超大型球岔現場整體安裝焊接創新技術探討

陳允兵，黃 禮

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

近幾年，超大型高強鋼球岔在水電站中應用廣泛，其整體組裝、焊接施工工藝得到了成功的應用，經濟和社會效益明顯，可在類似設備制造、安裝中推廣[1-2]。

一直以來，球岔的制造、安裝都是水電工程的重點和難點問題，尤其是超大型球岔制造安裝過程，對工藝及精度要求較高，且因運輸條件的限制，需在廠家制作瓦片后在現場進行整體組裝和焊接。但是受到施工現場條件的限制，對鋼球岔的現場整體組裝、焊接工藝要求較高。

為確保安全、優質、高效地完成岔管的現場組裝、焊接，本研究在施工中充分使用新材料、新工藝、新技術，經過現場多次優化，制定了一套全面的施工方案，以期為以后其他電站超大型球岔現場組裝工程提供借鑒。

1 技術特點

老撾南塔河水電站壓力鋼管采用一管三機的供水方式，主管直徑為8.20 m，支管直徑為4.50 m。岔管采用Y型球岔，分岔角為80°。埋管段長93.50 m，岔管段長14.50 m。這種超大型Y型球岔在水電站使用較少，安裝制作工藝及精度要求較高，且南塔河水電站是國外項目，受現場施工設備條件限制，都是由國內工廠制作成瓦塊后現場組拼、安裝，這一過程存在如下難點：一是受現場吊裝條件限制，球岔現場組裝必須根據每塊瓦塊的重量結合汽車吊參數明確瓦塊的吊裝順序；二是球岔管為異型結構，焊縫質量要求遠遠高于同類結構的焊縫，焊接質量和外觀質量控制難度大；三是岔管由國內卷板后瓦塊轉運至現場，現場組裝安裝，可能存在運輸變形（現場無矯正設備），且岔管板厚達到40 mm，現場只能采用千斤頂、鏈條葫蘆調整以及加溫等方法處理，導致施工難度較大。

為此，本研究通過和國內制作廠聯系，取得岔管下料圖和編號圖，通過科學的施工設備布置、合理的人員安排及采用合適的吊裝手段，根據瓦塊的重量結合汽車吊參數明確瓦塊的吊裝順序，解決了現場現有吊車（50 t）起吊能力不足的問題，同時，通過利用已安裝完成的支管作為首裝節在岔管設計安裝位置進行組裝、焊接，在每個瓦塊掛裝時對瓦塊的管口中心高程和里程進行調整，并利用水平儀和鋼卷尺配合測量瓦塊的安裝高程，測量點為兩腰和頂底共4個，對測量數據進行分析，并消除岔管圓度變形誤差的影響，進行綜合判斷后，再來確定壓縫的方向和安裝位置，保證了岔管現場組裝精度。

2 技術理論

老撾南塔河水電站工廠項目屬于國外項目，大型球岔的制作安裝受現場施工設備條件限制，都是國內制作成瓦塊后到施工現場再進行組拼、安裝，根據每塊瓦塊的重量結合汽車吊參數（岔管總重126 t），岔管按照安裝說明書進行組裝。岔管從#2機支管第18節開始安裝，以第10塊瓦塊作為始裝瓦塊，然后向#1機支管、#3機支管、主管三個方向延伸，每塊瓦塊根據放置的樣點和預裝的中心記號控制岔管安裝尺寸。這一過程中，利用水準儀控制岔管中心高程。最后在#1機支管第1節、#3機支管28節、主管34節為湊合節進行合攏。

岔管平面布置情況如圖1所示。

圖1 岔管平面布置圖

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 岔管現場組裝工藝流程

準備工作（含資源、技術等）→車間立式組裝→現場臥式組裝→現場焊接→無損檢測→支撐拆除及打磨→悶頭安裝→水壓試驗→防腐→整體驗收。

3.2 施工準備

3.2.1 人員準備對施工人員進行培訓，焊工按ASME標準進行技術考核。

3.2.2 施工臨時設施布置

根據岔管瓦片組裝焊接需設備和用電量，在上游主管內布置配電柜，并布置8臺電焊機。在#3機支管位置布置一臺容量為1.5 m3的空氣壓縮機，然后利用軟管連接到施工現場。

3.3 車間組裝

球岔分瓦塊到貨后，根據瓦塊重量和吊車參數，瓦塊需要先在車間內組裝好。這一過程中，保證與預組裝的尺寸偏差相一致或接近是關鍵問題。綜合考慮采用以下組裝方法，組裝順序如表1所示。

3.4 現場組裝

岔管從#2機支管第18節開始安裝，以第10塊瓦塊作為始裝瓦塊，然后向#1機支管、#3機支管、主管三個方向延伸，每塊瓦塊根據放置的樣點和預裝的中心記號控制岔管安裝尺寸，采用水準儀控制岔管中心高程。最后在#1機支管第1節、#3機支管28節、主管34節為湊合節進行合攏。其安裝順序如表2所示。

3.5 現場焊接

岔管焊縫在工作中要承受很大動水壓力，因而對焊縫的內部質量要求高，對其外形尺寸要求也高，施工過程中需嚴格按照焊接工藝進行施工。

在岔管組裝合格后進行接縫的焊接。焊接的原則為先焊接縱縫、后焊接環縫。預先對岔管進行對稱分段焊接控制，冷卻后進行填充滿焊，滿焊方法采用多層、多道、分段退步焊接，以減少焊接變形。焊接完成后，根據設計圖紙要求對焊縫進行打磨工作以滿足設計要求，焊條使用相應的（GB/T 5117-1995）標準焊條進行焊接。

