壓力鋼管智能化組焊施工技術在流域水電工程中的開發與應用

鄭 順 祥

(華電金沙江上游水電開發公司，四川 成都 610041)

1 概 述

金沙江上游水電站規劃13級開發，是國家重點能源建設基地之一。工程地處高山峽谷和高原地區，而水電站壓力鋼管因其外形尺寸大、重量大、質量要求高，近年來，壓力鋼管焊接技術得到了很大的發展，以三峽、龍灘、彭水等水電站為代表[1-2]，按照常規的技術方案進行施工必然需要大量的人力物力資源投入。例如，在現場建設壓力鋼管制作廠、配置相應的設備、鋼板或半成品存放場地，以及壓力鋼管專業運輸道路。因此，傳統技術必然帶來兩個問題：一是現場施工布置困難、設備、交通和場地投資大；二是目前水電施工普遍面臨著專業技能人才匱乏的現實，而傳統技術需要大量的高級焊工、起重工等，常規技術不能從根本上解決(超)大直徑鋼管的現場施工問題。如何利用現代技術解決壓力鋼管施工技術面臨的挑戰，不僅是金沙江上游水電站梯級開發必須研究的課題，而且是國內外水電工程行業所面臨的共性問題。

2 大型壓力鋼管智能化組焊施工技術

在金沙江上游川藏河段水電站流域開發過程中，將壓力鋼管智能化組焊技術作為一項重要的施工基本條件，依托技術轉化成果，進行全面的開發和應用，構建系統化的創新體系，提高水電工程建設管理水平，適應智能建造的技術發展總體趨勢，并根據蘇洼龍、葉巴灘、拉哇等各個工程建設的特點，開創性地應用于流域工程的規劃、設計和施工各個階段，通過持續開發應用，不僅解決了大型壓力鋼管施工布置的難題，而且實現了工程優化和新的技術突破，形成了壓力鋼管智能化技術標準，為后續的水電工程建設提供了有益的借鑒。

2.1 壓力鋼管智能化施工設備

在原有壓力鋼管自動化組焊制造設備基礎上，研發了一整套具有自主知識產權的智能化設備，主要包括智能組焊專機、多功能滾焊臺車、智能化埋弧焊小車等。其中，智能組焊專機具有瓦片卸車、瓦片組對、回轉驅動、鋼管數字化調圓、主機轉向及升降等功能；數字化多功能滾焊臺車具有鋼管全位置調節和彎道自適應功能。

通過該套智能化設備，改變傳統的人工圍繞鋼管焊縫施焊工藝，能大量使用埋弧自動焊，解決了高強鋼焊接熱輸入控制問題，減輕了勞動強度，提升了鋼管組裝、焊接工效和焊接質量。

2.2 壓力鋼管智能化施工流程

壓力鋼管智能化施工流程改變了傳統工藝壓力鋼管集中在現場生產、單節儲存、從廠內到安裝工位需要做大尺寸管節運輸、安裝前需要翻身的模式。智能化施工流程為：鋼板儲存→鋼板下料→瓦片卷制→瓦片防腐→瓦片運輸→瓦片儲存→單節組焊→大節組焊→鋼管安裝→尾工。與傳統施工流程相比，具有如下優勢：

(1)鋼板儲存：根據設計圖紙定尺采購鋼板，并運輸至離施工現場較近的加工廠內存放。

(2)鋼板下料：與傳統工藝大致相同，不同點在于如果選擇在城市或制造基地里進行下料，一般以數控切割機為主，割具可以使用火焰或者等離子設備，作業條件和技術裝備較傳統工藝的現場制造更優。

(3)瓦片運輸：使用汽車等運輸工具將瓦片運輸至施工現場，運輸方式與鋼板運輸相同。瓦片寬度一般小于3 m，使用普通平板車運輸即可。

(4)瓦片儲存：由于智能化組焊速度快，為便于單節組焊順利進行，需要在施工現場儲存適量的瓦片。瓦片儲存場地要求基本平整，并布置起重設備。瓦片儲存場地根據鋼管組焊進度和道路運輸條件進行規劃，即現場瓦片存量在運輸不及或發生臨時中斷等突發狀況時，可以滿足現場組焊需求即可。若現場不具備建設瓦片儲存廠的條件，可以使用零散場地配合汽車吊的方式在現場分散儲存。

(5)單節組焊：采用智能化組焊專機生產。鋼管以瓦片形式運輸進洞，并在智能化組焊專機上完成縱縫組對、縱縫焊接、加勁環組對、加勁環焊接等工序。智能化組焊專用機械直接布置在施工現場單節組焊工位，靠近壓力鋼管安裝位置，采用水平制造工藝，鋼管無需翻身，焊完后即可交付安裝。單節組焊工位與安裝工位之間布置軌道，利用該軌道即可布置大節組焊工位。在壓力鋼管制作完成后，組焊專機從工位撤離。

