抽蓄電站管道預(yù)制解決措施及預(yù)制廠規(guī)劃建議

施小雷

（中國水利水電第七工程局有限公司安裝分局，四川 彭山 620860）

1 工程建設(shè)面對的問題及趨勢

根據(jù)國家能源局抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃，2021 年至2035 年，全國規(guī)劃抽水蓄能總裝機規(guī)模7.26 億kW。其中“十四五”計劃核準(zhǔn)項目214 個，重點實施項目規(guī)模2.71 億kW，計劃開工1.6 億kW，投產(chǎn)總規(guī)模在6200萬kW 以上；“十五五”重點實施項目規(guī)模1.2 億kW，計劃開工8000 萬kW，投產(chǎn)規(guī)模1.2 億kW 左右。結(jié)合國家碳達峰、碳中和的政策目標(biāo)，到2035 年，形成能夠配套新能源高比例大規(guī)模發(fā)展需求，技術(shù)質(zhì)量先進、管理效益優(yōu)質(zhì)、國際競爭力強的抽水蓄能現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)，培育形成一大批抽水蓄能大型骨干企業(yè)。抽水蓄能電站在建設(shè)過程中，全廠輔助油、水、氣系統(tǒng)管道型號多（DN15mm～DN650mm），管件種類雜（包含變徑、三通、彎頭、變徑三通、四通等），布置范圍廣，再加上配裝受施工環(huán)境、施工方法、交叉作業(yè)等因素限制，使得作業(yè)人員勞動強度高、管路安裝進度慢、現(xiàn)場焊縫質(zhì)量優(yōu)良率低、外觀成形不美觀，主要施工方法與20 年前施工方法基本相同，主要表現(xiàn)在以下5 個方面。

（1）抽水蓄能機組各層水力機械輔助管路系統(tǒng)管徑種類多，管路介質(zhì)種類包含技術(shù)供排水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)、檢修排水系統(tǒng)、供排油系統(tǒng)、中低壓氣系統(tǒng)、主機附屬管路等，管路布置方向橫縱交叉，且管路表現(xiàn)在多份不同的二維施工藍圖中，二維模型不直觀、圖紙供應(yīng)不及時、圖上管路布置分散，很容易造成管路漏埋、錯埋。其次現(xiàn)場按照圖紙分段安裝，無法整體性考慮管路布置，不能對現(xiàn)場管路安裝做出整體性規(guī)劃，安裝耗費不必要的人力及物力[1]。

（2）蓄能電站管路承壓高（0.4MPa～20MPa），管壁類型多（1～18mm）。傳統(tǒng)施工現(xiàn)場多采用切割機、角磨機、氣槍等設(shè)備進行管路的切割和坡口加工，效率低。切口扭斜，垂直度差，毛刺多，角度不一，多數(shù)要采用二次打磨勉強滿足現(xiàn)場對縫要求，增加了后續(xù)焊縫組對、焊接的困難度?，F(xiàn)場作業(yè)危險源多，現(xiàn)場角磨機保護外殼丟失，設(shè)備接地不可靠，電源設(shè)備老化、保護裝置不全，作業(yè)人員不帶護目鏡作業(yè)等安全問題突出。目前現(xiàn)場焊接大多仍舊采用手工電弧焊和氬弧焊兩種焊接方式，效率低且焊接質(zhì)量缺陷率高，焊縫內(nèi)外易出現(xiàn)焊瘤、毛刺，給后續(xù)管路清潔和涂裝增加了較大的工作量[2-3]。

（3）目前在水電站機組水力機械輔助管路系統(tǒng)進行分段管路管口錯牙調(diào)整時，一般通過人力配合起重設(shè)備調(diào)整或在管壁外側(cè)焊接楔形壓縫塊進行調(diào)整。這兩種管口錯牙調(diào)整方法存在的主要缺點：①電站機組輔助系統(tǒng)中壓管路壁較厚，技術(shù)供排水管路管徑大，管路重量大，因此人工調(diào)整效率低費時費力，作業(yè)人員緊靠管路調(diào)整容易受到擠壓，安全風(fēng)險大。②拉拽安裝后管路始終受到外力，在運行過程中存在安全隱患。③管路焊接楔形壓縫塊的高溫對管路母材影響大，拆除壓縫塊時容易造成焊縫撕裂母材的情況，影響管路質(zhì)量及承壓等級。

