水電站壓力鋼管洞內(nèi)組圓及安裝技術(shù)

汪義橋 焦凱

摘要：隨著我國(guó)大型水電站項(xiàng)目不斷增加和深度開發(fā)，引水發(fā)電系統(tǒng)壓力鋼管工程規(guī)模日益增大，傳統(tǒng)壓力鋼管施工技術(shù)存在諸多局限，已無(wú)法滿足大型水電工程的開發(fā)需求。壓力鋼管洞內(nèi)組圓及安裝新技術(shù)，旨在快速、安全、優(yōu)質(zhì)地完成壓力鋼管施工，適應(yīng)安全、環(huán)保、健康要求，減少勞動(dòng)力數(shù)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高工期可控性、工程質(zhì)量、安全性和環(huán)保程度。

關(guān)鍵詞：壓力鋼管;洞內(nèi)組圓;安裝;新技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TV547文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6903（2021）12-0046-03

0前言

傳統(tǒng)壓力鋼管施工存在，需建設(shè)用于壓力鋼管制造與儲(chǔ)存的專用壓力鋼管廠、存儲(chǔ)廠;需建設(shè)用于鋼管運(yùn)輸?shù)膶Ｓ猛ǖ?大量純手工作業(yè)，施工效率低、質(zhì)量可控性差;施工風(fēng)險(xiǎn)大、勞動(dòng)強(qiáng)度大且安全風(fēng)險(xiǎn)高;運(yùn)輸壓力鋼管嚴(yán)重?cái)D占道路，豎向翻轉(zhuǎn)需專用大型吊裝設(shè)備;不符合綠色、環(huán)保、人性化的發(fā)展需求等突出問題[1]。

蘇洼龍水電站位于金沙江上游河段，布置4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1200MW，為一等大（1）型工程，采用一管一機(jī)供水方式，4條引水隧洞平行布置，間距31m，壓力鋼管段洞徑10.0m。本工程地處青藏高原深切河谷地帶，工程區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，征地協(xié)調(diào)、施工場(chǎng)地開辟和專用運(yùn)輸通道建設(shè)困難;同時(shí)，勞動(dòng)者對(duì)工作地點(diǎn)、條件、環(huán)境以及安全環(huán)保的要求越來越高，常規(guī)壓力鋼管施工高度依賴勞動(dòng)者主觀能動(dòng)性、自覺性的傳統(tǒng)勞動(dòng)密集、技術(shù)密集、不良環(huán)境中高強(qiáng)度危險(xiǎn)工作越來越難以實(shí)施。

1洞內(nèi)組圓及安裝新技術(shù)

在蘇洼龍水電站壓力鋼管制作中，成功引入了“智能化組焊”生產(chǎn)技術(shù)，避免了傳統(tǒng)上現(xiàn)場(chǎng)建鋼管制作廠及堆存場(chǎng)、設(shè)置專門的壓力鋼管運(yùn)輸通道和洞頂布置鋼管吊裝天錨，解決了大面積施工場(chǎng)地占用問題。同時(shí)，采用2臺(tái)套設(shè)備和相應(yīng)的工藝在隧洞內(nèi)進(jìn)行壓力鋼管施工，顯著縮短了傳統(tǒng)焊接需求時(shí)間，提前工期約7個(gè)月;100%的縱縫、90%的加勁環(huán)角焊縫、50%的環(huán)縫實(shí)現(xiàn)了埋弧自動(dòng)焊，焊道飽滿、無(wú)飛濺，較傳統(tǒng)工藝具有更優(yōu)的施工質(zhì)量及外觀;施工安全受控、現(xiàn)場(chǎng)整潔有序，顯著提升工程施工形象[2]。

1.1快速組圓

采用壓力鋼管智能組焊專機(jī)及洞內(nèi)自動(dòng)化組焊工藝，實(shí)現(xiàn)了瓦片卸車、組對(duì)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、鋼管自動(dòng)調(diào)圓、組焊設(shè)備的主機(jī)升降回轉(zhuǎn)及雙向移動(dòng)等快速組裝。

