筋(或型鋼、鋼板)，即預(yù)埋錨筋橫向間距宜為3 m，加固型鋼的高度為1 338～1 538 mm，縱向間距為1.5 m。同時，在支管段距管線中心兩側(cè)1 000 mm的沿線上每隔1.5 m需埋設(shè)兩支平行的ф22錨筋或型鋼，露出混凝土底板100 mm，作加固用途。支管段的加固方案與主管段類同。

4 壓力鋼岔管的質(zhì)量控制

4.1 焊接質(zhì)量控制

鋼岔管的焊接質(zhì)量對工程的可靠性和耐久性具有直接影響[4-5]。對于材料Q345R鋼管的焊接材料，氣體保護焊選用實芯焊絲型號為ER50-6，氣體采用CO2氣體；埋弧自動焊選用焊絲H08MnMoA，焊劑選用HJ431；焊條電弧焊選用E5015型號。焊接過程中，工藝及措施嚴格按工藝評定執(zhí)行，但考慮到設(shè)定的制造方案，鋼管是在國內(nèi)下料并形成坡口。在運輸至巴基斯坦廠房后，為最大程度提高焊接質(zhì)量，在焊接前，須使用磨光機將坡口位置的銹跡刮除，該過程不能刮傷非坡口位置的其它木材。

鋼板的切割采用火焰切割。切割方法有兩種，一是采用半自動切割機進行施工，此為該項目鋼板的主要切割方法；另一種為手工切割，手工切割由熟練切割工擔任，該方法主要用于灌漿孔的切割及一些非規(guī)則鋼板的切割。所有坡口形成后，坡口上不得有裂紋，邊緣上的毛刺、卷邊、熔渣等應(yīng)去掉。坡口不符合要求時，需用砂輪機進行修正。

4.2 防腐控制

該工程的防腐任務(wù)是對鋼管內(nèi)壁涂刷底漆及面漆。防腐工作分為兩個部分，其一為在國內(nèi)廠房的板材底漆防腐，其二為在巴基斯坦廠房對圓焊接后的面漆防腐。國內(nèi)防腐工作是將下料后的合格板塊內(nèi)壁按防腐要求進行噴砂除銹，并涂刷底漆，而后運輸至巴基斯坦廠房進行卷圓；在巴國廠房卷圓并焊接完成后，將焊縫位置除銹處理合格，涂刷底漆；當壓力鋼管安裝并焊接完成后，再進行環(huán)縫位置底漆的涂刷，以及鋼管全內(nèi)壁進行防水防滲面漆的涂刷。

4.3 運輸過程控制

產(chǎn)品的運輸順序根據(jù)鋼岔管的安裝計劃進行。在運輸過程中，各管段的端部采用槽鋼進行支撐加固，防止易變形的管端部發(fā)生變形。各制造項目的成品進行配套運輸，產(chǎn)品防腐后，用油漆筆在管端部約300 mm位置標明該管段的品名、編號、外形尺寸、重量、水流方向等。對于零部件的裝箱運輸，箱外銘牌須標明裝箱的品名、規(guī)格及數(shù)量等。而管節(jié)等的運輸加固采用手拉葫蘆加固，并用木方條等作墊，避免管節(jié)與車箱板直接發(fā)生接觸。手拉葫蘆鏈條與鋼管節(jié)的接觸采用薄木板作墊，以增大接觸面積，防止滑動并避免意外變形。

5 結(jié) 語

Patrind水電站壓力鋼岔管體型尺寸較大，焊接、拼裝及定位等均有一定難度。通過制定國內(nèi)采購、下料，在巴基斯坦境內(nèi)進行管道制作與組裝的方案，縮短了壓力鋼岔管的制作周期，有力推進施工生產(chǎn)，確保了工程質(zhì)量。同時，結(jié)合壓力鋼岔管的制作與安裝實際，對主要質(zhì)量控制要點進行了探討。實踐表明，Patrind水電站壓力鋼岔管制作工藝先進，安裝質(zhì)量優(yōu)良，施工后無質(zhì)量缺陷產(chǎn)生，獲得了業(yè)主的好評。項目的實施可為我國今后壓力鋼岔管的制造與安裝積累生產(chǎn)經(jīng)驗。