大型鋼管樁環(huán)形豎向分層全自動焊接技術在海上施工中的應用

陳振鋒，湯靖，代竟，屈文平，張志珍，劉坤，孟偉玉，蔣忠全

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518048）

1 工程概況

深圳至中山跨江通道是國家“十三五”重大工程，是世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程。其中東人工島及主線堰筑段隧道工程位于深圳寶安機場南側，緊鄰福永碼頭；東人工島沿江高速在施工過程中，為避免對既有橋墩造成影響，設計采用鎖扣鋼管樁對橋墩進行保護。

橋墩鋼管樁保護采用Φ1400mm×δ20mm、Φ1500mm×δ16mm、Φ1500mm×δ20mm 3種鎖扣鋼管樁。沿江高速橋橋梁底部距鋼管樁施工完成后，樁頂標高為13～16.3m，而鋼管樁設計樁長為19～29m。見圖1。

圖1 鋼管樁斷面圖

其中起保護作用的鋼管樁位置位于沿江高速橋面下，在施工過程中，為避免對既有沿江高速橋面造成擾動，以及潮水漲落等因素限制，將鋼管樁分成2～4節(jié)，最后在海面上打入一節(jié)對接一節(jié)，接口為豎向管口限位對接方式。

鋼管樁對接時精準對位的控制，鋼管樁現(xiàn)場焊接質量是本工程控制重點，也是施工難點之一。

2 環(huán)形豎向分層全自動焊接工藝

我國目前在海上作業(yè)管道焊接時，由于受現(xiàn)場施工條件限制因素諸多，常規(guī)采用手工電弧焊施工，海上管道人工焊接，焊接時間長、質量不穩(wěn)定、難度大等種種因素，施工效率極低、風險較大。

環(huán)形豎向分層全自動焊接在管道固定的情況下，焊接小車帶動焊槍沿軌道圍繞管壁運動，焊槍上下擺動實現(xiàn)豎向分層自動焊接。環(huán)形豎向分層全自動焊接設備由焊接小車、行走軌道、自動控制系統(tǒng)等部分組成。

傳統(tǒng)管道焊接主要為管道平臥、管子旋轉、環(huán)向焊接，焊接設備固定；而環(huán)形豎向分層全自動焊接采用管子固定、焊接小車行走的方式。項目針對沿江高速保護鋼管樁海上施工特點，采用環(huán)形豎向分層全自動焊接工藝。

（1）焊接設備主要組成部分

①進口焊接電源。

②自動送絲機。

③自行焊接小車。

④遙控控制器。

（2）施工工藝步驟

①主要施工工序。布管→坡口加工→管口對接固定→焊前準備（防風措施）→設備安裝調試→焊前預熱→打底根焊→全自動焊接熱焊→焊接填充、蓋面焊接→焊縫表面清理→無損探傷檢測。

②坡口處理。根據(jù)相關技術要求，焊接前將焊接坡口（除第一節(jié)底部外，其余截面全部開35°雙面坡口）及其附近20～30mm范圍內的鐵銹、油污、水氣和雜物清除干凈。

③管口對接固定。第一節(jié)鋼管插打完成后，固定導向架，搭設作業(yè)平臺，用履帶式起重機將第二節(jié)鋼管吊起與第一節(jié)鋼管對接，對接過程中確保鎖扣位置偏差不大于3mm，鋼管接口偏差不大于5mm，對接完成后點焊固定。