（1）依托現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、三維仿真設(shè)計(jì)技術(shù)和有限元分析工具，結(jié)合壓力鋼管智能化施工需求，采用壓力鋼管智能組焊專機(jī)，主要由立柱、橫梁和主機(jī)體等組成。橫梁端部與立柱連接，主機(jī)體轉(zhuǎn)軸連有回轉(zhuǎn)支撐架，主機(jī)體設(shè)置在橫梁上方，主機(jī)體下部連接有水平回轉(zhuǎn)裝置，橫梁與立柱連接部位具有定位夾緊和升降的設(shè)置;新型機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)了組焊專機(jī)的快速安裝、移動(dòng)以及多種方位、管徑大型壓力鋼管焊接施工需求，蘇洼龍水電站使用ZH135型智能組焊專機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

（2）采用一種大型壓力鋼管隧洞內(nèi)智能化組焊工藝流程（圖1），將先進(jìn)的流水化作業(yè)理念應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)，創(chuàng)新了一種全新的壓力鋼管施工工法—“單節(jié)組焊-多節(jié)組焊-鋼管安裝“三工位法（圖2），實(shí)現(xiàn)了在洞內(nèi)進(jìn)行（超）大型鋼管的現(xiàn)場(chǎng)單節(jié)制造、大節(jié)制造，探索出了一條適應(yīng)環(huán)境惡劣、生態(tài)脆弱地區(qū)壓力鋼管生產(chǎn)的新道路。

1.2自動(dòng)化運(yùn)輸及調(diào)整

采用多功能滾焊臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)了鋼管洞內(nèi)自動(dòng)化運(yùn)輸及調(diào)整，突破了洞內(nèi)多節(jié)直管及彎管組焊施工技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了單次組焊三節(jié)壓力鋼管[3]。

（1）適用于彎/直管行走、轉(zhuǎn)動(dòng)等的多功能滾焊臺(tái)車，創(chuàng)新性地采用了繞臺(tái)車底座偏轉(zhuǎn)的滾輪裝置，降低了鋼管運(yùn)輸高度要求。臺(tái)車液壓千斤頂及其液壓泵站、電磁閥都放在中空的臺(tái)車支座內(nèi)部，不僅能夠調(diào)整滾輪的高度和中心距，而且結(jié)構(gòu)整體緊湊、占用空間小、安全性高，實(shí)現(xiàn)了狹小空間壓力鋼管的轉(zhuǎn)動(dòng)、升降以及運(yùn)輸，突破了在隧道內(nèi)等類似空間限制場(chǎng)所的壓力鋼管自動(dòng)化焊接施工。

（2）適用于大型壓力鋼管彎段運(yùn)輸?shù)墓に嚕摴に囈詢蓚€(gè)多功能滾焊臺(tái)車為基礎(chǔ)，結(jié)合用于在過彎時(shí)支撐鋼管的轉(zhuǎn)盤，通過在其中一個(gè)多功能滾焊臺(tái)車的底座上設(shè)置轉(zhuǎn)盤，或者每個(gè)多功能滾焊臺(tái)車的底座上均設(shè)置轉(zhuǎn)盤的創(chuàng)新方法，轉(zhuǎn)盤由底座、車輪、連接件、滾輪、車輪電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、頂盤、底盤、轉(zhuǎn)盤軸承、千斤頂?shù)炔考M成，通過軌道不僅能夠保證鋼管在直線道路上運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性，還能保證鋼管運(yùn)輸車順利通過彎道，減小彎道對(duì)鋼管運(yùn)輸?shù)南拗疲涌熹摴苓\(yùn)輸進(jìn)度，縮短施工工期。

