高濕度環境下壓力鋼管快速制作安裝技術

蔡汝明

（中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 南平 353000）

1 工程概況

曼維萊水電站位于喀麥隆南部緊鄰赤道幾內亞的恩特姆河（NTEM）上，地處熱帶叢林地區，距喀麥隆南部大區首府埃博洛瓦（EBOLOWA）約168 km，距首都雅溫得（YAOUNDE）約340 km。曼維萊水電站采用引水徑流式開發，工程的主要任務是發電，最大引水流量450 m3/s，電站安裝4臺立軸混流式水輪發電機組，總裝機容量為211 MW。

該電站引水方式均為一機一管引水。壓力管道由4根平面上呈平行布設的外包鋼筋混凝土壓力鋼管組成，鋼管中心線間距為20.0 m，單機設計引用流量112.5 m3/s，相應管內最大流速3.98 m/s。單條壓力鋼管軸線長度為118.548 m，鋼管材料采用Q345R，壁厚18~24 mm。壓力管道在上平段及斜管段處210°頂拱充填聚胺脂軟木墊層20 mm作彈性墊層。鋼管制作安裝工程量分布情況見表1。壓力鋼管布置圖見圖1。

圖1 壓力鋼管管節劃分示意圖

表1 鋼管制作安裝工程量分布表

2 壓力鋼管制作

2.1 鋼管拼裝廠布置

鋼管拼裝廠布置在曼維萊水電站附近的1號施工營地內，廠房外側的R6道路通往廠房。鋼管拼裝廠布置圖如圖2所示。

圖2 壓力鋼管拼裝廠布置圖

2.2 制作方案簡介

在曼維萊水電站工地的鋼管拼裝廠完成鋼管瓦片組圓、管節縱縫焊接、加勁環焊接、鋼管內支撐加固焊接、環縫焊接、鋼管噴砂防腐等工作。4條壓力鋼管瓦片卷制以及加勁環等附件均在國內加工完成。通過海運、公路運輸等將壓力鋼管瓦片以及加勁環等附件運至喀麥隆曼維萊工地。

在鋼管拼裝廠采用30 t平板拖車將制作合格的鋼管運輸單元運至廠房安裝間和上平段平臺等安裝位置進行安裝。

壓力鋼管管節按水流方向進行編號，從進水口起始節編為1號，廠房蝶閥層編為63號，一條壓力鋼管共63節管節，1號機第一節管用“1-1號”表示，1號機最后一節管用“1-63號”表示。壓力鋼管管節劃分見圖1。

根據鋼管拼裝廠25/10 t門機起吊高度和起吊重量，現場K80塔吊結合100 t汽車吊吊裝鋼管的能力，以及K80塔吊在2015年11月30前必須拆除，決定將鋼管制作成由3節管節組成的吊裝單元，每條鋼管由21個吊裝單元組成，4條鋼管共84個吊裝單元。最長吊裝單元6 m，最重鋼管吊裝單元（46號~48號）重約22 t。

壓力鋼管各管段與管節號分布見表2。

表2 鋼管管段與管節號分布表

2.3 鋼管制作工藝流程

鋼管單個吊裝單元制作工藝流程：鋼管瓦片組圓、加勁環安裝→鋼管縱縫焊接→鋼管圓度調整、焊接鋼管內支撐→鋼管加勁環焊接、焊縫檢測→多管節拼裝、環縫焊接→環縫無損檢測→鋼管噴砂、防腐→運輸至廠房安裝。

2.4 鋼管吊裝單元劃分

鋼管吊裝單元劃分見表3。

表3 鋼管吊裝單元劃分表

2.5 材料控制

（1）壓力鋼管板材采用壓力容器鋼Q345R鋼板，鋼板表面質量、化學成分及機械性能應符合GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規定。

（2）鋼板應具有出廠質量證明書，當鋼板標號不清或對材質有疑問時應予復驗，復驗合格后方可使用[1]。

（3）Q345R鋼材的化學成分和機械性能見表4、表5。

表4 Q345R的化學成分表

表5 Q345R的機械性能表

2.6 焊接材料

鋼管焊接所選用的焊條、焊絲、保護氣體等應與所施焊的鋼種相匹配[2]，焊條應采用低氫型，并與電流特征、材料和焊接位置相適應。焊條、焊劑及焊絲等焊接壓力鋼管的全部焊接材料均應具有出廠合格證。焊條、焊絲應放置于通風、干燥的專設庫房內。設專人保管、烘焙和發放。并應及時做好實測溫度和焊材發放記錄。烘焙溫度和時間應按焊條說明書的規定進行。烘焙后的焊條應保存在100~150℃的恒溫箱內，焊條藥皮應無脫落和明顯的裂紋。現場使用的焊條應裝入保溫筒，焊條在保溫筒內的時間不宜大于4 h，超過后，應重新烘焙，重復烘焙次數不宜大于2次[2]。