(6)大節組焊：使用埋弧自動焊將單節鋼管組焊成大節，直接在組焊工位和安裝工位之間的軌道上進行。在滿足設計安裝要求的條件下，盡可能多地將單節鋼管滾焊成大節，以減少安裝環縫的數量。大節組焊工位布置有焊接設備和輔助設備。作業時，首先使用多功能滾焊臺車將單節鋼管運至大節組焊工位。在此工位利用多功能滾焊臺車的調節功能完成鋼管的節間組對，再利用臺車的滾動功能驅動鋼管轉動，利用埋弧自動焊完成環縫焊接。

(7)鋼管安裝：繼續使用多功能滾焊臺車將鋼管大節運輸至安裝工位，利用臺車的調節功能調整鋼管中心以及對口間隙等，按常規方法對鋼管進行加固，多功能滾焊臺車收縮，退出安裝工位，按照常規工藝要求焊接安裝環縫。由于使用了多功能滾焊臺車配合，其液壓調節功能和行走、轉動功能可以大大減輕工人勞動強度，并且大節鋼管長度較單節鋼管長度長，安裝效率有較大提高。

2.3 壓力鋼管現場(隧道內)智能制造工藝

研發壓力鋼管洞內單節制作、大節組焊、鋼管安裝的“三工位”法。形成在鋼管安裝位置完成由瓦片組焊成單節、再由多個單節組焊成鋼管大節，最后將大節鋼管運輸至安裝工位進行安裝，極大限度提高壓力鋼管制作安裝的效率。

2.4 壓力鋼管環縫智能化焊接技術

在金沙江上游流域工程建設過程中，研發出壓力鋼管環縫智能化焊接技術和環縫自動跟蹤小車。跟蹤小車具有焊接小車送絲機構、控制柜等相兼容的底盤。一是跟蹤小車底盤可以控制轉向輪轉動，以調整焊接小車行走方向；二是設計了控制系統，通過視覺焊縫跟蹤傳感器反饋的焊縫偏移量，計算出轉向輪轉動角度；三是設計了視覺焊縫跟蹤傳感器固定裝置。實現小車可以根據焊縫變化自動轉向調整，始終跟隨焊縫行走，最終實現環縫焊接過程全程智能化無人操作。

3 壓力鋼管智能化組焊施工技術的應用

通過蘇洼龍水電站等項目的實施表明，直徑10 m的鋼管組對環縫高效焊接比傳統的工藝提高了5～10倍，一次焊接合格率高達99.7%，壓力鋼管安裝效率提高一倍以上[3-4]。

3.1 蘇洼龍水電站工程的應用

蘇洼龍水電站引水系統采用一管一機供水方式，4條引水洞平行布置，由進水口、引水隧洞等建筑物組成。壓力鋼管位于每條引水洞的下平段。其中1～4號引水隧洞壓力鋼管長度分別為122 m、124 m、944 m及1 244 m，共計2 434 m，壓力鋼管制造安裝工程量約4 100 t。

2019年6月～2020年4月，在蘇洼龍水電站現場壓力鋼管工程施工中，采用了2套智能化組焊系統裝備，以瓦片的方式進行在洞內進行鋼管組焊，完成了2～3節直徑10 m壓力鋼管的智能化組焊，其技術特征如下：

(1)洞內智能化組焊工藝日趨成熟完善，智能化組焊設備的先進性和可靠性高，在海拔2 400 m高度的水電工程中得到了驗證。

(2)首創了激光識別技術的智能自動埋弧焊，并應用于焊接蘇洼龍水電站洞內直徑10 m、長度9 m、最大件重量為百噸級的壓力鋼管。

(3)智能化組焊技術不僅適用于直管和漸變管多節組焊的工況，而且適宜于三節彎管現場組焊、運輸和安裝調整的復雜工況要求。

(4)研發了瓦片加勁環組對、機械化翻轉和角焊縫埋弧自動焊接工藝及裝置。

(5)進一步完善了與洞內現場智能化組焊相關的施工工藝，如壓力鋼管百噸級彎管水平運輸、現場整體一次性防腐和無內支撐澆筑工藝等。

(6)實現了100%的鋼管縱縫和加勁環角焊縫、50%的鋼管環縫埋弧自動焊，鋼管縱縫焊接一次合格率達到99.89%，環縫自動焊接一次合格率達到99.11%。埋弧焊的焊接效率是手工焊的5～20倍，蘇洼龍水電站單節鋼管制作時間為2 d左右，節間環縫組焊時間少于2 d。

蘇洼龍水電站的工程建設實踐和持續創新，壓力鋼管智能化組焊施工技術不僅有效解決現場地形狹窄、布置鋼管加工廠和場地堆存困難問題，而且具有施工安全、質量高、工期快、節約投資等優點，特別是在壓力鋼管高效焊接技術等方面獲得了更大的突破，為流域后期的工程優化和建設提供了有力支撐[5-6]。