（3）采取無(wú)吊具轉(zhuǎn)運(yùn)大型壓力鋼管的方法，包括以下步驟：①多功能滾焊臺(tái)車將鋼管運(yùn)到橫向轉(zhuǎn)運(yùn)車處，在該位置鋼管與橫向轉(zhuǎn)運(yùn)車重合;②多功能滾焊臺(tái)車的升降裝置降低，將鋼管放置在橫向轉(zhuǎn)運(yùn)車上;③多功能滾焊臺(tái)車退出橫向轉(zhuǎn)運(yùn)車位置，由橫向轉(zhuǎn)運(yùn)車將鋼管運(yùn)走。本方法采用橫向轉(zhuǎn)運(yùn)車與多功能滾焊臺(tái)車的配合完成鋼管運(yùn)輸，不需要吊點(diǎn)和吊車配合，即可實(shí)現(xiàn)大噸位或狹小空間的鋼管及類似構(gòu)件的搬運(yùn)，簡(jiǎn)單方便實(shí)用，成本低，安全性好。

（4）采用適用于直管、錐管及彎管環(huán)縫焊接的多功能滾焊臺(tái)車，多功能滾焊臺(tái)車由滾輪架、行走小車等部件組成。滾輪架包括支架以及至少兩個(gè)滾輪，滾輪上均沿周向設(shè)有環(huán)槽。鋼管焊接時(shí)，將鋼管加勁環(huán)置于滾輪上的環(huán)槽內(nèi)，通過環(huán)槽起到對(duì)管道的定位作用，避免了管道軸向竄動(dòng)帶來的焊接質(zhì)量問題。

1.3智能焊接

采用焊縫激光自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和埋弧焊小車自動(dòng)糾偏的鋼管智能焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙絲埋弧焊現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模化應(yīng)用，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升焊接效率及質(zhì)量、縮短工期。

（1）采用了適用于直管、錐管及彎管環(huán)形焊縫焊接的自動(dòng)焊接小車，小車由行走、轉(zhuǎn)向、焊縫檢測(cè)和焊接等部件組成。焊縫檢測(cè)部件由工業(yè)相機(jī)、一字激光器、工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，利用激光三角測(cè)量原理對(duì)焊縫信息進(jìn)行測(cè)量檢測(cè)，為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和焊接工調(diào)整提供依據(jù)。焊接部件的焊接控制器與焊縫檢測(cè)部件通信連接，并通過接收的焊縫信息控制轉(zhuǎn)向和行走部件，使自動(dòng)焊接小車沿焊縫行走、跟蹤，并完成自動(dòng)焊接。自動(dòng)焊接小車能對(duì)焊縫進(jìn)行長(zhǎng)距離焊接，不受跟蹤裝置行程影響，具有靈活方便、適應(yīng)性強(qiáng)及控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。

（2）基于行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范及蘇洼龍水電站壓力鋼管制作安裝技術(shù)要求，編制了壓力鋼管雙絲埋弧焊焊接工藝指導(dǎo)書及相關(guān)操作規(guī)程，指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)鋼管施工，將蘇洼龍水電站壓力鋼管縱縫焊接自動(dòng)化比例提高至100%，環(huán)縫焊接自動(dòng)化比例提高至50%以上，加勁環(huán)焊接自動(dòng)化比例提高至90%以上，總體一次焊接合格率大于99%，蘇洼龍電站焊縫構(gòu)成及焊接方法見表2。

1.4與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)比較

我國(guó)水電工程壓力鋼管施工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，迄今為止，國(guó)內(nèi)外還沒有使用高達(dá)90%的埋弧自動(dòng)焊制作大型壓力鋼管，也沒有成套的智能化施工技術(shù)。洞內(nèi)組圓及安裝新技術(shù)與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)相比有顯著提高和突破，主要體現(xiàn)在：

（1）系統(tǒng)集成度更高。蘇洼龍水電站壓力鋼管施工是目前智能化程度最高的大型壓力鋼管施工，達(dá)到了90%的焊縫采用埋弧自動(dòng)焊。鋼管滾焊接長(zhǎng)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過黃金坪水電站和涔天河水庫(kù)擴(kuò)建施工。智能化雙絲埋弧焊第一次用于水電站壓力鋼管制作，第一次實(shí)現(xiàn)3節(jié)彎管滾焊成大節(jié)，第一次采用瓦片翻轉(zhuǎn)平臺(tái)加裝加勁環(huán)。第一次在一個(gè)工程同時(shí)使用2臺(tái)套組焊設(shè)備進(jìn)行壓力鋼管制作和滾焊，并實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)設(shè)備在洞群內(nèi)轉(zhuǎn)移使用。