2.7 鋼管管節拼裝

從國內運來的瓦片按每節鋼管由3片瓦片卷制而成。瓦片和加勁環拼裝點焊前須經確認無誤后方可進行。瓦片坡口在國內鋼管制造廠就已加工好，加勁環(止水環、止推環)的內、外圓弧半徑、分段數也已按設計圖紙切割好，為預防瓦片運輸變形采用鋼性托架包裝固定，加勁環(止水環、止推環) 按不同半徑、管節號分成多段整捆包裝。

拼裝場地的平臺平面度按≤1 mm控制。鋼管瓦片、加勁環吊到平臺上在自由狀態下用樣板檢查弧度，當鋼管為下平段鋼管（D=5 m）時，用弦長1.0 mm樣板檢查，樣板與瓦片間隙應≤2 mm。當鋼管為上平段、上彎段、斜管段、下彎段（5＜D≤6）時，用弦長1.5 mm樣板檢查，樣板與瓦片間隙應≤2.5 mm。鋼管組圓后，D=5 m時管口平面度極限偏差為≤2；D＞5 m時管口平面度極限偏差為≤3。實際周長與設計周長差±3D/1 000，且必須滿足相鄰管節周長差≤10 mm。縱縫對口錯邊量≤2 mm，環縫對口錯邊量（δ=18）≤2.7，環縫對口錯邊量（δ=24）≤3。鋼管焊接后，用樣板檢查縱縫處弧度，當D=5 m時縱縫處弧度要求縱縫與樣板（弦長500 mm）的極限間隙≤4mm。當5＜D≤6時縱縫處弧度要求縱縫與樣板（弦長D/10 mm）的極限間隙≤4 mm。

管節拼裝順序如圖3所示。

圖3 管節拼裝示意圖

組裝成形的鋼管管節應進行內支撐加固，加固方法采用Φ89焊管加鋼板焊接成米字形支撐，確保內支撐與管壁頂緊，保證鋼管有足夠的剛度，防止在運輸及存放過程中發生變形。制作完成的鋼管須用油漆作出安裝標記，標明其管節號、水流方向及水平和垂直中心線、兩端管口周長等。鋼管內支撐加固、管節號、安裝標記示意如圖4。

圖4 管節號、安裝標記示意圖

2.8 鋼管焊接

在鋼管拼裝廠焊接的焊縫有：瓦片縱縫焊接、管節與管節間的環縫焊接、加勁環與加勁環間的對接焊縫、加勁環與鋼管外壁的角焊縫焊接。

所有擬焊面及坡口兩側各10~20 mm范圍內的氧化皮、鐵銹、油污及其他雜物清除干凈，每一焊道焊完后也應及時清理，檢查合格后才能繼續施焊。

雙面焊接時，在其單側焊接后應進行清根并打磨干凈，再繼續焊另一面。多層焊的層間接頭應錯開。每條焊縫應一次連續焊完，當因故中斷焊接時，應采取防裂措施。在重新焊接前，應將表面清理干凈，確認無裂紋后，方可按原工藝繼續施焊。