（4）為保證機組軸承運行穩(wěn)定，機組油系統(tǒng)管路內(nèi)部清潔度要求較高，不銹鋼管路現(xiàn)場制作焊接完成后，需要進行酸洗鈍化，去除管路的焊斑、藥皮、油脂等污垢，一般在現(xiàn)場制作一個耐腐蝕的酸洗鈍化池，使用硝酸或其他無機酸液在現(xiàn)場進行調(diào)配，酸洗液的濃度和成分的比例根據(jù)管道的銹蝕程度和酸洗用水的水質(zhì)確定，將待酸洗鈍化的管路運輸?shù)轿缓?，依次吊入配置好的酸洗鈍化池內(nèi)浸泡酸洗，浸泡時間一般為5～20min直至管路焊縫及外表呈現(xiàn)白色腐蝕光潔度為止，作業(yè)人員佩戴好安全防護用品，將管路依次吊出沖洗，管道沖洗用水必須干凈，使用高壓水槍對管道內(nèi)外全面沖洗，沖洗完成后，用壓縮空氣吹干管路，壓縮空氣必須干燥、潔凈，最后使用潔凈布對管路兩端管口可靠封堵保護。水電站油系統(tǒng)管路酸洗量大，人工酸洗效率低，且作業(yè)人員需直接與酸洗鈍化液接觸，酸洗鈍化液腐蝕性極強，安全風(fēng)險大。

（5）電站系統(tǒng)中輔機管路既有預(yù)埋管路，又有明裝管路，管路布置復(fù)雜、安裝施工時段貫穿整個建設(shè)周期，施工作業(yè)點多面廣，人力及物力資源分散投入。隨著抽蓄電站發(fā)展提速，管道安裝施工工期不斷縮小，為了提高管路制作焊接質(zhì)量及進度，要求焊接實現(xiàn)機械化和自動化顯得非常迫切。

2 解決措施

2.1 設(shè)計管理方面

針對抽水蓄能機組各層水力機械輔助管路系統(tǒng)管徑種類多，采用三維管道預(yù)制設(shè)計軟件，改變常規(guī)使用的二維設(shè)計方法，能快速輕松的創(chuàng)建3D 管路模型圖或?qū)?D 管路圖，3D 模型美觀和直觀感覺較好，建立電站常用管路、管件模型數(shù)據(jù)庫，需要裝配調(diào)用時，只需要輸入相應(yīng)的規(guī)格尺寸，便可自動生成一比一的三維模型，通過軟件功能能夠自動生成所有管道安裝施工圖及材料表的三維設(shè)計方法。通過自動焊接、切割設(shè)備限制尺寸、運輸條件、現(xiàn)場安裝條件、吊物孔尺寸等進行管路優(yōu)化分解，以最優(yōu)的方式形成管路材料表。管路模型與廠房及其他專業(yè)深度融合，根據(jù)管路安裝部位、管路的走向、檢查與其他設(shè)備安裝位置、土建混凝土分倉結(jié)構(gòu)等的干涉情況提前進行修改調(diào)整。通過3D 模型能夠快速出具具體施工部位的管路安裝圖，工人按照三維安裝圖施工，快速明了，能夠有效地節(jié)省大量的時間，以提升效率。從源頭上提高了設(shè)計質(zhì)量的一個非常有效的手段。

2.2 設(shè)備選型管理

管道工廠化預(yù)制和成套自動焊接生產(chǎn)線技術(shù)，以其施工周期短、勞動生產(chǎn)效率高、焊接合格率高的優(yōu)勢，已受到國內(nèi)同行業(yè)的充分重視。管道工廠化預(yù)制是運用現(xiàn)代化、機械化的加工將管道施工中的下料、坡口制備、對口、焊接等大部分工作通過工廠化批量預(yù)制來滿足越來越高的施工質(zhì)量要求、進度要求，并降低人工成本，將機械使用率最大化、最合理化，根據(jù)抽蓄電站輔機管路的特性，管路預(yù)制生產(chǎn)線管徑使用范圍在DN50mm～DN650mm，系統(tǒng)設(shè)備主要包括以下四大部分：自動定長下料設(shè)備1 套、自動坡口機1 套、多功能快速組隊機2 套、全位置自動焊接設(shè)備設(shè)備2 套、設(shè)備間流水線運輸系統(tǒng)1 套，在具體數(shù)量選擇過程中，可根據(jù)項目管道工程量進行增減，具體設(shè)備選型如下。

