斜坡段壓力鋼管“順安法 ”安裝技術研究

李 新，張文潔，吳崢斌，朱房釗

（1.北方國際合作股份有限公司，北京100040；2.廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞523710）

1 工程概況

Xeset3水電站位于老撾南部沙拉彎省（P.SARAVAN），湄公河支流Xedon河的支流Xeset河上。Xeset3水電站為低閘壩引水式電站，主要任務為發電，并兼顧下游河段環境生態用水等要求。電站引用流量18.06 m3/s，利用毛水頭162 m，裝機2臺，裝機容量23 MW，Xeset3水電站工程的主要建筑物有：跨流域引水工程、Xeset河首部樞紐工程、1352.86 m的引水明渠，1277.16 m的壓力引水混凝土涵管、調壓井、1030.49 m的引水壓力鋼管（管內徑2300 mm）、地面發電廠房、開關站、115 kV輸電線路工程、運行村及施工道路與橋梁工程。

Xeset3水電站的引水壓力鋼管布置在調壓井后，水頭落差主要集中在引水壓力鋼管段，80%的水頭落差集中在PS 0+613.955鎮墩至發電廠房斜坡段的引水壓力鋼管，Xeset3水電站的壓力鋼管布置見圖1。

2 安裝工藝的關鍵技術問題

根據水電站引水壓力鋼管特點：引水壓力鋼管的作用是輸送水輪發電機組運行時的引用水，斜坡段順水流方向從上游至下游完整段鋼管主要由固定部位鋼管（鎮墩內、外鋼管）、伸縮節、帶活動支腳部位鋼管組成，見圖2。

圖1 Xeset3水電站的壓力鋼管布置

圖2 斜坡段完整段壓力鋼管安裝示意圖

斜坡段引水壓力鋼管完整段鋼管（指兩鎮墩之間的鋼管）在安裝、運行過程中，段內鋼管的自重和水的重量大部分由下游處鎮墩支承，伸縮節是用于補償因溫度、受力等產生的徑向、軸向的位移，在安裝、運行過程中，不承受段內鋼管的自重、水的重量。

“順安法”（順水流方向延伸鋼管安裝方法）安裝中的關鍵技術問題是：①改變安裝過程鋼管自重的支承方式，由原下游鎮墩支承改為由上游鎮墩承拉；②解決安裝過程中，必須利用伸縮節承擔段內鋼管的部分自重，即伸縮節要起到傳力作用，伸縮節又要保證伸縮節內具有伸縮功能的波紋不受影響。

3 安裝工藝的創新點

（1）斜坡段“順安法”與傳統安裝工藝“逆安法”相比，安裝工藝采用先安裝上游固定部位鋼管（鎮墩內、外鋼管），待固定部位鋼管的二期混凝土強度符合要求后，再進行伸縮節的安裝，伸縮節安裝完畢經驗收合格后，順水流方向延伸安裝其他管節鋼管，與“逆安法”安裝工序幾乎完全相反。

（2）“順安法”安裝工藝具有先安裝“伸縮節”，實現“伸縮節”零累積糾偏安裝誤差的好處，更加優化了伸縮節運行參數，具有明顯“先安零糾偏”優勢。

（3）斜坡段“順安法”與傳統安裝工藝相比，其最大優點是具有成倍增加安裝工作面的功能。即“一變二”功能，選定了“順安法”的始裝節鋼管開始安裝后，也可以利用“順安法”的始裝節鋼管為始裝節，采用“逆安法”進行安裝，可根據施工需要靈活調整、增加工作面，特別有利于加快施工進度。

（4）“門型鋼板加固法”，解決了“伸縮節”在斜坡段“順安法”安裝鋼管過程“伸縮節”承擔段內鋼管的部分自重，又保證了伸縮節內具有伸縮功能的波紋不受影響。具有施工設備簡單，施工安全、方便，操作簡單，可操作性強的優勢，見圖3。

圖3 門型鋼板加固示意圖

門型加固鋼板安全驗算：

門型加固鋼板材質為Q345 C，厚度14 mm，板寬150 mm，采用4塊同規格鋼板進行加固，選安全系數為 2，許用拉應力 [σ]=172.5 MPa。

采用“順安法”安裝最重壓力鋼管段坡為：1：3.5，所有鋼管的自重97.4 t，不考慮支腿摩擦力，選取動載荷系數1.2，則伸縮節將受到壓力鋼管拉力為N=32.1 t。

