水利工程論文-大型洞內壓力鋼管自動化工藝研究.doc

水利工程論文-大型洞內壓力鋼管自動化工藝研究摘要：在水電站安裝工程中，壓力鋼管的設計制造安裝始終是工程控制的關鍵環(huán)節(jié)之一，本文著重于鋼管洞內施工的現(xiàn)代機械自動化工藝研究，為水電站的規(guī)劃設計和施工組織設計的優(yōu)化提供技術支持。關鍵詞：水電站壓力鋼管自動化工藝一.前言繼十三陵、二灘等國內已建工程和三峽、龍灘在建的重大水電工程之后，大型電站輸水壓力鋼管和鋼襯（以下簡稱鋼管）的結構等變化十分明顯，第一：尺寸巨大，長江三峽大壩的管鋼直徑為12.4m，烏江彭水水電站管鋼最大直徑為14m，超過了國內外已有的大型壓力鋼管尺寸；第二：管壁鋼板強度等級高，500MPa級應用廣泛，600MPa級調質鋼得到了較大范圍的推廣。第三：工程數(shù)量大而建設工期短，制造安裝生產強度高。為了適應這樣的形勢變化，鋼管制造安裝技術在傳統(tǒng)的技術基礎上得到了大的發(fā)展，自動焊接技術在壓力鋼管制造中得到了較為廣泛的運用，大型專用施工設備在壩內鋼管安裝中發(fā)揮了重要的作用，相對而言，由于施工空間的限制，大型鋼管在洞內埋管方面受到限制，通常的運輸?shù)跹b設備不能發(fā)揮作用，特別對于地處高山峽谷地帶的大型水電工程，鋼管在工地運輸和安裝時存在較大困難，目前的施工方法還過多地依賴于傳統(tǒng)的土法運輸和手工焊接，這些問題將導致施工工期較長并可能在支洞開挖等方面多花費數(shù)以百萬計的費用。因此，針對近期即將大規(guī)模開發(fā)建設的水電站（如瀑布溝、溪洛渡、向家壩、錦屏等）大型洞內鋼管工程的共同特點，結合現(xiàn)代工程的先進技術，研究與之相適應的洞內鋼管制造安裝工藝是十分必要的。二.國內外相關行業(yè)發(fā)展狀態(tài)為提高生產效率，降低工人勞動強度，國外焊接生產機械化、自動化已達到很高的程度。工業(yè)發(fā)達國家焊接機械化、自動化程度已達到熔敷金屬量的65%以上。氣體保護焊作為高效優(yōu)質節(jié)能節(jié)材的焊接方法在國外已得到廣泛應用，日本在1998年已達到熔敷金屬量的77.6%。國外大型造船廠開始應用的門架式鋼板縱縫拼焊機技術，采用多絲高速埋弧焊工藝，配真空吸盤平臺或電磁平臺，其最大焊接行程達12m，一次行程可焊板厚最大為40mm。一些高效優(yōu)質的焊接方法如電子束焊、激光焊、等離子焊、焊接機器人工作站、焊接柔性生產系統(tǒng)、窄間隙焊接技術、雙絲高效氣體保護焊技術等在國內已經得到運用，但我國焊接自動化率為熔敷金屬量的約30%-50%，應用的廣度和水平與工業(yè)發(fā)達國家相比尚有一定的差距。目前,國際上技術先進的重型焊接滾輪架最大的承載重量達1600T，自動防竄滾輪架的最大承載重量達800T，采用PLC和高精度位移傳感器控制，防竄精度為0.5mm。變位機的最大的承載重量達400T，轉矩可達450KNm。框架式焊接翻轉機和頭尾架翻轉機的最大承載重量達160T。焊接回轉平臺的最大承載重量達500T。立柱橫梁操作機和門架式的操作機的最大行程達12m。龍門架操作機的最大規(guī)格為8m8m。我國已能生產6m6m以上大型立柱橫梁埋弧焊或窄間隙埋弧焊操作機，500T重型滾輪架及重型、輕型自動防竄滾輪架，防竄精度為1.5mm，100T大型變位機和大、中型翻轉機等。批量生產H型鋼和箱形梁焊接生產線以及各種類型的按用戶需要定制的專用成套焊接設備，并大量采用交流電機變頻調整技術，PLC控制技術和伺服驅動及數(shù)控系統(tǒng)，焊接裝備的自動化程度有了很大的提高，某些操作機還配備了焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)。近年來，在厚壁管道生產中，窄間隙MAG焊、窄間隙熱絲TIG焊等工藝的應用范圍日趨擴大，因此為窄間隙設備發(fā)展提供了有利的條件。