高水頭厚壁壓力鋼管安裝施工技術

李英會，劉國杰

（1.中國水電建設集團十五工程局有限公司，西安 710077；2.廣西昌順建設工程有限公司，廣西 崇左 532200）

1 概述

1.1 工程概況

天湖水電站位于廣西全州縣才灣鎮境內，電站設計水頭1074 m，一期工程于1993 年投入運行，當時為“亞洲第一高水頭”電站，二期工程裝機30 MW。

二期壓力鋼管制安3603 t，管徑Φ1400 mm，材質Q390C，壁厚34～58 mm。二期壓力鋼管在一期旁邊布置，全長2297 m，其中洞內730 m，洞外1567 m，洞外管道安裝坡比7°～41°，壓力管道縱斷面見圖1。工程地處山區，屬于亞熱帶潮濕氣候區，氣候溫和，濕度大，多年平均氣溫17.9℃，最高40.4℃，最低-7.2℃，多年平均降雨量2261 mm。

圖1壓力管道縱剖面圖

1.2 施工特點及技術難點

（1）壓力鋼管直徑1400 mm，采用Q390C 低合金鋼板，壁厚最大達58 mm，安裝存在厚壁、小直徑，高強度的特點，鋼管焊接是一個技術難點。

（2）壓力管道安裝地理位置特殊，洞外山坡明管段山勢陡峭，基本無法修筑施工道路；洞內明管段存在操作空間狹小，鋼管運輸不便，鋼管現場運輸及安裝是施工的一大難點。

（3）施工現場多雨潮濕，保證鋼管焊接質量是施工的重點。

2 壓力鋼管安裝關鍵技術

本工程鋼管直徑Φ1400 mm，采用Q390C 低合金鋼，鋼管壁厚分別為34、42、48、54、58 mm，標準管長6 m，重7～12 t。

2.1 壓力鋼管運輸

2.1.1 坡道運輸

由于坡道較陡，修筑施工道路較為困難，根據現場施工條件，坡道鋼管設置4個安裝點，用汽車將鋼管運到安裝點后，沿坡道鋪設軌道，用卷揚機牽引專用自制小車，自上而下將鋼管運至工作面。

坡道鋼管運輸最大坡比41°，坡長200 m，中間有4個變坡點。為了適應斜坡段變坡點鋼管運輸的需要，本工程發明了軟連接斜坡運輸小車，成功解決了以往斜坡段變坡點運輸鋼管需要將鋼管吊起的問題，加快了進度，節約了成本。

（1）在坡道上安裝間距為1.0 m 的0.2 m×0.2 m×1.8 m的方木，方木上固定兩道12 kg/m的輕型軌道，在坡道上端安裝5 t卷揚機牽引。

（2）軟連接斜坡小車由兩個1.0 m×1.2 m小車，用兩根鋼絲繩連接而成，小車采用10號槽鋼和鋼板焊接，安裝8 個Φ10 的鋼輪，Φ16 鋼絲繩連接，在軌道上行走。

（3）在坡道上端采用汽車吊將鋼管吊運固定在小車上，卷揚機牽引，小車依靠重力自行下滑。經過坡道變坡點時，由于小車中間為軟連接，且單個小車前后輪距較小，可順利通過。為防止通過變坡點時牽引鋼絲繩挑起或擦地，在凸起或凹下變坡點處設置正向或反向定滑輪。鋼管運輸小車實物見圖2。

圖2 鋼管運輸實物圖

（4）鋼管運至工作面后，利用三腳架將鋼管卸下，采用人工倒鏈千斤頂安裝。

2.1.2 洞內運輸

天湖水電站洞內鋼管安裝730 m，為單洞口施工，鋼管只能從內向外安裝。由于洞內空間有限，鋼管洞內運輸成為制約施工的一個難點，經過方案比選，最終確定了洞口雙卷揚機正反牽引軌道運輸方案，成功解決了單洞口長隧洞鋼管運輸問題。

（1）洞內鋪設輕型軌道，自制運管小車運輸，卷揚在洞口牽引。

（2）洞口設置兩臺卷揚機，一臺用于小車進洞牽引，另一臺用于小車出洞牽引。

（3）進洞采用3 t 卷揚機，牽引鋼絲繩Φ10，繩長（730×2）+10 m，卷揚機卷筒收納730+5 m，需要在洞內端頭設置一個導向定滑輪；出洞采用1 t 卷揚機，牽引鋼絲繩Φ8，繩長730 m。

（4）鋼管進洞時，進洞卷揚機收繩，出洞卷揚機放繩；卸車后鋼管出洞時，進洞卷揚機放繩，出洞卷揚機收繩。

2.2 鋼管組對

坡道壓力鋼管安裝一般自下向上進行。鋼管運至工作面后，采用三腳架倒鏈吊裝，用千斤頂將鋼管頂起至設計高程，手拉葫蘆調整兩管口間隙，鋼管對接內壁采用千斤頂，外壁采用壓馬配合進行壓縫處理，管口對接錯位不大于3 mm，管口圓度不大于4 mm，對接完成經驗收合格后，利用槽鋼加固，退出小車，移交焊接。