σ’=N/F=32.1×104/4×150×14×10-6=38.2 MPa

選安全系數為2，

σ’=38.2×2=76.4 MPa ＜ [σ]=172.5 MPa

以上計算，可見加固鋼板構件都是足夠安全的。

（5）Xeset3水電站的壓力鋼管原施工方案是傳統安裝工藝“逆安法”，有2個工作面同時作業：

1）第1工作面是從已安裝好的發電廠房進水段管PS 1+006.405開始安裝至另一始裝節PS 0+715.395進行湊合；

2）第2工作面是始裝節PS 0+715.395安裝至另調壓井PS 0+010.00。

（6）Xeset3水電站的壓力鋼管安裝創新采用了“順安法”，并結合“逆安法”進行安裝，可以有4個工作面同時作業，大大加快安裝進度，同時大幅減少電焊工、裝配工的窩工情況：

1）第1工作面是從已完成的調壓井PS 0+010.00為始裝節開始，采用了“順安法”，向下延伸安裝至PS 0+604.331鋼管進人孔附近進行湊合；

2）第2工作面為始裝節PS 0+715.395，采用傳統安裝工藝“逆安法”，向上延伸安裝至PS 0+604.331鋼管進人孔附近進行湊合；

3）第3工作面為始裝節PS 0+715.395，采用了“順安法”，向下延伸安裝至PS 0+828.934鋼管進人孔附近進行湊合；

4）第4工作面是從已安裝好的發電廠房進水段管PS 1+006.405，采用“逆安法”，向上延伸安裝至PS 0+828.934鋼管進人孔附近進行湊合。

4 安裝工藝流程及操作要點

4.1 斜坡段“順安法”安裝工藝流程

斜坡段“順安法”完整段鋼管（指2鎮墩之間的鋼管）安裝工藝流程圖見圖4。

4.2 操作要點

4.2.1 施工準備

施工人員在鋼管安裝前，首先需認真仔細研讀施工圖紙及有關技術文件。現場按設計要求確認水平高程點，軸線坐標（坐標點）樁號。由于始裝節為鎮墩內彎管，利用CAD軟件繪制始裝節彎頭安裝圖，確定彎頭拐點中心、上下游管底里程及高程，便于放樣安裝。

圖4 斜坡段“順安法”完整段鋼管安裝工藝流程圖

4.2.2 鋼管安裝高程、軸線放線

管線高程、坐標點樁號組成的管段，管線用全站儀及土建施工單位提供的坐標點放線。每個支墩都要放上管線中心點，并標上釘頭高程。既有利于安裝測量，也可甄別誤差較大的點位，提高安裝精度。

4.2.3 始裝節安裝

始裝節為鎮墩內彎頭。使用25 t吊機吊裝彎頭，一條鋼絲繩用一個5 t手拉葫蘆連接彎頭下管口吊耳，另一條直接連接彎頭上管口吊耳。吊起彎頭，利用葫蘆調整彎頭角度，調整至接近設計斜度即可。將彎頭緩緩吊至事先已做好的支架上，利用彎頭管口點調整定位彎頭。根據已放好的中心線對應鋼管中心點洋沖眼，調整彎頭中軸線及角度。復測管口高程，達到規范要求后，用型鋼等材料加固管節。始裝節必須加固牢靠，防止混凝土澆筑時或后續管節壓縫時產生位移。

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經檢查固定牢固后，將鎮墩外鋼管運至安裝位置，以彎頭為基準調整鎮墩外鋼管的中心和高程，同時用千斤頂和拉緊器調整相鄰兩管口的間隙，管口壓縫采用壓馬和楔子板壓縫，壓縫一般從上中心向下分2個工作面進行，同時，要注意鋼板錯邊和環縫間隙。將2節鋼管組成大節后，應重新復核中心線偏差和傾斜度，將始裝節的上、下游管口的幾何中心誤差調整至5 mm以內（運用中垂線原理，采用水平儀、吊線球、鋼卷尺）。用型鋼將鋼管固定于預埋的錨筋上。加固完，再復測中心線、高程、里程和傾斜，作好記錄。為保證管道不發生位移，可先澆筑二期混凝土，澆注前應對該段的焊接進行檢測，合格后方可澆筑。

4.2.4 伸縮節安裝

伸縮節運到現場安裝，安裝時要注意：盡量減少壓縫應力，防止伸縮節內套管產生彈性變形致使伸縮節的間隙變動、漏水；在伸縮節與相鄰管節連接時，用活動支架與千斤頂把伸縮節頂至需要高程，待管口中心及高程等調整合格并加固后進行壓縫；當鋼管全部環縫焊完，才能將鋼管的連接板割除，否則因焊接收縮，會使內套管外移過多；伸縮節下游管節焊接完成后，如圖3焊接門型加固鋼板；伸縮節前后管節的支撐、門型鋼板及出廠限位螺栓，應在下游鎮墩混凝土澆筑完后割除，讓伸縮節自由伸縮，并檢查其變形、變位情況。