從600MW鍋爐開始采用了8000噸油壓機壓制汽包筒體瓦瓣片和窄間隙埋弧自動焊工藝焊接筒體縱縫，實現(xiàn)了厚壁長筒節(jié)（單節(jié)最大長度7000mm，最大厚度250mm）壓制工藝自動化和焊接工藝高效率化。新型燃氣加熱器和電加熱設備得到廣泛的應用，例如，紅外燃氣加熱器，引射式液化氣加熱器等比傳統(tǒng)的燃氣加熱器提高熱效率30%以上，而且更加安全和方便。自動控制技術在制造業(yè)中的廣泛應用正在徹底改變傳統(tǒng)制造業(yè)的面貌，其中焊接生產過程的全自動化已成為一種迫切的需求，它不僅可大大提高焊接生產率，更重要的是可確保焊接質量，改善操作環(huán)境。隨著整個制造業(yè)水平的提高，企業(yè)的經營理念發(fā)生了很大的變化，高產量已讓位于高質量、勞動密集型已逐步被知識密集型所取代。大量采用自動化焊接專機，生產線和柔性制造系統(tǒng)已成為一種不可阻擋的趨勢，這同樣也是水電金屬結構專業(yè)發(fā)展的大方向。三.大型鋼管結構及現(xiàn)有工藝分析大型洞內鋼管的結構型式由設計根據(jù)發(fā)電樞紐結構要求及巖土力學條件，結合施工要求確定，一般為單管單機布置，基本的結構有四種：一、水平管，包括水平或接近水平的直管、錐管（漸變段），二、彎管，分上彎管和下彎管。三、斜井直管。四、豎井直管。實際鋼管結構多為水平管與其它結構的組合，形成“”型、單梯度或多梯度型式布置，也有完全以水平管布置的。不難理解，對于施工而言采用水平管是最有利的，電站輸水隧洞工程的優(yōu)化方案多采用此種結構，而多梯度型式的施工較為困難。隧洞結構要求每個鋼管的內徑是漸變的，但主要部分的公稱尺寸相同且變化幅度不大，說明每個工程的鋼管結構的單一性，其直徑相對最大有約30的變化，事實上每個大型鋼管工程都是由數(shù)百以至上千個結構尺寸相近的瓦片組成。在現(xiàn)有工藝方面，以龍灘為例，典型的大型洞內鋼管的整個制造安裝工藝流程是：材料采購；鋼材運輸；鋼管下料；坡口加工；卷板：1/3（或1/圓?。?；鋼管組圓；縱縫焊接；矯形；加勁環(huán)安裝焊接；內支撐安裝；11焊接檢驗；12廠內防腐；13出廠驗收；14凹心臺車公路立運（鋼管軸線與汽車軸線平行，高度大于寬度，故名）運輸；15交通支洞運輸（臺車平運）；16主洞運輸（臺車立運）；17安裝就位；18安裝環(huán)縫焊接；19安裝檢驗；20鋼管砼回填后安裝防腐。其中，由業(yè)主方直接負責，12由制造承包方在現(xiàn)場鋼管廠完成，1420由安裝承包商實施。部分工程（例如三峽、天生橋等）在現(xiàn)場鋼管廠內進行管節(jié)大組和環(huán)縫焊接。根據(jù)鋼管的施工時間順序和工作狀況可以整個制造安裝過程分為五個方面：（1）材料采購供應，（2）運輸，（3）制造，（4）安裝，（5）防腐，以下分別進行針對性的工藝分析。（1）材料采購供應通常在正式的施工設計圖具備后，即具備采購條件。鋼板的長度和寬度尺寸應當由制造安裝工藝確定?？梢杂嬎?，鋼管焊縫總長度為管壁的縱縫環(huán)縫與加勁環(huán)環(huán)縫之和，即mL+DLB+2Dn(1)m為鋼管制造分瓦片數(shù)量，L為鋼管長度，D為鋼管直徑，B為鋼管板寬，n為鋼管加勁環(huán)數(shù)量大型鋼管的瓦片數(shù)量為2個到5個，鋼板的長度尺寸為1/3或1/4周長，這對材料運輸和保證卷板速度更為有利。當鋼管直徑長度加勁環(huán)等結構尺寸確定后，焊接工作量的大小與板寬成正比。以往，我國工業(yè)基礎較差，鋼板軋制、卷板等配套設備能力不足，大多采用了2m左右寬度的鋼板。現(xiàn)在，不僅我國水電、石化、冶金等行業(yè)均有現(xiàn)代化的數(shù)控卷板機，寬度均按3-4m寬度設計，而且市場上可以采購到國內外生產的3m以上板寬鋼管用材。