曾　元, 王寬貴, 何啟忠

(中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司, 湖北宜昌 443002)

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大型天方地圓異型鋼管制作技術(shù)

曾元, 王寬貴, 何啟忠

(中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司, 湖北宜昌 443002)

【摘要】藏木水電站由于地處高原，交通不便，初期道路運(yùn)輸條件不具備大型設(shè)備的運(yùn)輸。為了解決大型設(shè)備運(yùn)輸困難，降低施工成本，鋼管在施工現(xiàn)場(chǎng)的壓力鋼管加工廠進(jìn)行制作。針對(duì)特殊的施工條件，對(duì)其放樣、下料、壓弧、卷板、單件拼裝機(jī)整體組裝等關(guān)鍵工藝進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，尤其是在沒有數(shù)控設(shè)備下料和壓力機(jī)的情況下，采用CAD軟件放樣，半自動(dòng)切割機(jī)下料，根據(jù)施工場(chǎng)地現(xiàn)有的設(shè)備，自主設(shè)計(jì)專業(yè)壓弧裝置[1]，通過合理的排版降低了材料消耗，從而提高效率、降低成本。該項(xiàng)技術(shù)成果的應(yīng)用，極大地節(jié)省了超大件高昂的運(yùn)輸費(fèi)用，減少了采購先進(jìn)施工設(shè)備的成本，綜合成本降低17 %。

【關(guān)鍵詞】異型鋼管；制作；工藝

1工程概況

藏木水電站在右岸大壩鋼襯制造中共設(shè)置9個(gè)天方地圓：10#～15#壩段沖砂廊道鋼襯共設(shè)置6個(gè)天方地圓(漸變段)，進(jìn)口端5 m×5 m的喇叭口，后緊接天方地圓(漸變段)，下游端是直徑3.4 m的圓管，出口處設(shè)置1個(gè)天方地圓將出口變?yōu)榉焦埽捎肣345R鋼板，壁厚20 mm；16#壩段右沖砂底孔鋼襯，進(jìn)口端6 m×8.34 m的喇叭口后緊接1個(gè)天方地圓(漸變段)，向下游為直徑4 m的圓管，出口處設(shè)置1個(gè)天方地圓將出口變?yōu)榉焦?，采用Q345R鋼板，壁厚20 mm。

2大型天方地圓異型鋼管制作技術(shù)

藏木水電站地處西藏自治區(qū)海拔3 300 m的雅魯藏布江干流上，由于地處高原，交通不便，道路運(yùn)輸條件不具備大型設(shè)備的運(yùn)輸條件。我單位承建的藏木水電站右岸大壩金屬結(jié)構(gòu)制作及安裝工程，包括大型壓力鋼管的制作，為了解決大型設(shè)備運(yùn)輸困難，降低施工成本，鋼管需在施工現(xiàn)場(chǎng)的壓力鋼管加工廠進(jìn)行制作。該項(xiàng)目共有9個(gè)天方地圓漸變段鋼管，針對(duì)特殊的施工條件，對(duì)其放樣、下料、壓弧、卷板、單件拼裝機(jī)整體組裝等關(guān)鍵工藝進(jìn)行優(yōu)化。尤其是在沒有數(shù)控設(shè)備下料和壓力機(jī)的情況下，采用CAD軟件放樣，半自動(dòng)切割機(jī)下料，根據(jù)施工場(chǎng)地現(xiàn)有的設(shè)備，自主設(shè)計(jì)專業(yè)壓弧裝置，通過合理的排版降低了材料消耗，從而提高效率、降低成本17 %。

