高濕度環(huán)境下壓力鋼管快速制作安裝技術(shù)

蔡汝明

（中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 南平 353000）

1 工程概況

曼維萊水電站位于喀麥隆南部緊鄰赤道幾內(nèi)亞的恩特姆河（NTEM）上，地處熱帶叢林地區(qū)，距喀麥隆南部大區(qū)首府埃博洛瓦（EBOLOWA）約168 km，距首都雅溫得（YAOUNDE）約340 km。曼維萊水電站采用引水徑流式開發(fā)，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，最大引水流量450 m3/s，電站安裝4臺立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為211 MW。

該電站引水方式均為一機(jī)一管引水。壓力管道由4根平面上呈平行布設(shè)的外包鋼筋混凝土壓力鋼管組成，鋼管中心線間距為20.0 m，單機(jī)設(shè)計(jì)引用流量112.5 m3/s，相應(yīng)管內(nèi)最大流速3.98 m/s。單條壓力鋼管軸線長度為118.548 m，鋼管材料采用Q345R，壁厚18~24 mm。壓力管道在上平段及斜管段處210°頂拱充填聚胺脂軟木墊層20 mm作彈性墊層。鋼管制作安裝工程量分布情況見表1。壓力鋼管布置圖見圖1。

圖1 壓力鋼管管節(jié)劃分示意圖

表1 鋼管制作安裝工程量分布表

2 壓力鋼管制作

2.1 鋼管拼裝廠布置

鋼管拼裝廠布置在曼維萊水電站附近的1號施工營地內(nèi)，廠房外側(cè)的R6道路通往廠房。鋼管拼裝廠布置圖如圖2所示。

圖2 壓力鋼管拼裝廠布置圖

2.2 制作方案簡介

在曼維萊水電站工地的鋼管拼裝廠完成鋼管瓦片組圓、管節(jié)縱縫焊接、加勁環(huán)焊接、鋼管內(nèi)支撐加固焊接、環(huán)縫焊接、鋼管噴砂防腐等工作。4條壓力鋼管瓦片卷制以及加勁環(huán)等附件均在國內(nèi)加工完成。通過海運(yùn)、公路運(yùn)輸?shù)葘毫︿摴芡咂约凹觿怒h(huán)等附件運(yùn)至喀麥隆曼維萊工地。

在鋼管拼裝廠采用30 t平板拖車將制作合格的鋼管運(yùn)輸單元運(yùn)至廠房安裝間和上平段平臺等安裝位置進(jìn)行安裝。

壓力鋼管管節(jié)按水流方向進(jìn)行編號，從進(jìn)水口起始節(jié)編為1號，廠房蝶閥層編為63號，一條壓力鋼管共63節(jié)管節(jié)，1號機(jī)第一節(jié)管用“1-1號”表示，1號機(jī)最后一節(jié)管用“1-63號”表示。壓力鋼管管節(jié)劃分見圖1。

根據(jù)鋼管拼裝廠25/10 t門機(jī)起吊高度和起吊重量，現(xiàn)場K80塔吊結(jié)合100 t汽車吊吊裝鋼管的能力，以及K80塔吊在2015年11月30前必須拆除，決定將鋼管制作成由3節(jié)管節(jié)組成的吊裝單元，每條鋼管由21個吊裝單元組成，4條鋼管共84個吊裝單元。最長吊裝單元6 m，最重鋼管吊裝單元（46號~48號）重約22 t。

壓力鋼管各管段與管節(jié)號分布見表2。

表2 鋼管管段與管節(jié)號分布表

2.3 鋼管制作工藝流程

鋼管單個吊裝單元制作工藝流程：鋼管瓦片組圓、加勁環(huán)安裝→鋼管縱縫焊接→鋼管圓度調(diào)整、焊接鋼管內(nèi)支撐→鋼管加勁環(huán)焊接、焊縫檢測→多管節(jié)拼裝、環(huán)縫焊接→環(huán)縫無損檢測→鋼管噴砂、防腐→運(yùn)輸至廠房安裝。

2.4 鋼管吊裝單元劃分

鋼管吊裝單元劃分見表3。

表3 鋼管吊裝單元劃分表

2.5 材料控制

（1）壓力鋼管板材采用壓力容器鋼Q345R鋼板，鋼板表面質(zhì)量、化學(xué)成分及機(jī)械性能應(yīng)符合GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定。

（2）鋼板應(yīng)具有出廠質(zhì)量證明書，當(dāng)鋼板標(biāo)號不清或?qū)Σ馁|(zhì)有疑問時應(yīng)予復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)合格后方可使用[1]。