2.2.1 管道切割帶鋸床

帶鋸床采用PLC 控制，主要部件包括床身、底座、立柱；鋸梁和傳動機構(gòu)；導(dǎo)向裝置；張緊裝置；工件夾緊；送料系統(tǒng)；液壓傳動系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)；潤滑及冷卻系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)由泵、閥、油缸、油箱、管路等元件組成的液壓回路，在電氣控制下完成鋸梁的升降，工件的夾緊，通過調(diào)速閥可實行進給速度的無級調(diào)速，達到對不同材質(zhì)工件的鋸切需要。

2.2.2 RGV 物流小車

四軸RGV 物流輸送小車共有四軸方式，分別是往返行走（軌道上）、數(shù)控托舉、滾動和回轉(zhuǎn)。承載5t，配備上料緩存區(qū)、小料緩沖區(qū)。物流小車到上料緩存區(qū)實現(xiàn)上升托舉接料，物流小車到下料緩存區(qū)實現(xiàn)上升托舉卸料。物流小車?yán)媒?、直流伺服電動機驅(qū)動，小車在廠房鋪設(shè)的軌道上進行往復(fù)運動。

2.2.3 數(shù)控端面自動坡口機

坡口機機通過數(shù)控系統(tǒng)對設(shè)備進行控制，應(yīng)用差動徑向自動進刀和軸向電動自動進刀原理相配合的管子端面坡口加工機床。加工時管材通過液壓馬達及絲桿左右同步對中夾緊管子，利用銑削動力頭帶動刀具旋轉(zhuǎn)進行坡口加工，徑向差進刀電動退刀和軸向伺服電機進刀、退刀，實現(xiàn)加工過程的全自動控制。

2.2.4 多功能快速組對機

主要由多功能組對機、法蘭組對機、管道支撐接料車、導(dǎo)軌等組成。組對工裝能夠?qū)崿F(xiàn)管子與法蘭、彎頭、三通等管件的快速組對功能，通過工裝的各方位的調(diào)整能夠保證管子與管件的相對位置（間隙、錯牙）符合要求。組對系統(tǒng)上下升降機構(gòu)主要通過蝸輪蝸桿升降機、T 型絲桿、電機、減速機搭配組成，前后移動通過電動絲桿絲母及滑板組成。管子上料通過緩存物流輥道線自動上料到管道支撐接料車上（管子≥1500mm）或通過行起重機將管子吊裝到管道支撐接料車上，管件放在組對平臺上，即可以進行組對作業(yè)。

2.2.5 管道自動打底填充蓋面焊機

焊機主要由管鉗系統(tǒng)、自動焊接操作架、多功能焊接電源、高頻引弧器、弧長橫擺電動滑架、自動焊接控制系統(tǒng)、電纜總成、水冷焊槍、自動送絲機等組成，管道焊接時管鉗系統(tǒng)夾持著工件按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，夾持部分能夠保證工件和卡盤的同軸，較大程度地緩解了管件的橢圓度及被焊工件軸向竄動對焊接效果的影響，操作架是安裝焊槍位置控制裝置的主體部件，能夠?qū)崿F(xiàn)上下、前后平穩(wěn)移動，定位準(zhǔn)確?；￠L橫擺電動滑架與電源和控制系統(tǒng)配套使用，可實現(xiàn)對電弧垂直和水平位置的精密控制，滑架由兩件互成十字相連的滑板組成，滑架的調(diào)整移動由步進電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，再由螺母帶動滑板移動，在外層十字滑架的移動塊上固定支承板、焊槍座、焊槍以及送絲支架等零部件，弧長滑架和橫擺滑架分開單獨安裝和應(yīng)用，在焊接過程中可通過控制按鈕點動調(diào)節(jié)焊槍水平和垂直位置。焊槍采用內(nèi)置水冷方式，集水、電、氣管于一體，主要由槍體、鎢極夾、分流器、陶瓷噴嘴、鎢極等組成。該系統(tǒng)可對焊接速度，焊槍擺動寬度、擺動速度，焊接行程等焊接參數(shù)進行系統(tǒng)化、數(shù)字化的設(shè)定，在焊接過程中，可適時對整個系統(tǒng)參數(shù)進行全面掌握。