在設備條件許可時，鋼管板寬增加自然地形成了施工效率同比例的增長，若以2m板寬為基準，板寬每增加10%，每條鋼管的環(huán)縫數(shù)量可以相應減少約10%，減少比率（B-2）/B100%()可以節(jié)省的實際焊縫數(shù)量LD（B-2）/B()現(xiàn)有的情況是：我們在采購鋼板時可能少花費10%的費用，卻增加了30%的制造安裝成本及50%的施工時間。這是目前的一個盲點，站在社會經濟宏觀價值角度考慮，我們可以制定相應的行業(yè)技術標準，從一個方面提高我國節(jié)能降耗水平?？梢哉J為，鋼管寬度的確定只是受到了鋼鐵廠生產能力和陸路運輸?shù)南拗疲ɡ缙?、火車），綜合分析，對于大多數(shù)鋼管工程2.5m-3.2m板寬是一個適合的寬度選擇范圍。（2）鋼管制造最常用的制作程序是：劃線、切割、刨邊、卷板、對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調圓、裝加勁環(huán)、焊加組環(huán)、除銹、涂裝、大節(jié)組裝、環(huán)縫焊接、出廠檢驗。鋼管廠規(guī)劃方式的不同形成不同的生產工藝，主要有兩種，一種是鋼管全部在現(xiàn)場加工的模式，另一種為全部瓦片在水工廠卷制的模式。龔嘴、隔河巖等水電站的實踐證明，將劃線到卷板的程序放在工廠完成，是一種很有特點的做法，特別是在現(xiàn)有技術和市場條件下更據(jù)優(yōu)勢，原因在于：一、瓦片制作工藝簡單，質量易于保證，為提高鋼管的拼裝質量和自動焊接工藝提供有利條件；二、在工廠易于實現(xiàn)規(guī)?；a，大型的卷板機、數(shù)控切割機和刨邊機等設備利用率可以大大增加，工效高成本低，一臺大型的數(shù)控卷板機年產量可以達到20000噸左右，而目前一般只有20%的利用率；三、氧氣乙炔等主要消耗性材料可就近采購；四、臨建工程量投入減少，施工人員減少，工程建設期征地相應減少。有利于鋼管生產的節(jié)能降耗和施工環(huán)保，對所有在高山峽谷地區(qū)電站的施工規(guī)劃有重要的借鑒意義。鋼管的對圓傳統(tǒng)上采用了平組（管口向上）的方式，其投入小，可同時多位焊接、矯形、安裝加勁環(huán)內支撐容易等，其適應尺寸范圍大，應用非常普遍。但我們也不應忽略實現(xiàn)鋼管立組（軸線水平）后可能帶來的優(yōu)點，管壁的縱縫和環(huán)縫均為平焊，在立組狀態(tài)下可容易地實現(xiàn)更高效的自動焊接，鋼管在對圓中逐步用縱向操作的全自動焊機完成縱縫焊接以及矯正，并完成加勁環(huán)的安裝和焊接，可以在鋼管制造階段形成機械化，所有的縱縫和環(huán)縫實現(xiàn)自動化焊接，可以有效地減小翻身等吊裝工作。它的另一個優(yōu)點是占地面積小，以直徑10m的鋼管為例，立組時每個平臺的面積為120m2，而平組只需要50m2，即使在隧洞狹小的作業(yè)空間內也能夠方便地組裝鋼管，這為大型洞內鋼管工藝改進提供了必要的條件。當然，實現(xiàn)鋼管立組的關鍵在于設計制造一種大型專業(yè)的立式回轉平臺，要求其結構穩(wěn)定，操作方便，外形尺寸緊湊，具有旋轉驅動機構，設備自身運輸安裝拆卸方便，配備專用的活動內支撐、裝夾工具和多臺自動焊接設備后，具備完成鋼管對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調圓、安裝加勁環(huán)焊接的工作條件。無論如何，高效的自動焊接設備是優(yōu)先的選擇，因大多數(shù)鋼管的壁厚設計在20-50mm之間，將多絲高速埋弧焊工藝應用到水電站鋼管的焊接中是非常必要的，這與水電金屬結構業(yè)目前流行的全自動氬弧焊工藝比較在效率和成本上存在較大的優(yōu)勢，而加勁環(huán)的焊接采用CO2氣體保護自動焊則是既高效又經濟的工藝。