（3）Q345R鋼材的化學(xué)成分和機(jī)械性能見表4、表5。

表4 Q345R的化學(xué)成分表

表5 Q345R的機(jī)械性能表

2.6 焊接材料

鋼管焊接所選用的焊條、焊絲、保護(hù)氣體等應(yīng)與所施焊的鋼種相匹配[2]，焊條應(yīng)采用低氫型，并與電流特征、材料和焊接位置相適應(yīng)。焊條、焊劑及焊絲等焊接壓力鋼管的全部焊接材料均應(yīng)具有出廠合格證。焊條、焊絲應(yīng)放置于通風(fēng)、干燥的專設(shè)庫房內(nèi)。設(shè)專人保管、烘焙和發(fā)放。并應(yīng)及時做好實(shí)測溫度和焊材發(fā)放記錄。烘焙溫度和時間應(yīng)按焊條說明書的規(guī)定進(jìn)行。烘焙后的焊條應(yīng)保存在100~150℃的恒溫箱內(nèi)，焊條藥皮應(yīng)無脫落和明顯的裂紋?，F(xiàn)場使用的焊條應(yīng)裝入保溫筒，焊條在保溫筒內(nèi)的時間不宜大于4 h，超過后，應(yīng)重新烘焙，重復(fù)烘焙次數(shù)不宜大于2次[2]。

2.7 鋼管管節(jié)拼裝

從國內(nèi)運(yùn)來的瓦片按每節(jié)鋼管由3片瓦片卷制而成。瓦片和加勁環(huán)拼裝點(diǎn)焊前須經(jīng)確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行。瓦片坡口在國內(nèi)鋼管制造廠就已加工好，加勁環(huán)(止水環(huán)、止推環(huán))的內(nèi)、外圓弧半徑、分段數(shù)也已按設(shè)計(jì)圖紙切割好，為預(yù)防瓦片運(yùn)輸變形采用鋼性托架包裝固定，加勁環(huán)(止水環(huán)、止推環(huán)) 按不同半徑、管節(jié)號分成多段整捆包裝。

拼裝場地的平臺平面度按≤1 mm控制。鋼管瓦片、加勁環(huán)吊到平臺上在自由狀態(tài)下用樣板檢查弧度，當(dāng)鋼管為下平段鋼管（D=5 m）時，用弦長1.0 mm樣板檢查，樣板與瓦片間隙應(yīng)≤2 mm。當(dāng)鋼管為上平段、上彎段、斜管段、下彎段（5＜D≤6）時，用弦長1.5 mm樣板檢查，樣板與瓦片間隙應(yīng)≤2.5 mm。鋼管組圓后，D=5 m時管口平面度極限偏差為≤2；D＞5 m時管口平面度極限偏差為≤3。實(shí)際周長與設(shè)計(jì)周長差±3D/1 000，且必須滿足相鄰管節(jié)周長差≤10 mm?？v縫對口錯邊量≤2 mm，環(huán)縫對口錯邊量（δ=18）≤2.7，環(huán)縫對口錯邊量（δ=24）≤3。鋼管焊接后，用樣板檢查縱縫處弧度，當(dāng)D=5 m時縱縫處弧度要求縱縫與樣板（弦長500 mm）的極限間隙≤4mm。當(dāng)5＜D≤6時縱縫處弧度要求縱縫與樣板（弦長D/10 mm）的極限間隙≤4 mm。

管節(jié)拼裝順序如圖3所示。

圖3 管節(jié)拼裝示意圖

組裝成形的鋼管管節(jié)應(yīng)進(jìn)行內(nèi)支撐加固，加固方法采用Φ89焊管加鋼板焊接成米字形支撐，確保內(nèi)支撐與管壁頂緊，保證鋼管有足夠的剛度，防止在運(yùn)輸及存放過程中發(fā)生變形。制作完成的鋼管須用油漆作出安裝標(biāo)記，標(biāo)明其管節(jié)號、水流方向及水平和垂直中心線、兩端管口周長等。鋼管內(nèi)支撐加固、管節(jié)號、安裝標(biāo)記示意如圖4。

圖4 管節(jié)號、安裝標(biāo)記示意圖

2.8 鋼管焊接

在鋼管拼裝廠焊接的焊縫有：瓦片縱縫焊接、管節(jié)與管節(jié)間的環(huán)縫焊接、加勁環(huán)與加勁環(huán)間的對接焊縫、加勁環(huán)與鋼管外壁的角焊縫焊接。

所有擬焊面及坡口兩側(cè)各10~20 mm范圍內(nèi)的氧化皮、鐵銹、油污及其他雜物清除干凈，每一焊道焊完后也應(yīng)及時清理，檢查合格后才能繼續(xù)施焊。

