外套補口管變形控制技術在蒸汽管道的應用

吳 琦

（湖南省工業設備安裝有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

近幾年來，國家對環境保護越來越重視，對環境保護的投入力度不斷加大，國內出現了很多節能減排的環保工程。目前，城市居民供熱及企業供熱多采用零散的中小鍋爐供熱模式，由于沒有配套的脫硫脫銷及高效除塵裝置，導致大氣污染嚴重。鋼套鋼直埋蒸汽管道技術便是解決取締中小鍋爐，由符合國家節能減排環保要求的企業集中供熱的主要方法之一。湖南省工業設備安裝有限公司承接的東莞通明/眾明有限公司蒸汽管網工程，是南方地區采用鋼套鋼直埋敷設的典型工程。

1 工程概況

東莞通明/眾明電力有限公司蒸汽管網工程，熱網管道輸送介質為設計壓力1.52 MPa，設計溫度300 ℃的過熱蒸汽，管網長度約23.6 km，工作管最大管徑為無縫鋼管Φ630 mm，外護管最大管徑為螺旋焊接鋼管DN1300 mm，供熱范圍約60 km2，管線敷設方式主要采用鋼套鋼直埋。

直埋鋼套鋼蒸汽管工作管組對安裝完畢后，需要安裝外套補口管。即采取從螺旋焊接鋼管上切割適宜長度約為500 mm的短管（即補口管，圖1），然后補口管切割為兩個半圓弧板。切割時2 個半圓弧板極易變形、扭曲。

2 外套補口管變形的原因分析及影響

2.1 半圓弧板塑性變形的原因

直埋鋼套鋼蒸汽管道外套補口管大多采用螺旋焊接鋼管，切割方式主要采用火焰切割。火焰切割是一個不均勻的加熱和冷卻的過程，由于割炬對外套補口管局部加熱的影響，使切割線處產生內應力，存在著熱量與內應力集中變形和外套補口管切割后部分發生相對不規則的位移，形成塑性變形。

2.2 半圓弧板因張力而引起變形的原因

由于螺旋焊接鋼管自身的特點，外套補口管環向和縱向被切割為2 個半圓弧板后，2 個半圓弧板在螺旋焊接鋼管較大的張力影響下會瞬間彈開，不能保持原來的圓形形狀（圖2）。

圖1 外套補口管

圖2 半圓弧板彈因張力而引起變形

2.3 外套補口管半圓弧板變形的影響

外套補口管半圓弧板發生上述變形后，使得外套補口管的縱向焊縫和環向焊縫的組對比較困難，且需要將彈開的半圓弧板恢復其原來的形狀，不僅增加了工作量，而且影響工期和成本；若管徑較大，甚至切割時會彈到作業人員，造成安全事故隱患。

3 外套補口管制作安裝工序及制作要點

3.1 外套補口管制作安裝工序

管道切割畫線→外套補口管環向切割→外套補口管縱向分段切割→切割線處加設弧度板→外套補口管外部采用自制工裝加固→外套補口管縱向預留部分切割→取下工裝和弧度板→外套補口管打磨、修整→外套補口管下半圓弧板組對→外套補口管上半圓弧板組對→外套補口管焊接、探傷→外套補口管防腐補口補傷。

3.2 外套補口管制作要點

3.2.1 外套補口管縱向分段切割

在外套補口管需要切割的長度上做好標記，并環向劃線。采用氣割順著已經劃好的線切割成補口短管。上、下半圓弧板補口管環向各占1/2，縱向切割線分別保留左、中、右三段各20 mm不切割（圖3），其余部分均采用氣割將切割線切割。

3.2.2 切割線處加設弧度板

自制與管徑弧度相同的弧度板（δ=10 mm），其中空部分采用Φ10 的加強筋連接，將弧度板緊貼補口短管兩端內圓弧并花焊固定（圖4），以控制短管被縱向割開后，外套補口管的上、下半圈補口管的變形。

圖3 分段切割

圖4 加設弧度板

3.2.3 外部采用自制工裝緊固及切割預留部分

加工制作一個管道工裝，其尺寸與所需加工的外套補口管管外徑相同，管道工裝的材質與外套補口管的材質相同（圖5）。將工裝緊固外套補口管，待已經切割的短管冷卻后，分別將左、右兩段各20 mm 的預留部分切割完畢，取下工裝和弧度板，保證其加工完成的外套補口管上、下半圈補口管的變形量控制在規范標準內。

