極寒地區管道工廠化預制研究及應用

侯王剛 朱建波 宋仲達 羅 勝 胡萬斌

中國葛洲壩集團機電建設有限公司 四川成都 610031

隨著石油化工行業的快速發展，工廠大型化、多功能性要求越來越突出。傳統的管道施工模式主要為邊安裝邊焊接，且一般在土建、鋼結構等基礎作業面完成后才開始全面施工，交叉作業多，極易受到現場施工環境的影響，特別是面對極寒的氣候條件，管道施工效率大大降低。

為了有效降低外界氣候因素的影響，縮短施工工期，可使用大型焊接設備提升工藝管道施工效率和質量。阿穆爾天然氣加工處理廠采用“預制車間焊接+ 現場安”的組合方式，極大地提升了管道施工效率，保證了焊接質量，有效解決了極寒氣候條件下的管道施工問題。

1 管道工廠化預制關鍵流程及特點分析

自2014 年3 月1 日實施《管道工廠化預制技術規范》（HGT 21641- 2013）以來，管道工廠化預制水平和規模有了明顯提升，包括設計、預制、檢驗及產品交付條件等得到進一步優化。

1.1 二次設計

二次設計是采用計算機軟件將提供的原始軸測圖拆分為若干獨立的便于運輸和安裝的管段圖。一方面重點審查原始圖紙管道、彎頭、閥門、法蘭等管件的名稱、規格、材質和編號等參數；另一方面，采用三維可視圖和現場實測方式，確定管道預制口，盡可能減少對高空、穿墻、吊裝、動設備連接及運輸等因素的影響。

1.2 管道配料

在二次軸測圖的基礎上，根據管件到貨情況，考慮管材的允許損耗率等因素進行合理配料。主要解決的問題為：

（1）管節的選擇與控制應考慮現場實際布置、運輸及吊裝作業；

（2）考慮管線總體長度偏差滿足要求，焊接過程中存在的收縮補償；

（3）滿足特殊部位、管件及空間要求，關鍵部位應預留活口。

1.3 管道預制

原材料在車間經過下料、切割、坡口打磨、焊接、熱處理及缺陷處理等流水線作業，制造出符合設計文件標準的管節。

1.4 預制質量檢查

管道的質量檢查主要包括外觀檢查和無損檢測。外觀檢查主要是進行幾何尺寸檢查驗收，包括長度、角度、開孔位置、支管垂直度和法蘭平面度等[1-2]。無損檢測主要是根據設計要求進行超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)、液體滲透檢測(PT)及X 射線檢測（RT)、鐵素體檢測和材料化學成分檢測（PMI)，對于輸送毒性、設計壓力大于等于10MPa 的彎管還應進行100%無損探傷。

1.5 管道防腐

一般防腐車間位于預制車間旁邊，在無損檢測合格后，可就近運至防腐車間進行施工，防腐后的管節進行顏色打碼標識。

1.6 交付驗收

防腐完成后的管節運輸至現場，現場施工人員按照技術規定再次嚴格檢驗。

2 阿穆爾天然氣管道工廠化預制關鍵技術

阿穆爾天然氣加工處理廠地處俄羅斯遠東地區，冬季最低氣溫可達- 44℃，且溫度低于0℃時間長達179d。項目總工期為81 個月，分為5 個階段，工藝管道焊接量達186.1 萬達因。面對工期緊張和嚴酷的低溫條件，項目采用“預制車間焊接+ 現場安裝”的組合方式進行管道施工，保證了約61.1%的焊接工作在車間室溫條件下完成，極大地提升了施工效率。而預制車間的設計與預制方法的確定是本項目的根本，是實現預制車間流水線作業的關鍵。

2.1 極寒地區預制車間建造特點

2.1.1 結構特點

由于車間承載起重管道的作用，需具備一定的承載力，所以采用鋼構結構。其基礎為混凝土灌注樁，在四周及中間采用螺栓連接。將鋼結構立柱安裝于混凝土基礎上，鋼立柱采用工字鋼螺栓連接。預制車間布置見圖1 和2 所示。

圖1 預制車間平面布置圖

圖2 預制車間主鋼結構圖

2.1.2 技術特點

極寒地區車間建造主要需解決保溫和通風問題。為了確保冬季車間的保溫效果，采取密閉方式，車間四周安裝巖棉夾心波紋板，在確保一定強度的同時保證溫度效果，具體如圖3 和圖4 所示。在車間氣溫低于5℃時，采用可移動式暖風機進行加熱。作為一個密閉的車間，且需要進行切割、焊接作業，在保暖的同時要注重通風除塵。通過在每個焊接工位安裝移動式機械自潔式過濾器（PMSF- 5）進行煙霧除塵，可保證車間全天候施工。