3 管路工廠化預(yù)制系統(tǒng)平面規(guī)劃

參考化工等行業(yè)管道工廠化預(yù)制系統(tǒng)成功的經(jīng)驗，選用工廠型管道預(yù)制模式。管道預(yù)制工藝如下：管子吊到定長系統(tǒng)輥道上→定長進料→鋸床切斷管子→物流RGV 小車運載管子到坡口機→高速坡口機夾緊工件→進行數(shù)控CNC 坡口端面加工→坡口機松開工件→管子經(jīng)RGV 運載小車將管子輸送到緩存輥道上（多根可以放到緩存輥道上）→緩存輥道自動上管到快速組對機上進行組對→將組對好的工件吊裝到中轉(zhuǎn)料架上（或料框中）→人工將中轉(zhuǎn)料架上組對好的工件吊裝到自動焊接系統(tǒng)上進行焊接→將焊完的工件吊至成品貨架上。

根據(jù)上述工藝對管路預(yù)制工廠進行規(guī)劃。預(yù)制化工廠建設(shè)場地為考慮降低成本，在電站建設(shè)過程中在工期避開的情況下，可考慮使用電站鋼管制造廠或倉庫等其他建筑進行相應(yīng)改建，工廠規(guī)劃具體要點如下：

生產(chǎn)區(qū)域四周預(yù)留通道，預(yù)制化工廠的生產(chǎn)區(qū)、成品暫存區(qū)、原材料倉儲區(qū)等工廠內(nèi)分區(qū)布置，具體如下。

（1）生產(chǎn)區(qū)面積可建設(shè)在1000～1200m2，生產(chǎn)區(qū)包括設(shè)備區(qū)（定長下料區(qū)、坡口加工區(qū)、組對區(qū)、焊接區(qū)）、材料暫存區(qū)、多媒體展示區(qū)、成品展示區(qū)、工具擺放區(qū)、消耗材料區(qū)、氬氣暫存區(qū)、成品暫存區(qū)、休息及辦公室。工廠生產(chǎn)區(qū)（除龍門吊行走區(qū)域）地面采用環(huán)氧自流平。

（2）成品堆放區(qū)面積為847m2（38.5m×22m），共分5 排布置，每排6.5m 寬，排與排間距1m，中間留出4m寬通道供運輸車進入。材料倉儲區(qū)面積為990m2（45m×22m），分為材料及成品裝卸區(qū)、材料存放區(qū)。材料及成品裝卸區(qū)為15m×5m，僅做為裝、卸車使用，不作為材料存放場地，中間留出4m 寬通道供大車進入；材料存放區(qū)面積分別為735m2。

（3）工廠內(nèi)設(shè)置1 個尺寸為5.7m×2.1m×2.2m 集裝箱做為休息、辦公室。工廠內(nèi)布置起重機及手動液壓叉車等設(shè)備。在廠房外設(shè)置管件倉庫、氬氣庫、設(shè)備及消耗性材料倉庫等，面積為100m2/間。冬季寒冷地區(qū)預(yù)制化工廠內(nèi)安裝采暖系統(tǒng)確保環(huán)境溫度在5℃以上，滿足管路焊接對環(huán)境溫度的需求。

（4）預(yù)制工廠的布置必要的二氧化碳及干粉滅火器，并按照要求配置工藝、安全警示等標(biāo)識標(biāo)牌。

（5）工廠預(yù)制生產(chǎn)線設(shè)備應(yīng)布局合理，工廠內(nèi)主要設(shè)備有：定長下料坡口加工生產(chǎn)線、多功能快速組對機、管道自動打底填充蓋面焊接系統(tǒng)、控制軟件系統(tǒng)及其他輔助設(shè)施[4-5]。

4 結(jié)語

管路預(yù)制工廠化的實質(zhì)是實現(xiàn)管路制作與現(xiàn)場安裝工序互不干擾并行施工，并且提高管路制作焊接質(zhì)量，把該在現(xiàn)場的施工內(nèi)容提前轉(zhuǎn)移到管路預(yù)制工廠內(nèi)或同時預(yù)制完成，利用不同的高效率的機械設(shè)備之間的配合來完成管路預(yù)制流水線生產(chǎn)。在抽蓄電站輔機管路制作及安裝時可參照采用上述技術(shù)及設(shè)備布置，該布置自動化程度高，預(yù)制效率高、質(zhì)量和安全能夠保證。