4.2.5 帶活動支腳鋼管安裝

帶活動支腳鋼管安裝可采用25 t吊機一步吊裝到位（或利用鋼管臺車運輸到位），利用活動支架及千斤頂直接吊裝固定。安裝要注意各節管下中心的吻合和管口傾斜，即將其下中心對準前一節鋼管的下中心。如有偏移，可用千斤頂頂轉鋼管，配合點焊法蘭螺栓進行管口對中。待管口中心及高程等調整合格并加固后，方可進行壓縫。管口壓縫采用壓馬和楔子板壓縫，壓縫一般從上中心向下分兩個工作面進行，同時，要注意鋼板錯邊和環縫間隙。安裝質量符合有關設計和規范要求。管節安裝2至3節后，必須檢查調整，以免誤差積累，造成以后處理困難。下游鎮墩內外管節安裝過程與上述安裝方法基本一致。

4.2.6 油漆、清掃

管道內外支架切除，拆除鋼管上的卡具、吊耳和其他臨時構件時，嚴禁使用錘擊法，應用碳弧刨或氧氣—乙炔焰在其離管壁3 mm以上處切除，嚴禁損傷母材。切除后，鋼管內壁上殘留的痕跡和焊疤，再用砂輪機磨平，并認真檢查有無微裂紋。檢查合格后采用手工涂刷對切除部位進行補漆，刷漆前應將鋼管表面油污，焊渣，鐵銹，清除干凈，涂刷時不能出現漏涂，流掛，皺皮，表面應光滑。

5 施工安全措施

（1）建立現場安全管理機構，設立專職管理人員，落實各級安全責任制，樹立“安全為了生產，生產必須安全”的方針。

（3）堅持每周一安全檢查，每月安全防火、衛生大檢查一次。針對事故隱患苗頭，制訂整改計劃，限期完成，把整改項目責任落實到個人。

（4）進入施工現場應戴安全帽，不得穿裙子拖鞋、高跟鞋。

（5）臨時照明要可靠，并具有足夠的亮度，應裝設漏電開關。

（6）高空安裝工作時，要系好安全帶、扣好保險扣，工作高空就位后要有臨時固定措施，各類工具、材料、配件應采取防止高處墜落的安全措施。

（7）電焊工必須遵從焊接作業的安全規定、《氧氣、乙炔氣使用的安全操作規程》、《電焊機使用的安全操作規程》。

（8）腳手架搭設應牢固可靠。腳手架搭設有工作平臺，上下嚴禁交叉作業。

（9）要防止觸電，防止從高空墜落。

（10）吊裝時要有專人指揮，吊物下嚴禁站人。

（11）壓力鋼管施工處于旱季，我單位將根據現場情況搭設防曬防雨蓬，做好作業人員的防曬、防中署工作，同時作好施工場地的排水工作。

（12）鋼管在傾斜段安裝時，鋼管運輸臺車要設置防滑、防翻裝置，臺車運鋼管時傾斜段臺車下方不得有人。

（13）在立體交叉施工時，必須加強領導，統一安排，在交叉施工完畢，各方必須自行清理垃圾和廢料，做到文明施工，交叉作業必須按照“安全管理制度”執行、制定，實施有效的安全保障措施，保證安全施工。

6 效益及應用前景

6.1 經濟效益

PS 0+715.395作為始裝節，上游管節安裝采用“逆安法”，下游管節采用“順安法”。工作面“一變二”，使焊接作業與安裝作業分開，避免交叉作業時相互干擾，提高工作效率、縮短工期。

以Xeset3水電站引水鋼管安裝工程為例，比原施工方案共縮短工期21 d，可以節約安裝人工費：400元/人×21 d×12人=100800元，每個伸縮節增加投入加固材料及人工費：材料費450元，人工費600元，共加固4個伸縮節合計：（450+600）×4=4200元，共節約成本：100800-4200=96600元。

6.2 社會效益

Xeset3水電站引水鋼管安裝工程應用該安裝工藝，按原工期計劃完成鋼管的安裝任務，2016年6月17日按計劃進行了壓力鋼管充水試驗，試驗合格，實現了Xeset3水電站首臺機組提前半年發電目標，取得了顯著社會效益，樹立了良好的社會形象。

6.3 應用前景

斜坡段“順安法”安裝工藝已經在老撾Xeset3水電站引水鋼管安裝中成功推廣、應用，隨著老撾越來越多此類電站工程的開工建設，該安裝工藝將在水電站鋼管安裝中發揮更大的作用。