雙面焊接時，在其單側(cè)焊接后應(yīng)進(jìn)行清根并打磨干凈，再繼續(xù)焊另一面。多層焊的層間接頭應(yīng)錯開。每條焊縫應(yīng)一次連續(xù)焊完，當(dāng)因故中斷焊接時，應(yīng)采取防裂措施。在重新焊接前，應(yīng)將表面清理干凈，確認(rèn)無裂紋后，方可按原工藝?yán)^續(xù)施焊。

2.9 鋼管防腐

已制作合格的單元管節(jié)通過100 t汽車吊吊到拼裝廠環(huán)保噴砂房和環(huán)保噴漆房進(jìn)行防腐作業(yè)。

2.9.1 表面預(yù)處理

（1）鋼管內(nèi)壁、外壁的鐵銹、氧化皮、焊渣、油污等采用噴砂除銹法去除。

（2）鋼管內(nèi)外表面預(yù)處理在空氣相對濕度低于85%，基體金屬表面溫度高于露點(diǎn)3℃時施工。

2.9.2 表面涂裝

涂料施工按涂料廠家使用說明書進(jìn)行。用高壓無氣噴涂機(jī)噴涂。

（1）內(nèi)壁

超厚漿型無溶劑耐磨環(huán)氧底漆，噴涂2道，漆膜厚度250 μm；超厚漿型無溶劑耐磨環(huán)氧面漆，噴涂2道，漆膜厚度250 μm。內(nèi)壁漆膜總厚度500 μm。

（2）外壁

超厚漿型無溶劑耐磨環(huán)氧底漆，噴涂2道，漆膜厚度150 μm；超厚漿型無溶劑耐磨環(huán)氧面漆，噴涂2道，漆膜厚度150 μm。外壁漆膜總厚度300 μm。

2.10 鋼管臨時存放

已制作好的鋼管單元臨時存放在鋼管拼裝廠和機(jī)電倉庫之間的空地。鋼管底部繞圓周方向等距墊6根枕木，盡可能使鋼管底部水平。

鋼管廠布置有100 t、55 t汽車吊各一臺，做為鋼管防腐、臨時存放、轉(zhuǎn)運(yùn)的起重設(shè)備。

3 壓力鋼管運(yùn)輸

從壓力鋼管拼裝廠到廠房安裝間公路距離約2 km，到廠房進(jìn)水口上平段處距離約1 km，鋼管運(yùn)輸前先組織專人對路基、彎道半徑、險坡和其他障礙物等進(jìn)行調(diào)查分析，確認(rèn)可行后，方可實(shí)施。運(yùn)輸時在專車引導(dǎo)下將鋼管運(yùn)到安裝現(xiàn)場。4條鋼管共84個運(yùn)輸單元，每個運(yùn)輸單元均由3節(jié)鋼管組焊而成。鋼管管節(jié)采用平放運(yùn)輸，鋼管長度6 m朝向車身長度方向，鋼管管口采用墊層保護(hù)。6 m寬、6 m高屬嚴(yán)重超寬超高運(yùn)輸，運(yùn)輸有一定難度，鋼管裝車時確保鋼管與車身之間用鋼絲繩和手鏈葫蘆拉緊固定牢靠。

鋼管裝車時需檢查鋼管內(nèi)支撐是否牢靠，焊點(diǎn)是否開裂，內(nèi)支撐應(yīng)有足夠的剛度，它除應(yīng)起到保證管節(jié)運(yùn)輸過程中不變形，還應(yīng)保證外部混凝土澆筑過程中不產(chǎn)生變形。在埋管外部混凝土終凝前，不得拆除內(nèi)支撐。

用鋼絲繩、手鏈葫蘆捆扎吊運(yùn)鋼管時，應(yīng)在鋼絲繩與鋼管間加設(shè)軟墊進(jìn)行鋼管表面保護(hù)。鋼管裝車固定方式見圖5。

圖5 鋼管裝車固定示意圖

4 壓力鋼管安裝

4.1 鋼管安裝流程

測量放點(diǎn)→支架搭設(shè)→鋼管吊裝→調(diào)整加固→安裝檢測→環(huán)縫焊接→環(huán)縫外觀檢測→環(huán)縫無損探傷檢測→現(xiàn)場涂裝。