2.3 焊接

由于鋼管采用Q390C低合金鋼厚壁鋼板，經焊接工藝評定，采用焊縫預熱緩冷技術，成功地解決了厚板焊接裂縫問題。

2.3.1 焊接程序

焊前預熱→定位焊→手工焊打底→手工電弧焊填充內焊縫→碳弧氣刨清根→手工電弧焊填充外焊縫→焊后熱處理。

2.3.2 焊接工藝要求

（1）焊接材料。手工焊選用大西洋焊條廠生產的J507焊條。

（2）焊接坡口型式。焊縫采用非對稱X型坡口（見圖3）。

圖3 坡口形式及焊接順序

（3）焊接參數。參數規范見表1。

焊接層次1/1 1/2 1/3 1/4 1/5焊接方法SMAW SMAW SMAW SMAW SMAW焊條（絲）牌號J507 J507 J507 J507 J507直徑3.2 4.0 4.0 5.0 5.0焊接電流極性反極反極反極反極反極電流/A 100～130 160～220 160～220 190～280 190～280電弧電壓/V 20～22 20～22 20～22 20～22 20～22焊接速度/（cm/min）14～16 14～16 14～16 14～16 14～16

2.3.3 主要焊接工藝措施

（1）焊前預熱。焊前預熱是防止普通低合金鋼厚壁管道焊縫產生裂紋和氣孔等缺陷的重要措施，針對Q390C 鋼有脆硬傾向以及工程區多雨、多霧、空氣濕度大等特點，預熱采用履帶式陶瓷電加熱器，預熱寬度350 mm，預熱溫度100℃～120℃，預熱時將預熱范圍內的鋼管內外均勻加熱，防止局部過熱。

（2）定位焊。定位焊采用手工電弧焊點焊，環縫對稱點不少于3 點，點焊在坡口內，長度不小于100 mm。定位焊在反面（外側）坡口內點焊，正面（內側）焊縫焊接完后應將定位焊焊點打磨掉。

（3）手工焊打底。打底采用手工電弧焊，打底焊接時，焊縫兩邊120 mm 范圍內應預熱至120℃，鋼管內不得有穿堂風、積水，鋼管坡口內不得有灰塵等雜質。打底厚度不小于3 mm。

（4）手工電弧焊填充內焊縫。焊接采用先內后外法。先進行內縫焊接，在鋼管外進行碳弧氣刨清根后，再進行外縫焊接。安裝現場環縫焊接，由2名焊工用手工電弧焊從鋼管內壁底部開始，由下而上沿相反方向沿環口向上施焊，根據管壁厚度，焊6～18層成型，每層厚度3～6 mm，上一層焊接完畢，利用角磨機將焊縫打磨清理干凈再進行下一層焊接；層間溫度應保持在230℃，過低則容易產生裂縫，層間接頭應錯開100 mm。焊條擺動幅度，最寬不超過焊條直徑的5倍，接頭應錯開25 mm。施焊時，應特別注意接頭和收弧質量，收弧時應注意將熔池填滿。

（5）碳弧氣刨清根，手工電弧焊填充外焊縫。鋼管內側焊縫填充完成后，先進行外側焊縫預熱，然后在鋼管外側采用碳弧氣刨對焊縫進行清根，并用角磨機磨除滲碳層和刨槽表面缺陷，然后再進行外側施焊。外側焊縫施工方法同內側焊縫。

（6）焊后熱處理。為了改善焊縫區的金屬性能，消除焊接殘余應力，避免焊縫在冷卻過程中產生裂紋，應對焊縫進行焊后消應力處理。焊后熱處理的方法，采用履帶式陶瓷電加熱器進行，將環縫在金屬相變點以下均勻加熱，溫度升至350℃時保溫2 h，然后自然冷卻至環境溫度拆除加熱器。

2.3.4 焊接檢查

焊接完成的壓力鋼管，焊縫邊緣過渡到母材應圓滑、勻直、接頭良好，焊縫無咬邊、錯口，焊縫經100%超聲波探傷和5%“X”射線探傷，無裂紋、氣孔、夾渣現象。

2.4 雨季施工措施

天湖水電站地處南方多雨地區，氣候潮濕，為防止山洪、泥石流等自然災害，應密切關注天氣預報；雨天應停工，如需趕工，必須搭設防雨棚。

3 結語

隨著水電資源的開發利用，中國西部高山峽谷地區有一大批尚待開發高水頭沖擊式小型水電站，天湖水電站二期工程壓力鋼管安裝的工程實踐，對于高水頭、厚壁陡坡段及洞內壓力鋼管安裝取得了寶貴的經驗，可為類似工程施工提供借鑒。