④防風準備。采用CO2氣體保護焊焊接時，因海面風大，其風速大于2m/s，設計了專門的防風屏。見圖2、圖3。

圖2 防風屏運用

圖3 防風屏效果圖

⑤設備安裝調試。將自動焊接小車就位，檢查氣管、電纜、焊絲等，通過遙控器調節(jié)焊槍水平、豎直位置，做好焊接準備。

⑥焊前預熱。鋼管樁施工中焊接鋼管的強度較高、鋼管厚度較大，在焊接前需對鋼管進行預熱。

表1

⑦打底、熱焊、填充及蓋面。自動焊接需要人工打底，打底焊接質量將影響整體焊接效果。打底焊接結束后，將自動焊接小車吸附在鋼管上，通過遙控器控制自動焊接小車在鋼管上環(huán)向移動并焊接，焊接過程通過焊槍擺動，層層循環(huán)填充，直至焊口齊平。蓋面焊接需達到焊口位置突出1～2mm。見圖4。

圖4 環(huán)向自動焊接

⑧焊縫表面清理。焊接結束后，應對表面焊縫進行清理。

⑨無損檢測的焊縫質量等級應符合現(xiàn)行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB 50205）的有關規(guī)定。

3 海上施工鋼管樁焊接技術難點

（1）鋼管樁精準對位困難，耗時長

鋼管樁施打時，受沿江高速橋面橋底空間限制，每節(jié)長度安裝時不能與橋發(fā)生干涉，第一節(jié)插打至與墩臺基本平行時，再吊裝第二節(jié)進行對位，焊接、檢測合格后施打，然后吊裝第三節(jié)，依次進行。

①海上船舶受風浪影響較大，起伏不定，給吊裝對位造成較大困難，尤其是鎖扣對位，一旦偏差過大就會造成相鄰鋼管樁無法插打入。

②履帶起重機在船舶上使用相對陸地來說，平衡性較差，自身穩(wěn)定性無法保證，稍有海風吹來，搖擺幅度增大，定位更難以保證。

③鋼管樁在加工焊接、運輸、吊裝等過程中均可能存在不同程度變形，無法確保同圓度、鎖扣垂直度等。

（2）焊接量大、焊接時間長、勞動強度大

因鋼管樁需分節(jié)施打，每增加一節(jié)就多增加一道焊縫，焊接長度達5米多，特別是鎖扣位置難度大要求高，人工焊接至少需3個小時。以24m鋼管樁，分三節(jié)施工，兩道焊縫需耗時6～7小時，工人勞動強度大。

（3）防風要求高

因CO2氣體保護焊受風影響較大，而風對焊接質量影響至關重要，氣孔、氣泡等質量問題稍有不慎就會發(fā)生。但鋼管樁施工空間有限，無法做到全封閉室內環(huán)境，為確保焊接質量，防風保護措施是關鍵。

（4）焊接打底困難

①打底引弧時極易穿絲。

②打底時在仰焊位置由于自重的影響，容易出現(xiàn)內凹缺陷。

（5）環(huán)形豎向分層焊接要求高

鋼管樁豎向對接，要求焊接時必須是立焊，立焊對焊工水平要求更高，且焊接長度、深度、焊口寬度都相對較大，豎向焊接難度非常大。環(huán)形焊接時還需焊接過程中不斷移動焊接位置，人工焊接對焊接質量影響較大。

4 應對解決措施

（1）導向柱輔助定位法，有效地解決鋼管樁對位困難，耗時長。

①鋼管樁對位項目采取導向柱輔助定位法。在第一節(jié)鋼管樁四周焊接楔形導向柱，導向柱沿鋼管樁頂面間隔90°分布，長度約120mm，在第二節(jié)與第一節(jié)對位時起輔助導向和臨時固定作用，待對位后點焊固定，然后拆除導向柱。該方法有效解決了鋼管樁對位問題，提高了工作效率，節(jié)省對位時間。

②在鋼管樁對接孔口位置約200mm處增加米字型方鋼支撐，有效減少變形。

（2）環(huán)形豎向分層全自動焊接設備提高焊縫效率，降低工作難度。

采用環(huán)形豎向分層全自動焊接設備，通過遙控器操縱焊接小車在鋼管樁上環(huán)形移動，焊接速度達到平均201mm/min，大大縮短焊接時間，而且自動焊接設備不需要操作工人長時間蹲守，手持遙控器即可操作，大幅度減輕工人勞動強度，能保證焊接質量。