圖5 自制工裝

3.2.4 外套補口管打磨、修整

外套補口管切割完畢后，采用氣割將補口管邊緣切割加工成V 形坡口，并用角向砂輪機修整，去除坡口表面的氧化皮，并將凹凸不平處打磨平整。坡口加工完畢，檢查坡口表面無裂紋、縮孔、折疊、銹蝕、凹陷及其他機械損傷的深度等缺陷，以保證焊接質量。

3.2.5 上、下半圈補口管的組對、焊接、探傷

工作管組對焊接完畢后，進行100%X 射線探傷，合格后，先組對安裝下半圓弧板補口管（圖6），再對工作管進行保溫，保溫完畢后組對安裝上半圓弧板補口管。半圓弧板補口管與主管外護管組對時應使內壁平齊，以保證焊接質量。

直埋蒸汽管道焊接工作量大、要求高，焊接質量的好壞直接關系到整條管線的生產運行。外套補口管的焊接質量對直埋蒸汽管道的安全同樣也十分重要，若因焊縫缺陷而引起地下水滲入外護管內，將直接導致已安裝的全部保溫材料失效，進而造成較大的經濟損失。因此必須在施工、檢驗環節上嚴把質量關。外套補口管的焊接采用氬電聯焊，焊接完畢后采用100%超聲波探傷，無損檢測合格后，對外套補口管進行除銹、防腐。

焊接過程中涉及焊接、探傷、保溫、外套補口、防腐等工序，相互交叉，必須銜接配合好，以確保工程質量。不得在外套補口管表面引弧或試驗電流。焊接表面不得有電弧擦傷等缺陷。

圖6 下半圈外套補口管組對焊接

4 傳統工藝與改進工藝的對比分析

本工程主管線長度約23.6 km，按每組10 m 計算，外套補口管約2360 組，綜合人工費平均按220 元/d 計算。

4.1 費用對比

（1）采用傳統工藝所需費用。單個外套補口管的制作安裝需求工期為3 d，需要作業人員4 人，所需的人工成本為3×2360×220×4=6 230 400 元，即623.04 萬元。

（2）采用改進工藝所需費用。單個外套補口管的制作安裝需求工期為2.5 d，需要作業人員3 人，所需的人工成本為2.5×2360×220×3=3 894 000 元，即=389.4 萬元。

（3）弧度板及工裝制作費用。弧度板及工裝制作按20 套/km計算，單套費用（含人工、材料費）約為0.1 萬元，工裝可以重復利用，則共計23.6×20×980=462 560 元，即=46.256 萬元。

所以，采用改進工藝可以比傳統工藝節省費用623.04-（389.4+46.256）=187.384 萬元。

4.2 工期對比

（1）采用傳統工藝所需工期。單個外套補口管的制作安裝需求工期為3 d，按20 組外套補口管同時施工計算：所需工期3×2360÷20=354 d。

（2）采用改進工藝所需工期。單個外套補口管的制作安裝需求工期為2.5 d，按20 組外套補口管同時施工計算：所需工期2.5 d/組×2360÷20=295 d。

所以，采用改進工藝，比傳統工藝節約工期59 d。

4.3 安裝質量對比

采用傳統工藝，坡口間隙往往（3～9）mm，達不到規范（GB 50236—2011《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》附錄C）常用焊接坡口形式和尺寸V 形坡口間隙0～3 mm）要求。采用改進工藝，可以將坡口間隙有效地控制在3 mm 以內。

5 結語

外套補口管采用分段切割、加設弧度板和自制工裝的措施進行施工，比傳統的施工方法更方便快捷，解決了直埋鋼套鋼蒸汽管道外套補口管變形嚴重、焊縫質量難以達到規范要求、施工效率低下、易發生安全事故等難題，既降低了施工難度，提高了安裝質量，又節約了施工成本，縮短了施工工期，同時還保證了安全。采用本改進的施工工藝技術施工，在經濟性、安全性等方面具有較大優勢，在直埋鋼套鋼蒸汽管道施工中值得推廣應用。