2.9 鋼管防腐

已制作合格的單元管節通過100 t汽車吊吊到拼裝廠環保噴砂房和環保噴漆房進行防腐作業。

2.9.1 表面預處理

（1）鋼管內壁、外壁的鐵銹、氧化皮、焊渣、油污等采用噴砂除銹法去除。

（2）鋼管內外表面預處理在空氣相對濕度低于85%，基體金屬表面溫度高于露點3℃時施工。

2.9.2 表面涂裝

涂料施工按涂料廠家使用說明書進行。用高壓無氣噴涂機噴涂。

（1）內壁

超厚漿型無溶劑耐磨環氧底漆，噴涂2道，漆膜厚度250 μm；超厚漿型無溶劑耐磨環氧面漆，噴涂2道，漆膜厚度250 μm。內壁漆膜總厚度500 μm。

（2）外壁

超厚漿型無溶劑耐磨環氧底漆，噴涂2道，漆膜厚度150 μm；超厚漿型無溶劑耐磨環氧面漆，噴涂2道，漆膜厚度150 μm。外壁漆膜總厚度300 μm。

2.10 鋼管臨時存放

已制作好的鋼管單元臨時存放在鋼管拼裝廠和機電倉庫之間的空地。鋼管底部繞圓周方向等距墊6根枕木，盡可能使鋼管底部水平。

鋼管廠布置有100 t、55 t汽車吊各一臺，做為鋼管防腐、臨時存放、轉運的起重設備。

3 壓力鋼管運輸

從壓力鋼管拼裝廠到廠房安裝間公路距離約2 km，到廠房進水口上平段處距離約1 km，鋼管運輸前先組織專人對路基、彎道半徑、險坡和其他障礙物等進行調查分析，確認可行后，方可實施。運輸時在專車引導下將鋼管運到安裝現場。4條鋼管共84個運輸單元，每個運輸單元均由3節鋼管組焊而成。鋼管管節采用平放運輸，鋼管長度6 m朝向車身長度方向，鋼管管口采用墊層保護。6 m寬、6 m高屬嚴重超寬超高運輸，運輸有一定難度，鋼管裝車時確保鋼管與車身之間用鋼絲繩和手鏈葫蘆拉緊固定牢靠。

鋼管裝車時需檢查鋼管內支撐是否牢靠，焊點是否開裂，內支撐應有足夠的剛度，它除應起到保證管節運輸過程中不變形，還應保證外部混凝土澆筑過程中不產生變形。在埋管外部混凝土終凝前，不得拆除內支撐。

用鋼絲繩、手鏈葫蘆捆扎吊運鋼管時，應在鋼絲繩與鋼管間加設軟墊進行鋼管表面保護。鋼管裝車固定方式見圖5。

圖5 鋼管裝車固定示意圖

4 壓力鋼管安裝

4.1 鋼管安裝流程

測量放點→支架搭設→鋼管吊裝→調整加固→安裝檢測→環縫焊接→環縫外觀檢測→環縫無損探傷檢測→現場涂裝。

4.2 安裝現場起重設備的確定

4條壓力鋼管采用K80塔機和100 t汽車吊互相結合共同完成吊裝。1號~24號管節由100 t汽車吊吊裝，25號~63號管節由K80塔機吊裝。廠房K80塔機在2015年11月30日之前必須拆除，在此之前須完成壓力鋼管在100 t汽車吊覆蓋范圍之外鋼管的安裝。如果在年底K80塔機拆除之前4條鋼管25號~63號管節提前安裝完，則K80塔機可繼續向上游擴大吊裝量，直至拆除K80塔機，其余的鋼管由100 t汽車吊完成吊裝。吊裝用起重設備見圖6。

圖6 鋼管吊裝起重設備布置示意圖

4.3 安裝方法

4.3.1 首裝節安裝

鋼管安裝將下彎管55號、56號管節與下平段57號管節組成的吊裝單元（55號~57號管節）作為首裝節，首裝節安裝好后再進行首裝節上游、下游的管節安裝，首裝節由K80塔機完成吊裝。

首先在鋼管下平段首裝節EL322.500高程隨混凝土預埋支撐錨板及插筋。上平段EL373.000、EL375.000處埋設錨桿。

首裝節安裝的要點是嚴格控制水平垂直中心、高程、上下游樁號和型鋼加固質量。鋼管起吊前在起吊大鉤上掛手鏈葫蘆用來調整管節前后左右的高低。安裝時先調中心，用千斤頂頂動鋼管，使其下中心對正底下控制點，對準后再用4臺千斤頂將鋼管均衡地頂至要求高程[3]。首裝節就位調整好后，與管節安裝定位用的剛性外支撐進行緊固焊接，防止與其他管節壓縫時產生位移，保證在砼回填過程中不產生位移。

鋼管首裝節的里程極限偏差應為±5 mm，首裝節兩端管口垂直度應不大于3 mm。

4.3.2 首裝節以外管節安裝

首裝節相鄰管節安裝時，調整每節壓力鋼管的水平和垂直坐標線，并調節鋼管節的中心線與基準線吻合，誤差均不超過2 mm，然后點對環縫并用型鋼加固。

首裝節上下游相鄰鋼管各安裝一個吊裝單元后，為避免繼續往上安裝彎管鋼管下滑重量增加，管節不易加固，增加鋼管的不穩定性，可以先澆筑二期混凝土。

二期混凝土齡期到后可進行上下游相鄰的鋼管安裝，可分兩個工作面安裝，一個是向上游安裝彎管，另一個是向蝸殼方向安裝下平段。

彎管安裝要控制上游管口下中心和基準軸線對正和管口傾斜度，將其下游口下中心對正首裝節管口下中心，并檢測上口上中心偏差。如有偏移在相鄰管口各焊一塊擋板，在擋板間用千斤頂頂轉鋼管使中心對正。