4.2 安裝現(xiàn)場起重設(shè)備的確定

4條壓力鋼管采用K80塔機(jī)和100 t汽車吊互相結(jié)合共同完成吊裝。1號~24號管節(jié)由100 t汽車吊吊裝，25號~63號管節(jié)由K80塔機(jī)吊裝。廠房K80塔機(jī)在2015年11月30日之前必須拆除，在此之前須完成壓力鋼管在100 t汽車吊覆蓋范圍之外鋼管的安裝。如果在年底K80塔機(jī)拆除之前4條鋼管25號~63號管節(jié)提前安裝完，則K80塔機(jī)可繼續(xù)向上游擴(kuò)大吊裝量，直至拆除K80塔機(jī)，其余的鋼管由100 t汽車吊完成吊裝。吊裝用起重設(shè)備見圖6。

圖6 鋼管吊裝起重設(shè)備布置示意圖

4.3 安裝方法

4.3.1 首裝節(jié)安裝

鋼管安裝將下彎管55號、56號管節(jié)與下平段57號管節(jié)組成的吊裝單元（55號~57號管節(jié)）作為首裝節(jié)，首裝節(jié)安裝好后再進(jìn)行首裝節(jié)上游、下游的管節(jié)安裝，首裝節(jié)由K80塔機(jī)完成吊裝。

首先在鋼管下平段首裝節(jié)EL322.500高程隨混凝土預(yù)埋支撐錨板及插筋。上平段EL373.000、EL375.000處埋設(shè)錨桿。

首裝節(jié)安裝的要點(diǎn)是嚴(yán)格控制水平垂直中心、高程、上下游樁號和型鋼加固質(zhì)量。鋼管起吊前在起吊大鉤上掛手鏈葫蘆用來調(diào)整管節(jié)前后左右的高低。安裝時先調(diào)中心，用千斤頂頂動鋼管，使其下中心對正底下控制點(diǎn)，對準(zhǔn)后再用4臺千斤頂將鋼管均衡地頂至要求高程[3]。首裝節(jié)就位調(diào)整好后，與管節(jié)安裝定位用的剛性外支撐進(jìn)行緊固焊接，防止與其他管節(jié)壓縫時產(chǎn)生位移，保證在砼回填過程中不產(chǎn)生位移。

鋼管首裝節(jié)的里程極限偏差應(yīng)為±5 mm，首裝節(jié)兩端管口垂直度應(yīng)不大于3 mm。

4.3.2 首裝節(jié)以外管節(jié)安裝

首裝節(jié)相鄰管節(jié)安裝時，調(diào)整每節(jié)壓力鋼管的水平和垂直坐標(biāo)線，并調(diào)節(jié)鋼管節(jié)的中心線與基準(zhǔn)線吻合，誤差均不超過2 mm，然后點(diǎn)對環(huán)縫并用型鋼加固。

首裝節(jié)上下游相鄰鋼管各安裝一個吊裝單元后，為避免繼續(xù)往上安裝彎管鋼管下滑重量增加，管節(jié)不易加固，增加鋼管的不穩(wěn)定性，可以先澆筑二期混凝土。

二期混凝土齡期到后可進(jìn)行上下游相鄰的鋼管安裝，可分兩個工作面安裝，一個是向上游安裝彎管，另一個是向蝸殼方向安裝下平段。

彎管安裝要控制上游管口下中心和基準(zhǔn)軸線對正和管口傾斜度，將其下游口下中心對正首裝節(jié)管口下中心，并檢測上口上中心偏差。如有偏移在相鄰管口各焊一塊擋板，在擋板間用千斤頂頂轉(zhuǎn)鋼管使中心對正。

每吊一節(jié)吊裝單元就要檢查調(diào)整鋼管的位置尺寸以免造成誤差積累，造成以后處理困難。裝上幾節(jié)下彎管后，再復(fù)查之前安裝鋼管下游管口有無變化。檢查方法可用全站儀結(jié)合線錘、鋼圈尺等進(jìn)行。

斜管段、上彎段和上平段與下彎段下平段安裝一樣，控制上游管口下中心對正和管口傾斜度，調(diào)正順序吊入管節(jié)，將其下游口下中心對正已裝節(jié)管口下中心，并檢測上口下中心偏差。

4.4 安裝環(huán)縫焊接

鋼管焊接在內(nèi)支撐上搭設(shè)腳手架，同時在鋼管外側(cè)搭設(shè)鋼管焊接平臺。

鋼管安裝環(huán)縫焊接用焊條電弧焊接，鋼管的環(huán)縫是二類焊縫，焊工應(yīng)經(jīng)必要的技術(shù)培訓(xùn)，凡從事一、二類焊縫焊接的焊工，須取得焊工合格證。