圖3 預制車間墻體3D圖

圖4 預制車間墻板安裝圖

為了提高焊接效率，車間配置現代化焊接設備，包括數控等離子切割機、管道數控切割機、數控坡口加工機、橋機吊、懸臂吊和懸臂式埋弧自動焊機等。最大限度實現關鍵工序的機械化、自動化，提高勞動生產效率。

2.2 預制車間適用范圍

根據設計文件要求，預制車間適用于碳鋼和不銹鋼管道設計壓力為0.04～8.34MPa，溫度- 269～500℃，管徑15～1400 達因，壁厚2.11～38.1mm。為了提高效率，主要針對50 達因以上管道進行車間預制焊接（一般50 達因以下管道由于直徑小，現場走向布置存在較大不確定性，因而采用現場配制）。

2.3 工藝原理

圖5 管道工廠化預制流程圖

2.4 軸測圖二次設計

項目采用計算機軟件Smartplant Spoolgen 進行軸測圖二次設計，結合智能3D 模型CAXperts 軟件，將軸測圖拆分為若干獨立的便于運輸和安裝的管段。設計過程需要注意以下三點：

（1）審查總包提供的管道軸測圖[3]。檢查內容包括：管段端點坐標、標高；管道、管件（含彎管）、法蘭、閥門、特殊件的名稱、規格、幾何尺寸、材質、壓力等級、標準、數量及圖紙編號等參數；管段的操作參數、設計參數及絕熱厚度；介質流向和安裝坡度；支吊架安裝位置；管道等級分界點等主要參數及說明。

（2）打開CAXperts3D 模型，檢查該段管道空間位置，確定管道預制口，目的是在不影響管道運輸和安裝要求的基礎上，盡量采取車間預制。主要考慮：管道空間位置較高且無操作或焊接平臺的部位盡量不留固定口；管道穿墻部位不能預留預制口；考慮管架或設備框架結構對管道預制段的影響，避免無法穿越框架，同時便于吊裝；管道預制口應盡量遠離動設備連接處，以減輕設備振動對焊口的影響；考慮車輛運輸對管道長度的限制。圖6 為CAXperts3D 模型預制管段。

圖6 CAXperts3D模型預制管段

（3）采用SmartplantSpoolgen 軟件在軸測圖上進行預制點的繪制。如管線MP01，結合CAXperts3D 模型，將該管段劃分為3 段進行預制，分別為SP09、SP10和SP10A。該管段安裝于鋼結構層架中，且兩端存在彎頭，無法完全預制后進行安裝。因此，采取兩端彎頭與直管段在車間焊接，現場總焊接的方式。圖7 中，WELD NO40、41、43、44、45、46、48 為 車 間 預 制，WELD NO039、42 和47 為現場焊接，從而保證管道預制的高效開展。

圖7 二次設計后的預制管段

2.5 管道配料系統

為了提高配料效率，同時降低人為影響，項目采用計算機技術建立數據庫ONE LINE，實時進行配對。

（1）建立來料登記統計表，對每條管線的到貨管道、法蘭、三通等管件進行掃碼登記。

（2）根據已劃分的管節，建立管節統計表。根據邏輯程序，首先判斷該管節所包括的管件是否均已到達，若全部已到達，則認為此管節可進行焊接。需要切割管線部分長度為設計長度+3%設計長度（根據合同要求，切割廢料不超過3%），保證一定冗余量。

（3）根據已確定切割管線的ID 匹配標準管道登記表，確定是否有足夠長度進行切割。

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通過以上判別和篩選，可快速進行任何管節的材料匹配及切割焊接，便于材料管理。

2.6 管道預制

2.6.1 管道切割

通過來料檢查的管道標準件轉運至預制車間，根據管節預制圖紙要求尺寸，將標準管道切割成一定長度的管道節，方便后續的管道組對裝配及焊接。同時，為確保制造的可追溯性，每個管節采用的管道元件均做好材料的標識移植。根據管徑的大小選用合適的切割方式，通常采用鋸床或切割機進行機械切割，其中不銹鋼采用機械或等離子切割，切割前要先除去表面氧化層。

2.6.2 管道坡口加工

根據焊接工藝卡要求，不同管徑、不同壁厚的管道需要加工不同角度的坡口。管道坡口主要采用坡口機床，也可使用外卡式管道坡口機進行加工，切口表面應平整，無裂紋、重皮、毛刺、凸凹和縮口等雜物。