球岔管板厚達到40 mm，且球殼頂點圓弧位置為十字縫，焊接時應力集中，該部位縱、環縫預留500 mm距離，不焊接，全部焊接完成后最后焊接頂點圓弧位置。

3.6 焊縫檢查

外觀檢查：所有焊縫都進行焊縫外觀檢驗，符合DL5017的規范要求。

無損探傷：悶頭連接管的焊縫均需經過TOFD或者UT探傷合格。焊縫無損探傷的抽查率應負荷施工圖及相關規范中的規定。岔管焊接合計焊縫長度為443.44 m，超聲波探傷一次合格率為99 %,TOFD探傷一次合格率為100 %。

表1 車間組裝順序表

表2 現場組裝順序表

3.7 支撐拆除及打磨

岔管內支撐在水壓試驗前拆除，使整個岔管處于自由無約束狀態。拆除鋼岔管上的支撐時，嚴禁采用錘擊法。應用割槍或氣刨將工具卡在距離母材2～4 mm處切割去除，然后用砂輪機打磨并進行PT檢測。焊縫內部或表面發現裂紋時，將先找出原因、制定措施，再進行補焊。在母材上存在電弧擦傷，若有擦傷，需進行砂輪打磨處理后進行探傷檢查。

3.8 悶頭設計安裝

根據《壓力容器規范》（GB150-2011），按照推薦壓力容器計算公式進行設計，球岔水壓試驗悶頭建議采用標準橢圓型悶頭，悶頭板厚和技術要求根據規范進行設計計算。

3.8.1 支管悶頭計算

壓力容器（GB 150.3 設計）部分相關參數：

Di—封頭內徑與其連接的岔管內徑，mm；

hi—凸型封頭內曲面深度，mm；

Pc—計算壓力（工作壓力1.4 MPa）；

[σ]t—設計溫度下封頭材料的許用應力，MPa；

Φ—焊接接頭系數；

δh—凸型封頭計算厚度，mm；

δnh—凸型封頭的名義厚度，mm；

在本研究設計中：Di=4 500，封頭采用和岔管同類材料Q390C，板厚30 mm；通過查壓力容器（GB 150.1 通用部分）得Φ=0.8，查壓力容器（GB 150.2材料）得[σ]t=196 MPa（水溫＜100 ℃）。

采用標準的橢圓形封頭（長軸與短軸之比為2），K=1：

3.8.2 主管悶頭計算

Di=8200，封頭采用和岔管同類材料Q390C，板厚40 mm；通過查壓力容器（GB 150.1 通用部分）得Φ=0.8，查壓力容器（GB 150.2材料）得[σ]t=193 MPa（水溫＜100 ℃）。

采用標準的橢圓形封頭（長軸與短軸之比為2) ，K=1：

3.8.3 悶頭安裝

悶頭拼焊完成后進行悶頭與主岔管管口尺寸檢測，然后進行悶頭安裝。在安裝前做好定位軸線，4 500 mm悶頭安裝采用25 t施工現場布置塔機吊進行吊裝，采用5 t手拉葫蘆將悶頭開口調節處于豎直狀態，吊至連接管管口，控制悶頭內壁與連接管內壁錯邊在2 mm以內。吊裝時應避免悶頭與管節相撞。直徑8 200 mm悶頭在岔管安裝完成后采用50 t汽車吊分瓣進行吊裝安裝。

3.9 水壓試驗

在岔管管節與悶頭連接管上布置排水閥、排氣閥等，在2#機支管節消防取水管上布置充水閥、壓力表等。水壓試驗采用20 MPa的打壓泵。水源利用試驗場地附近施工水源或者養護用水。水壓試驗完成后，首先卸壓，將岔管內的水排空后進行悶頭切割，并按要求切割掉岔管與悶頭間連接管的余量，岔管水壓試驗布置原理圖如圖2所示。

圖2 岔管水壓試驗平面布置圖

為保證岔管的穩定性，岔管底部和兩腰采取支撐加固，增加岔管剛性，且在岔管水壓試驗前在岔管底部澆筑一個2 m×2 m的混凝土支墩，保證支撐強

3.1 0 整體驗收

岔管安裝完成后，根據《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》（DL-T 5017-2007）組織業主、監理進行聯合驗收。

4 效益分析

超大型球岔現場組裝焊接方法產生的經濟效益如下：一是解決了國外項目吊車起吊能力不足的問題；二是解決了超大型球岔無法整體運輸的問題，節省了雇傭大型起重和運輸設備的費用；三是通過方案的優化，節省了人力資源、縮短了安裝工期，經濟效果顯著。

超大型球岔的現場組裝焊接成功，對以后其他水電站岔管現場安裝、組裝、焊接工藝有重要的指導意義，也為以后同類型電站的岔管設計提供重要的依據。

5 結語

本技術已成功應用于老撾南塔河1號水電站大型岔管現場安裝焊接施工中，岔管的水壓試驗過程中未發生岔管本體滲漏和焊縫開裂現象。目前，老撾南塔河1號水電站已蓄水發電。2018年10月26日三臺機甩負荷試驗及動水管蝶閥試驗完成，引水隧洞、壓力鋼管、岔管運行安全、穩定。