焊接時由4名焊工在鋼管對稱位置同時施焊。環(huán)縫經(jīng)外觀檢測合格，再進(jìn)行100%無損檢測。

4.5 安裝焊縫防腐

鋼管安裝后各環(huán)縫區(qū)及支撐，吊耳割除處，均須進(jìn)行除銹，刷漆，刷漆前應(yīng)將鋼管表面油污、焊渣、鐵銹清除干凈。涂刷時不能出現(xiàn)漏涂、流掛、皺皮，表面應(yīng)光滑。

5 勞動力配置

5.1 壓力鋼管制作安裝進(jìn)度分析

（1）壓力鋼管在拼裝廠制造工期分析

廠房K80塔機(jī)在2015年11月30日之前必須拆除，在此之前須完成壓力鋼管在塔機(jī)吊裝覆蓋范圍內(nèi)鋼管的安裝，考慮2015年1月底所有壓力鋼管瓦片及附件全部發(fā)貨，海運(yùn)為4個月時間，須到2015年6月份才具備流水生產(chǎn)的條件，所以壓力鋼管在廠內(nèi)制作的時間約為5個月左右的時間，150 d。

（2）生產(chǎn)能力分析

依據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備及場地條件，6 d時間出廠2個運(yùn)輸單元的生產(chǎn)能力，150 d時間能夠生產(chǎn)50個單元，每條壓力鋼管有63節(jié)，21個單元。4臺機(jī)鋼管總共84個單元，需要8個多月的生產(chǎn)時間，到2016年1月份才能完成所有鋼管的生產(chǎn)。無法滿足2015年11月30日K80塔機(jī)拆除的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。

5.2 壓力鋼管制作安裝趕工方案

為確保11月30日之前K80塔機(jī)具備拆除條件，不影響后續(xù)的施工，原來制定的壓力鋼管安裝方案須重新調(diào)整，采用K80塔機(jī)結(jié)合100 t吊車的安裝方法，對壓力鋼管進(jìn)行安裝，具體的安裝方案如下：

1號~15號管節(jié)由100 t吊車完成吊裝，16號~63號管節(jié)由K80完成吊裝，單臺機(jī)總共21個吊裝單元，每個吊裝單元均有3節(jié)管組成。4臺機(jī)鋼管需要塔機(jī)吊裝的總共有64個單元。此方案必須在5 d時間制作出2個運(yùn)輸單元方能滿足安裝進(jìn)度，滿足K80塔機(jī)的拆機(jī)節(jié)點(diǎn)。

5.3 鋼管制作安裝現(xiàn)有的施工人員情況

壓力鋼管制作安裝現(xiàn)有的施工人員情況：鉚工9人、焊工16人、電工2人、起重工3人、天車工1人、探傷工1人，總共生產(chǎn)工人33人，當(dāng)?shù)睾谌伺浜厦窆?5人。

鑒于壓力鋼管安裝的工期較緊，鋼管拼裝及安裝人員的缺口較大，特別是鉚工及焊工，鉚工人員缺口9人，焊工人員缺口20人。壓力鋼管制作安裝工期主要集中在2015年6月1日~2015年12月31日。2015年6月缺口人員全部到齊，之后保持5 d時間制作出2個運(yùn)輸單元的生產(chǎn)能力，滿足壓力鋼管安裝進(jìn)度和K80塔機(jī)的拆機(jī)節(jié)點(diǎn)要求。

6 制約壓力鋼管制作安裝進(jìn)度的因素

（1）拼裝廠內(nèi)鋼管防腐

在鋼管制作期間，9月、10月、11月份工地現(xiàn)場正處于大雨季，環(huán)境濕度都在90%以上，環(huán)境濕度大不利于防腐。

（2）雨季施工

在雨季安裝鋼管，焊接部位要有效的防護(hù)，否則無法確保焊縫的質(zhì)量。

7 結(jié)語

2015年度喀麥隆曼維萊水電站壓力鋼管設(shè)備保質(zhì)保量完成安裝，2016年度完成4臺主機(jī)設(shè)備、蝶閥設(shè)備、輔機(jī)設(shè)備以及電氣設(shè)備的安裝調(diào)試工作，4臺機(jī)組具備發(fā)電條件。

國外施工從設(shè)計(jì)、招標(biāo)、制造、運(yùn)輸、安裝等環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致工期的延誤，曼維萊水電站壓力鋼管安裝在工期非常緊張的情況下，依靠各個環(huán)節(jié)的有效協(xié)調(diào)，確保了施工的順利進(jìn)行。電站地處熱帶雨林地帶，雨水較多，常年濕度大，對壓力鋼管的保管以及安裝提出更高的要求，通過對到貨設(shè)備提供有效的倉儲條件，雨季施工時提供有效的防護(hù)等，確保設(shè)備的安裝質(zhì)量。