壓力鋼管支撐環組對工裝設計

姚俊杰

（新疆匯通水利電力工程建設有限公司）

0 引言

新疆一引水工程采用倒虹吸壓力鋼管，該管道工程壓力鋼管內徑D=2700 mm，鋼管壁厚б=26 mm，鋼管工程量超6 000 t，其中支撐環超340 t。管線制造長度L=3681 m，管線共設381個支墩，每個支墩位置均設計一套支撐環系統。因此，在制作工藝設計時以支墩位置為節點，將鋼管分為381 個安裝單元節，每個安裝單元節上設有一套支撐環系統。其中支撐環組對在整套工序里最為重要，需縮短施工時間以滿足壓力鋼管安裝節的出廠運輸及安裝進度，另外還涉及壓力鋼管的安裝質量及設備運行安全。支撐環合同工程量較多，安裝有效時間較短，造成鋼管制作特別是帶有支撐環的鋼管需在短時間內完成。在較短的時間內如何更有效的控制支撐環組對、焊接質量、保證工效，使支撐環制作形成流水線，為此特設計制作支撐環組對工裝以滿足上述要求。

圖1 支撐環結構圖

1 支撐環結構形式及控制要點

如圖1（支撐環結構圖）示：在壓力鋼管外壁側布置了間距為20 cm的支撐環兩道，兩道支撐環之間使用節點筋板相連加固，支撐環兩側異形位置兩邊同時保持在同一平面內，且兩道環各位置需保持一致。兩道支撐環在異形板水平位置設有端頭板用于連接支撐滾輪。在安裝時安裝節兩側的支座滾輪應同時坐落在支座板上，并在鋼管溫度收縮變形時可在支座板上進行滾動減少滑動摩擦應力。避免兩側支座滾輪一側貼合而另一側貼合不緊密或懸空的現象發生。因此在制作時質量參數需控制兩邊端頭板的與管軸線平行度、每對端頭板共面度及相互平行度，兩端頭板中心間距設計值為2 920 mm。除上述質量參數需進行控制外，對于下線產品質量、規格的通用性也同樣有要求，以此達到同規格的鋼管安裝位置的任意性。

2 傳統制作工藝

支撐環組拼的傳統工藝是基于每個支撐環單獨進行組拼。第一步先行在鋼管上進行支撐環位置定位線的測量及標記，并在標記線位置焊接支撐環托板用于放置支撐環。第二步將支撐環各部分依照管壁上標記的定位線依次擺放并組對，組對時支撐環與鋼管管壁間隙較大時需使用U 型卡進行調整并測量其與管壁的垂直度，調整完成后進行點焊加固。第三步是在第一道支撐環上表面測量標記出各筋板的位置定位線，然后將各筋板擺放到位并使用直角尺調整與支撐環的垂直度，調整完成后點焊加固。第四步將第二圈支撐環擺放在筋板上，并依照第一圈的拼裝方法進行組對。最后也是關鍵的一步是進行端頭板的安裝，先行在端頭板及異形板上標記出定位線，再將端頭板與異形板參照定位線進行組拼，組拼時使用長度3000 mm的靠尺測量兩側端頭板端面的平面度及共面度、端頭板頂面的平面度，另使用直角尺測量端頭板與支撐環的垂直度，用卷尺測量兩側端頭板的中心間距（測量兩組值以免產生夾角，保證平行），全部調整完成后進行點焊加固即可，全部完成后便可吊入焊接平臺進行焊接。

因此，需在制作時消除各種影響造成的制作偏差，將人為控制變更為工裝控制，保持制作的統一。為此在制作開始前設計制作工裝進行統一控制，并以此解決上述問題。

3 工裝設計

工裝的設計需從個工序的質量控制點出發，從各控制點消除產生偏差的可能性。且各工序控制點需相互不影響，銜接順暢。制作工裝如圖2示。

圖2 支撐環組對平臺示意圖

首先第一步選擇尺寸合適的厚板（板厚在40 mm 左右，所選鋼板規格主要以鋼管參數為依據進行選擇），鋼板尺寸為5 000 mm×5 000 mm，并在底部設置20#工字鋼作為支撐隔梁，調整水平并與鋼板焊接固定形成操作平臺，平臺的質量要求主要是保持水平度，且平臺面本身平整度較高，剛度滿足要求不易變形，以保證鋼管坐落平臺時不會因自重產生變形。