（3）可拆卸拼裝式防風屏有效防風，提高焊接質量

專門設計制作了防風屏，可拆卸拼裝，且拆卸方便，搬運輕便，防風效果良好，有效地解決了風對焊接影響，提高焊接質量。

（4）引弧時調節(jié)焊絲長度、將焊嘴對準坡口引弧有利于打底焊接，避免穿絲；減少焊絲伸長量及適當加快焊接速度，有效解決內凹缺陷。

①引弧時調節(jié)焊絲長度、將焊嘴對準坡口引弧，引弧之后立即進行縱向調節(jié)可避免穿絲，但對于焊工的要求相對較高。

②由于熔池自身重力的作用，熔池往下墜，所以必須加大焊接速度，同時增加擺動頻率及擺幅，可減少內凹缺陷。

5 技術分析及應用前景

（1）人工焊接與自動焊接對比

Φ1500mm×δ20mm的鋼管兩節(jié)，坡口35°，坡口成型寬度30mm，焊接成型寬度40mm，采用CO2保護焊。

根據(jù)現(xiàn)場實際測量、統(tǒng)計記錄，自動焊接小車焊接長度700mm，連續(xù)焊接15層，耗時52min，平均201mm/min。人工焊接30mm，連續(xù)焊接15層，耗時30min，平均15mm/min。環(huán)形豎向分層全自動焊接設備速度方面有較大優(yōu)勢。

鋼管樁自動焊接工藝性試驗檢測合格，焊接接頭經(jīng)沖擊、拉伸、彎曲試驗，抗拉強度、彎曲試驗及沖擊試驗結果，均符合GB50661-2011《鋼結構焊接規(guī)范》中Q345B的技術指標要求。見圖5。

圖5 自動焊接效果圖

（2）社會效益與經(jīng)濟效益分析

①社會效益分析。環(huán)形豎向分層全自動焊接具有降低工人勞動強度、生產率高、焊接質量好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。手工焊接質量，受限于工人焊接水平影響較大。而自動焊接設備則受人的影響因素較小，焊縫的質量穩(wěn)定性好，容易受控。

自動焊接設備操作簡單，短時間培訓即可獨立操作。一名優(yōu)秀焊手工電弧焊焊工，投入時間成本和培訓成本高與效益不匹配。

②經(jīng)濟效益分析。國產焊條的價格一般為1.5～2.5萬元／t，國產實芯焊絲的價格約為1萬元／t。

采用自動焊接設備焊絲的熔敷率可達90%，而焊條的熔敷率通常為50%～55%。雖然本焊接工藝需用保護氣體，但保護氣體所需的經(jīng)費僅占焊接材料經(jīng)費的10%～15%。

上述兩項綜合考慮，自動焊接設備焊接材料的經(jīng)費量僅是購買焊條經(jīng)費量的1／3～1／2，可大幅度降低成本。

自動焊接設備一次性購置投入較大，是普通焊接設備的3～5倍。但自動焊接設備焊接效率高，焊縫質量好(無損探傷合格率高、力學性能好)，焊縫的返修率很低。

（3）優(yōu)缺點

①全自動焊接技術有利于提高工藝標準，焊接質量更好；

②全自動焊接技術推廣應用能夠提高焊接工效，減輕工人的勞動強度；

③工效、材料、焊接合格率、焊接質量、人工投入等方面綜合經(jīng)濟效益更高。

（4）應用前景

綜上所述，環(huán)形豎向分層全自動焊接技術通過在海上鋼管樁施工中實踐應用，起到了提高功效、降低勞動強度、確保焊接質量的作用，值得大力推廣應用。

6 結語

環(huán)形豎向分層全自動焊接技術對提高我國管道環(huán)形豎向分層焊接水平具有十分重要的現(xiàn)實意義，這項技術將會得到快速的推廣和廣泛的應用。