（3）鋼管運輸運輸工作包括材料運輸、管節(jié)公路運輸和洞內運輸，運輸工具為汽車、火車或輪船，其中汽車運輸是必不可少的，材料運輸可以使用通用的運輸工具完成，國內水電工程較多地采用了火車和汽車運輸方式，部分水運條件較好的采用輪船遠程運輸后，汽車或火車倒運到現(xiàn)場，管節(jié)運輸除個別工程外，都采用特制汽車拖車運輸。運輸?shù)淖詈箅A段是由平板臺車完成的（垂直管例外），平板臺車由卷揚機進行牽引。實際上，鋼管在現(xiàn)場的運輸是工程規(guī)劃和施工的一個關鍵點。絕大部分水電工程施工道路設計為二級公路，根據(jù)國家公路技術標準，其寬度在7m9m之間，當鋼管外形尺寸在9m以內時，公路具備鋼管平運條件，但必須在鋼管節(jié)運輸時對所經過的路段實施交通管制，由專用運輸車通過，特殊情況下，可以采用凹心臺車的方式拖運，但由于運輸時鋼管重心高，鋼性差，裝車難，運輸速度低，近年較少采用。若管徑大于9m時，可能為此提高公路的設計等級，當然施工交通洞的等級也要相應地提高，鋼管運輸所經過的公路和隧洞將產生大量的土石擴挖和砼回填工程量，產生的直接費用是以百萬計算的。與此相對應，最大程度地減小汽車運輸尺寸可能產生的數(shù)以百萬計的經濟價值，同時可以減少交通干擾、節(jié)省施工時間，并且有利于環(huán)境保護，無疑對工程建設是十分有利的。（4）鋼管安裝大量的工程實踐表明，鋼管安裝質量和進度的關鍵控制點的是其焊縫的焊接，這一點在大中型鋼管中更為明顯。我國在云峰電站建設中首次將埋弧自動和焊滾焊臺車結合應用于鋼管環(huán)縫焊接，可以將兩節(jié)鋼管組成大節(jié)后運輸，有效地減少了安裝焊縫，較好地提高了環(huán)縫焊接效率和質量，被廣泛地用于在工地鋼管廠鋼管制造，但是由于運輸尺寸和重量的限制，四十多年來滾焊臺車和埋弧自動焊的工藝設備技術在水電行業(yè)中沒有得到大的發(fā)展，與國內外相關行業(yè)技術發(fā)展水平形成了巨大的差異，同時也表明，在鋼管安裝技術上存在巨大的開發(fā)潛力。我們完全可以設想，直接將大型的滾焊臺車安裝施工部位，比如輸水隧洞的主洞內，這樣，可以進行兩節(jié)或兩節(jié)以上的大節(jié)組裝，70以上的環(huán)縫可以實現(xiàn)自動化焊接，鋼管安裝環(huán)縫減到更少，與此同時，鋼管主洞以外的運輸?shù)某叽缈梢岳^續(xù)減小，鋼管主洞內的運輸?shù)某叽绶炊梢栽龃?，事實上，尺寸越大的鋼管越有這種必要，主洞以外的運輸工具通常用汽車，尺寸越小其穩(wěn)定性更好，速度可以相應提高，對施工交通的干擾減少，而鋼管主洞內的運輸由于洞挖結構的限制只能立運，在鋼管大節(jié)組裝之后其寬高比成倍增加，無論在平洞還是斜洞段運輸?shù)姆€(wěn)定性變得更好了，有利于整個的施工安全。更一步地設想，若在滾焊臺車上設置行走驅動機構，代替以往結構功能簡單的運輸臺車，鋼管水平運輸?shù)男视型麖母旧系玫教岣撸梢赃_到一舉多得的效果，這對以水平結構為主的鋼管工程無疑是理想的施工設備。（5）防腐現(xiàn)在水電站鋼管絕大部分防腐工作是分兩個階段進行：大面積的工廠防腐和鋼管安裝后防腐。目前我國的防腐技術標準和國外是基本一致的，國外類似工程的防腐使用壽命可以達到2030年，而我國普遍為3-5年，差別巨大。在巖灘等工程中，鋼管防腐在安裝和澆筑混凝土后一次完成，質量明顯較好，這與國外成功經驗相同的。由于安裝過程和混凝土回填施工中不可避免要傷害到工廠防腐的部位，這些部位與安裝焊縫區(qū)域的防腐一樣成為鋼管內壁防腐的薄弱環(huán)節(jié)。用“圍桶理論”的觀點分析，提高安裝階段的防腐質量是提高其使用壽命的關鍵板?，F(xiàn)在，越來越多的工程技術專家達成一致，應當在安裝后一次性地完成防腐涂裝工作，為了進一步提高我國鋼管施工水平，我們不僅應當在鋼管工程設計和施工規(guī)范中加以明確，而且借簽國內外石油、化工等相關行業(yè)的先進技術工藝以及設備應用經驗，可以研制高效、清潔的自動噴砂和自動噴涂設備，解決長期以來鋼管防腐用簡易的設備進行大量的手工操作產生的