鋼管由單張鋼板卷制而成，由于管徑較大，在卷制焊接成型后圓度和管口平面度可能會有一定的偏差，因此第二步是在平臺上利用地規做圓畫出鋼管輪廓并使用楊沖做標記，共兩圈。第一圈以鋼管外徑+2 mm做圓（+2 mm是考慮鋼管的周長的合理周長偏差），第二圈以鋼管外徑+60 mm做圓，以此作為鋼管圓度的檢查線。將第二道圓16等分，在等分位置焊接直角擋塊，擋塊放置在該圓外側并使其與平臺面的垂直邊與圓線對齊。

第三步焊接支撐環組裝托架，托架使用20 mm厚的長方形鋼板，托架高度與支撐環組裝位置一致，托架的布置依照節點筋板的位置進行分布且適當加密以利于支撐環放置時穩定且便于控制節點筋板位置（此位置托架用紅油漆標記以示筋板位置），使用水準儀將托架測平，與支撐環底面保持在同一高程上。

圖3 定位支架示意圖

第四步如圖3 示，參照右邊圖示制作端頭板定位支架，支架上部的固定支座板直接使用支撐環端頭板（以保證端頭板放置的水平度，中心間距、眼距等參數），用于固定組裝的端頭板，將固定支座板固定在30#工字鋼上，工字鋼背部再焊接筋板防止固定支座板端面發生傾斜。整體定位支架制作完成后，先行參照設計圖紙（圖1）給出的支撐環各零件相對位置尺寸，在平臺上劃出端頭板外側邊投影位置的地樣并使用楊沖標記，標記完成后將定位支架焊接加固在平臺對應位置（使固定支座板端面與端頭板外側邊地面投影對齊，固定支座板中心與端頭板中心投影重合）。同時控制兩側定位支架中心間距（將中心間距在設計值2 920 mm的基礎上增加3 mm的余量，以此消除焊接收縮的影響）。以滿足定位支架的端面與水平臺面相互垂直，并保證兩側的定位支架端板共面。在每個定位支架兩側焊接筋板以保持端板頂部保持水平，避免發生向兩側傾斜的情況。

4 使用方法

將制作好的鋼管單節吊至操作平臺上，使鋼管圓面貼合在平臺上（管軸線與工裝平臺面垂直），并將鋼管外壁圓面與地樣的第一道圓重合，此間利用直角擋塊加鋼楔子對鋼管圓度進行調整，使鋼管外壁與第一道圓線重合或均勻分布，并利用檢查線抽取任意位置檢查，需使各檢查位置的檢測數據一致，最大差值≤1 mm。

將支撐環端頭板利用螺栓固定在定位支架的固定支座板上，使端頭板十字中心與定位支座板的十字中心重合。

將整圈的支撐環進行合理分塊，分塊工藝制定完成后使用數控切割機進行雙鋒線切割（雙鋒線切割有利于消除鋼板的熱變形，能夠更好的控制支撐環內圈弧度，使支撐環在組裝時與鋼管外壁貼合度更好）。

先行組裝第一圈支撐環，將分塊的環體按位置逐塊的放置在支撐環托架上與管壁貼合并檢查貼合間隙（間隙超過允許偏差時進行調整），并使用直角尺檢查支撐環與管壁的垂直度，支撐環的異形板組裝時內圈弧面與鋼管外壁貼合，相對側的直面與端頭板貼合并檢查間隙，合格后點焊加固。

第一圈支撐環組裝完成后，利于底部托架標記出各筋板位置，將筋板組裝在相應位置并使用直角尺檢查筋板與支撐環面的垂直度，檢查合格后點焊加固。

第二圈支撐環可以筋板作為環體的支撐，直接按照第一圈支撐環安裝的步驟放置在筋板上檢查、調整、加固即可。

待所有零部件組裝并點焊加固完成后，將支撐環端板處的固定螺栓拆除，隨后再將鋼管整體吊出運送至焊接平臺，焊接支撐環使用二氧化碳氣體保護焊，焊接時分兩人對稱布置同時順時針焊接以減小焊接變形。

焊接完成后靜置24 h后復測支撐環各位置參數，支撐環端頭板中心間距可控制在2 920±2 mm，共面度1 mm/m，相互平行度1 mm每米以內，產品主要控制參數均可達到優良。

5 結論

壓力鋼管支撐環的組裝難點在于每個產品相互獨立制作而造成的質量不穩定、不易控制。較之傳統制作過程由于下料、拼裝組對時產生的偏差，焊接熱影響變形等問題均可在使用制作工裝后得以妥善解決。工裝的使用實現了支撐環組對的標準化，提高了產品質量，加快了施工效率，從而為工程順利完成保駕護航，并且為今后類似工程提供有效參考。