天方地圓鋼管在鋼管加工廠進(jìn)行分段制作，根據(jù)道路運(yùn)輸條件和安裝現(xiàn)場(chǎng)纜機(jī)的起吊能力，組裝成整體。在天方地圓異型管的制作中，重點(diǎn)是根據(jù)空間曲面參數(shù)，將其展開成平面，得到下料尺寸，然后根據(jù)采購的鋼板規(guī)格進(jìn)行分段下料、壓弧、卷板、整體組裝、焊接。由于天方地圓漸變段有多塊異形工件組焊成整體，單塊工件之間的焊縫較多，焊接變形控制及焊接殘余應(yīng)力消除是施工的難點(diǎn)。為了保證鋼管焊接后的外形尺寸，在鋼管制作單件放樣時(shí)，將鋼管外徑整體放置22 mm的焊接收縮余量。在拼裝時(shí)，采用立拼，在平臺(tái)上畫出投影曲線，依照曲線將各瓦片找正位置并固定，測(cè)量間距，焊接加固支撐。成型后對(duì)整體外形尺寸進(jìn)行測(cè)量，合格后方可開焊。通過對(duì)藏木水電站沖砂鋼管天方地圓異型管的制作得到了工藝的很多優(yōu)化[2]。

3施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1確定工藝流程

天方地圓異型鋼管制作的關(guān)鍵工序包括細(xì)化瓦片展開圖、分塊放樣、下料、壓弧、卷板、整體拼接、校正、焊接、檢驗(yàn)等。制作工藝流程見圖1。

3.2操作要點(diǎn)

3.2.1深化設(shè)計(jì)

由于工程的特殊性和局限性，為了降低施工成本，制作現(xiàn)場(chǎng)沒有數(shù)控切割機(jī)下料，所以無法使用一些放樣軟件，只能結(jié)合鈑金展開方法，在CAD中將每個(gè)瓦片的實(shí)樣畫出來，然后按1∶1在鋼板上放樣，在鋼板上勾畫出平滑曲線，再用半自動(dòng)切割機(jī)下料，盡量保證切口的平整。

現(xiàn)以藏木水電站右沖砂底孔鋼襯φ4 m×6 m天方地圓漸變段鋼管制作為例，介紹其制作過程的相關(guān)工藝。

(1)在CAD中對(duì)天方地圓漸變段鋼管整體進(jìn)行展開，整體展開為4個(gè)弧段和4個(gè)平面三角形。為了考慮焊接收縮變形，鋼管整體展開時(shí)端口周長(zhǎng)放置22 mm的收縮余量，以保證鋼管焊接收縮后管口尺寸與相鄰對(duì)接的管節(jié)管口尺寸相吻合。漸變的具體放樣見圖2。

圖2　天方地圓漸變段鋼管整體展開

(2)根據(jù)鋼板規(guī)格尺寸和壓弧設(shè)備對(duì)整體進(jìn)行分塊放樣。此天方地圓漸變段高6 m，分3節(jié)，每節(jié)為8個(gè)瓦片。根據(jù)設(shè)計(jì)在放樣時(shí)要考慮焊縫錯(cuò)縫問題，弧段分3段下料，具體分塊展開見圖3。

圖3　天方地圓漸變段鋼管弧段分塊展開

弧段①、②、③分別放樣，用寬度為2 100 mm的鋼板下料，在寬度和長(zhǎng)度方向各放2 mm余量，詳見圖4～圖6。

圖4　天方地圓漸變段鋼管弧段①展開

圖5　天方地圓漸變段鋼管弧段②展開

圖6　天方地圓漸變段鋼管弧段③展開

平面三角板分3段下料，分塊展開見圖7。

圖7　天方地圓漸變段鋼管三角形段分塊展開

3.2.2下料

天方地圓異型管瓦片中，三角形段外形為規(guī)則平面瓦塊，弧段為曲面瓦塊，三角段可直接畫線切割，弧段需要畫出均勻的曲線，再勾畫出平滑切割線，考慮切割面的平滑度，采用多分點(diǎn)，以直線代替曲線，順次直線連接成形。通過在CAD中對(duì)比，用該方法做圖與原圖實(shí)際尺寸相差僅為0.1 mm以內(nèi)，完全滿足精度要求。切割后的工件直線精度控制在±0.5 mm，其切口細(xì)，半成品切割面光滑、平整，相交邊過渡方法可調(diào)，根據(jù)需要交角平滑過渡或直角過渡，無缺角，下料質(zhì)量得到了很大提高。