3.2 葉巴灘及拉洼工程規劃與設計優化

葉巴灘水電站引水壓力管道沿縱剖面分為漸變段、上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段、錐管段及過渡段，靠近廠房洞段采用壓力鋼管結構。四條壓力鋼管的直徑9.5 m，依據初步設計長度共計360 m，總工程量約為3 500 t。在施工準備期，根據可研規劃對壓力鋼管的施工方案進行了優化，取消了原有施工布置中的現場鋼管制作場和相應的儲存場地，并且取消了壓力鋼管專用運輸道路，優化設計運輸道路12 km和跨江橋梁一座，其中隧洞3 km，減少建設廠房面積40 00 m2，減少開挖工程量57 000 m3。

4 壓力鋼管智能化組焊施工技術標準

繼梨園、黃金坪、涔天河、烏東德和蘇洼龍等水利水電工程之后，越來越多的水電工程將應用壓力鋼管智能化施工技術，新技術徹底改變了傳統工藝，機械自動化替代了大量的人工作業，同時，焊接自動化比率大幅提高，達到了熔敷體積的70%，鋼管縱縫和環縫的一次探傷檢驗合格率>99.5%。一方面，壓力鋼管智能化施工技術的不斷發展和完善，工程應用范圍越來越大；另一方面，工程技術和管理人員參與程度不同、認識水平存在一定的差異，各個工程的特點不一，最終將會導致新技術的價值難以得到充分發揮。如何結合工程需要、提高壓力鋼管現場自動化組焊技術應用水平，達到優化工程、提高經濟價值，是值得水電工程行業的共同探討的課題。因此，在總結現有技術和工程案例的基礎上，提出壓力鋼管智能化施工技術規程或標準是一個必然過程[7]。

水電站壓力鋼管智能化施工技術標準是根據《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》GB 50766的要求，對大型壓力鋼管智能化技術條件下的直管、漸變管和彎管現場制作的施工過程、操作方法、設備和工具的使用、施工安全技術等所做的技術規定，主要涉及壓力鋼管對圓、組焊、運輸和安裝的要求，融合規劃、設計和施工三個方面相應的技術條件，是為壓力鋼管管節和組焊設備的設計、制造、安裝、維修、使用介紹規定或程序的文件。本規程由水電水利規劃設計總院提出，由能源行業金屬結構及啟閉機標準化技術委員會歸口。

2021年10月，國家能源局下達了“水電站壓力鋼管智能化施工技術規程 ”行業標準的立項通知，水電規劃總院金屬結構技術標準委員會同步啟動了此項技術規程的制定工作。水電站壓力鋼管智能化施工技術規程的制定，不僅能夠明確智能化條件下壓力鋼管的制造安裝工藝條件，而且有利于在建工程的施工和優化設計，有利于工程的前期規劃，并對于水利水電建設管理具有重要的參考價值。當然，此項技術標準，既要建立在現有的行業或國家壓力鋼管設計和制造安裝規范之上，也符合當代水利水電施工技術水平總體提升的實際狀況，以及應對深山峽谷或高寒地區工程規劃設計方面的迫切需求。

5 結 語

壓力鋼管智能化組焊施工技術歷經10余年持續發展和應用，已經逐步成為行業內具有國際領先水平的工程技術，即將在金沙江上游水電開發中全面進行應用。該技術現場不建廠，采用瓦片運輸、在引水隧洞內進行自動組焊的工藝，克服了傳統大型壓力鋼管在制作、儲存和運輸、安裝等方面面臨的難題，對高山峽谷和高原地區的工程意義重大。在梨園、涔天河、烏東德等工程實踐的基礎上，進行了工藝設備的研發和應用，不僅實現了100%的縱縫、90%的加勁環角焊縫、50%以上的環縫采用高效自動焊，洞內無煙塵弧光污染，鋼管全程不翻身，施工期人工投入少，勞動強度低，安全可控性高的目標,而且在流域化大面積推廣應用，形成技術標準，有助于提升水電工程設計和施工整體水平，持續加強智能化創新，能夠提高行業內開發和應用先進的壓力鋼管智能化技術的能力。

根據目前金沙江上游流域應用情況，以下幾點體會可供借鑒：

(1)在流域水電開發中系統應用壓力鋼管智能化組焊施工新技術，不僅能夠全面地發揮其在工程規劃、設計和優化施工上的價值，而且為行業智能建筑技術升級提供了可能。

(2)在多工程應用的基礎上，建立以行業協會和專家為核心的技術創新攻關組，通過壓力鋼管智能化組焊施工技術規程編制工作，提高水電工程建設標準化管理水平。

(3)壓力鋼管智能化組焊施工技術在工程環保方面的價值應當得到足夠重視。

(4)可充分利用壓力鋼管智能化組焊施工技術的系統化領先優勢，加強對國際水電工程市場的合作與開發。