2.6.3 組對裝配

通過下料、坡口加工后，將不同管道運至對應工位進行組對、焊接；采用卡盤式直管法蘭組對機將大管徑管道與法蘭固定，使用橋機吊或回轉吊進行調整；小管徑管道組對采用鏈條式外對口器進行組對，禁止強制對口；確保焊縫接頭間隙、錯變量等符合焊接工藝卡要求。

2.6.4 焊接

由于管輸天然氣介質的安全性要求較高，項目主要的焊接方式為氬弧焊、氬弧焊+ 手工焊及氬弧焊+埋弧自動焊。對于直徑超過20 達因的管道，采用氬弧焊打底與埋弧自動焊相結合方式進行。手工氬弧焊應根據焊接工藝卡“焊道焊接順序”進行，每道焊縫的開始和結束位置使用角磨機打磨，以達到平滑過渡。

2.7 質量檢查

管道預制完成后，進行外觀和無損檢測。檢查焊縫標記信息和外觀質量，核對焊接各項工作是否完成，焊縫外觀質量應特別注意熱影響區域收縮變形問題。

按照設計要求對焊縫進行無損檢測。射線探傷率達到60%左右，每條管線需經過三道審查，在材料證書、焊接質量、檢測結果及各方認可的情況下方能移交防腐車間進行下一道工序。

3 效益分析

在管道預制車間附近建設無損車間、機械實驗室和防腐車間等，配備物流傳送線，形成管道下料、坡口加工、焊接、無損檢測及防腐一體化流水線作業。從而加強各個工序之間的無縫對接，提高管理效率，實現了一整套管道預制系統化施工及管理。最后將合格的管節運至現場進行安裝。

3.1 質量效益

3.1.1 標準化作業

管道工廠化預制有完善的質量管理體系。從管道的二次設計到加工制造、防腐噴涂等流程，均實現標準化作業，且受外界影響較小，可以使質量得到最大限度的保障[4]。

3.1.2 提升焊接合格率

利用自動化設備及管理系統，降低人員素質水平的影響。工廠化預制大規模采用自動焊、坡口機、切割機等設備，從而減少人為焊接因素[5]的影響。針對項目第一階段車間預制及現場焊接一次合格率進行對比分析，結果如表1 所示。

表1 車間預制與現場手工焊接參數對比

通過分析，工藝管道預制質量滿足和符合設計及規范技術要求。施工驗收合格率100%，車間預制焊接一次合格率為98.1%～98.3%，現場焊接一次合格率為95.4%～95.6%，相比現場一次合格率提升約3%；同時，車間預制可采用自動化焊接設備，減少人工。根據分析，1 臺自動焊相當于4～5 個焊工人數。

3.2 管理效益

在工廠化預制中，解決了傳統管道預制分散管理的難題，可以對設備、生產線和施工人員進行有效地集中統一管理；實現了流水線作業，不僅節約了人力和物力，在財力方面也有相應的節約，大大提高了經濟效益。

同時，集中統一管理有助于提升技術水平及管理水平。運用管道工廠化預制技術，借助先進的計算機輔助管理，有利于新技術、新工藝、新機具、新材料的推廣應用，提升技術水平，推動企業技術進步[6-7]。

3.3 經濟效益

阿穆爾天然氣加工廠工藝管道焊接量186.1 萬達因，其中車間預制量達113.7 萬達因，占總量的61.1%。由于阿穆爾項目工期81 個月，設備按照5 年折舊計，則相當于該設備的全部投資僅用于本項目。為了提高焊接效率，車間配置數控等離子切割機、管道數控切割機1 臺、數控坡口加工機1 臺、10t 橋機吊2 臺、3.5t 懸臂吊16 個、懸臂式埋弧自動焊機2 臺、氬弧焊機20 臺，以及外卡式管道坡口機等現場代焊接設備。根據項目實際情況，車間焊接功效為12 達因/ （人·天）；現場焊接功效為6 達因/（人·天），針對阿穆爾項目車間預制量達113.7 萬達因計算，大約節省成本3383.9 萬元。

4 結論

采用管道工廠化預制工藝，能夠有效節約施工工期，降低成本。同時，有助于控制質量和安全保障，實現工廠的一體化管理，特別適用于氣候條件較為惡劣的地區。因此，在后期要結合新技術，不斷強化管道預制深度，提升工廠一體化管理效率，實現工廠管道預制的最優化。