（2）應(yīng)用規(guī)模更大、施工質(zhì)量更好。蘇洼龍水電站采用2臺(tái)套設(shè)備完成了4條洞161節(jié)壓力鋼管、4071t的單節(jié)制作，組對(duì)成76個(gè)大節(jié)，壓力鋼管的制作應(yīng)用規(guī)模更為宏大和復(fù)雜洞內(nèi)縱縫焊接一次合格率99.89%，大節(jié)環(huán)縫焊接一次合格率99.11%。

（3）技術(shù)探索更顯著。蘇洼龍水電站大膽創(chuàng)新，采用瓦片翻轉(zhuǎn)平臺(tái)加裝加勁環(huán)、90%的加勁環(huán)角焊縫采用埋弧自動(dòng)焊、焊縫自動(dòng)識(shí)別和跟蹤、在水電站壓力鋼管制作中應(yīng)用智能化雙絲埋弧自動(dòng)焊工藝、3節(jié)彎管滾焊等設(shè)想和探索都取得了成功。

2結(jié)語(yǔ)

在高山峽谷地區(qū)壓力鋼管施工采用的常規(guī)施工方案相比，減少了征地面積，節(jié)省了工程投資，且鋼管運(yùn)輸通道上的施工支洞斷面縮小，洞內(nèi)制作環(huán)境穩(wěn)定，避免了明廠房里的高溫和日溫差大對(duì)工人、施工作業(yè)及鋼管制作質(zhì)量的不利影響。80%的焊縫采用無(wú)煙無(wú)塵無(wú)弧光的埋弧自動(dòng)焊，解決了長(zhǎng)期困擾壓力鋼管施工的環(huán)境難題。成套設(shè)備的運(yùn)用，提高了鋼管制安的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了科技含量，安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本可控性大為提高，有利于推動(dòng)壓力鋼管制安從勞動(dòng)密集型、資源密集型、進(jìn)度質(zhì)量安全成本控制性工期向科技密集型、施工受控型轉(zhuǎn)變，提升了中國(guó)水電施工水平，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王琦，吳鵬，高升，等.大型壓力鋼管縱縫氣電立焊技術(shù)應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2016，45（9）：103-105.

[2]孫文，侯明.向家壩電站超大直徑引水隧洞壓力鋼管制作與安裝[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2011，34（4）：40-42+50.

[3]汪劍國(guó)，伍鶴皋，石長(zhǎng)征，等.地下埋藏式壓力鋼管無(wú)內(nèi)支撐安裝變形分析[J].水力發(fā)電，2016，42（12）：50-55.

CircleAssemblyandInstallationTechnologyinPenstockTunnelsofHydropowerStation

WANGYiqiao，JIAOKai

（ChinaWaterResourcesandHydropowerThirdEngineeringBureauCo.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi710024）Abstract：Withthecontinuousincreaseandin-depthdevelopmentoflarge-scalehydropowerprojectsinmycountry，thescaleofpenstockprojectsinthewaterdiversionandpowergenerationsystemisincreasing.Thetraditionalpenstockconstructiontechnologyhasmanylimitationsandcannotmeetthedevelopmentneedsoflarge-scalehydropowerprojects.Theconstructionofthepenstockholeandtheinstallationofnewtechnologiesaimtocompletetheconstructionofthepenstockquickly，safelyandwithhighquality，adapttotherequirementsofsafety，environmentalprotection，andhealth，reducethenumberoflabor，andreducelaborintensity，therebyimprovingthecontrollabilityoftheconstructionperiod，thequalityoftheproject，andtheSafetyandenvironmentalprotection.

Keywords：penstock;circleassemblyintunnel;installation;newtechnology;application