每吊一節吊裝單元就要檢查調整鋼管的位置尺寸以免造成誤差積累，造成以后處理困難。裝上幾節下彎管后，再復查之前安裝鋼管下游管口有無變化。檢查方法可用全站儀結合線錘、鋼圈尺等進行。

斜管段、上彎段和上平段與下彎段下平段安裝一樣，控制上游管口下中心對正和管口傾斜度，調正順序吊入管節，將其下游口下中心對正已裝節管口下中心，并檢測上口下中心偏差。

4.4 安裝環縫焊接

鋼管焊接在內支撐上搭設腳手架，同時在鋼管外側搭設鋼管焊接平臺。

鋼管安裝環縫焊接用焊條電弧焊接，鋼管的環縫是二類焊縫，焊工應經必要的技術培訓，凡從事一、二類焊縫焊接的焊工，須取得焊工合格證。

焊接時由4名焊工在鋼管對稱位置同時施焊。環縫經外觀檢測合格，再進行100%無損檢測。

4.5 安裝焊縫防腐

鋼管安裝后各環縫區及支撐，吊耳割除處，均須進行除銹，刷漆，刷漆前應將鋼管表面油污、焊渣、鐵銹清除干凈。涂刷時不能出現漏涂、流掛、皺皮，表面應光滑。

5 勞動力配置

5.1 壓力鋼管制作安裝進度分析

（1）壓力鋼管在拼裝廠制造工期分析

廠房K80塔機在2015年11月30日之前必須拆除，在此之前須完成壓力鋼管在塔機吊裝覆蓋范圍內鋼管的安裝，考慮2015年1月底所有壓力鋼管瓦片及附件全部發貨，海運為4個月時間，須到2015年6月份才具備流水生產的條件，所以壓力鋼管在廠內制作的時間約為5個月左右的時間，150 d。

（2）生產能力分析

依據現有的設備及場地條件，6 d時間出廠2個運輸單元的生產能力，150 d時間能夠生產50個單元，每條壓力鋼管有63節，21個單元。4臺機鋼管總共84個單元，需要8個多月的生產時間，到2016年1月份才能完成所有鋼管的生產。無法滿足2015年11月30日K80塔機拆除的節點目標。

5.2 壓力鋼管制作安裝趕工方案

為確保11月30日之前K80塔機具備拆除條件，不影響后續的施工，原來制定的壓力鋼管安裝方案須重新調整，采用K80塔機結合100 t吊車的安裝方法，對壓力鋼管進行安裝，具體的安裝方案如下：

1號~15號管節由100 t吊車完成吊裝，16號~63號管節由K80完成吊裝，單臺機總共21個吊裝單元，每個吊裝單元均有3節管組成。4臺機鋼管需要塔機吊裝的總共有64個單元。此方案必須在5 d時間制作出2個運輸單元方能滿足安裝進度，滿足K80塔機的拆機節點。

5.3 鋼管制作安裝現有的施工人員情況

壓力鋼管制作安裝現有的施工人員情況：鉚工9人、焊工16人、電工2人、起重工3人、天車工1人、探傷工1人，總共生產工人33人，當地黑人配合民工15人。

鑒于壓力鋼管安裝的工期較緊，鋼管拼裝及安裝人員的缺口較大，特別是鉚工及焊工，鉚工人員缺口9人，焊工人員缺口20人。壓力鋼管制作安裝工期主要集中在2015年6月1日~2015年12月31日。2015年6月缺口人員全部到齊，之后保持5 d時間制作出2個運輸單元的生產能力，滿足壓力鋼管安裝進度和K80塔機的拆機節點要求。

6 制約壓力鋼管制作安裝進度的因素

（1）拼裝廠內鋼管防腐

在鋼管制作期間，9月、10月、11月份工地現場正處于大雨季，環境濕度都在90%以上，環境濕度大不利于防腐。

（2）雨季施工

在雨季安裝鋼管，焊接部位要有效的防護，否則無法確保焊縫的質量。

7 結語

2015年度喀麥隆曼維萊水電站壓力鋼管設備保質保量完成安裝，2016年度完成4臺主機設備、蝶閥設備、輔機設備以及電氣設備的安裝調試工作，4臺機組具備發電條件。

國外施工從設計、招標、制造、運輸、安裝等環節出現問題都會導致工期的延誤，曼維萊水電站壓力鋼管安裝在工期非常緊張的情況下，依靠各個環節的有效協調，確保了施工的順利進行。電站地處熱帶雨林地帶，雨水較多，常年濕度大，對壓力鋼管的保管以及安裝提出更高的要求，通過對到貨設備提供有效的倉儲條件，雨季施工時提供有效的防護等，確保設備的安裝質量。