各瓦塊下料后，分節(jié)分段編號(hào)，標(biāo)注水流方向。

3.2.3構(gòu)件壓彎成形

天方地圓異型管整體分為3大節(jié)，每節(jié)由8個(gè)瓦片組成。弧段需要壓彎制作成形，具體步驟為：

(1) 將已下好料的瓦塊平板拼接成形，水流方向一致，點(diǎn)焊牢固。

(2) 以四邊形折角為頂點(diǎn)，圓口方向按周長(zhǎng)48等分畫點(diǎn)，畫出等分射線。

(3) 各射線打樣沖眼做出標(biāo)記后解體。

(4) 各片以頂點(diǎn)為原點(diǎn)，預(yù)壓射線，調(diào)整下模間隙，復(fù)壓。使圓口方向半徑R誤差±10 mm之間。

(5) 更換模具，壓頂點(diǎn)折角，使其圓滑過渡。

其中弧段②和弧段③，其上下兩端分別為不同半徑的圓弧板，此圓弧為標(biāo)準(zhǔn)圓弧，可在卷板機(jī)上按線性卷制成形，用樣板尺控制弧度，保證達(dá)到規(guī)范要求。

其中段?、侔霃捷^小，無法用卷板機(jī)卷制，因此采用自主設(shè)計(jì)的液壓壓弧裝置，延射線按點(diǎn)壓弧成形。

3.2.4整體拼裝

方口向下，圓口向上進(jìn)行拼裝，具體步驟為：

(1)鋼平臺(tái)測(cè)平，平面度±1 mm。

(2)在平臺(tái)上按底部方截面整體放樣，將單個(gè)構(gòu)件按樣檢驗(yàn)，同時(shí)也畫出頂端圓弧在平臺(tái)上的投影線，樣板弦長(zhǎng)按2 000 mm計(jì)，弧度矢高差≤2.0 mm，超差處，校正。

(3)按水流方向向下，將最底部瓦塊按放大樣對(duì)正組對(duì)，圓口處直徑D誤差為±5.0 mm，上口平面度≤2.0 mm，縱縫組對(duì)間隙≤2.0 mm，錯(cuò)位≤2.0 mm，點(diǎn)焊，固定。

(4)依次將上部瓦塊吊裝就位，與底部瓦塊組對(duì)，縱縫間錯(cuò)開300 mm，環(huán)縫接口組對(duì)要求同縱縫。上口正四形邊要求邊長(zhǎng)B±1.0 mm，對(duì)角線差≤2.0 mm，周長(zhǎng)差±5 mm，管口平面度差≤2.0 mm，點(diǎn)焊，固定。

(5)各瓦片吊裝就位后，檢測(cè)各部位關(guān)鍵尺寸，尺寸符合焊前要求，然后加內(nèi)支撐，由于焊縫條數(shù)很多，為了防止焊接變形，各斷面口用內(nèi)支撐加固牢靠。

3.2.5焊接

焊前仔細(xì)了解查看各焊接部位，根據(jù)西藏高原高寒地區(qū)氣候環(huán)境的特殊性，制定詳細(xì)的焊接工藝。

(1)天方地圓縱縫、環(huán)縫均采用手工電弧焊，并用背面清根的方法。

(2)加勁環(huán)焊縫采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)進(jìn)行焊接。

(3)為防止變形，正式焊接前先進(jìn)行定位加固焊，加固焊的長(zhǎng)度以100～120 mm為宜。

(4)先焊接內(nèi)部焊縫，外部清根，打磨后再進(jìn)行外側(cè)焊接。

(5)焊接過程應(yīng)為雙數(shù)人員，對(duì)稱焊接。多層焊的層間接頭應(yīng)錯(cuò)開。為盡量減少變形和收縮應(yīng)力，在施焊前選定定位焊焊點(diǎn)和焊接順序,應(yīng)從構(gòu)件受周圍約束較大的位置開始施焊，向約束較小的部位推進(jìn)。

(6)焊接環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求采取焊前預(yù)熱，焊后保溫等措施。

(7)焊接時(shí)可預(yù)留1條縱縫暫不焊接，待其余焊縫焊完確保周長(zhǎng)后再焊。

(8)焊接過程應(yīng)隨時(shí)用樣板檢查弧度變化以便及時(shí)調(diào)整焊接順序。

(9)焊接完成并經(jīng)24 h時(shí)效后做無損檢測(cè)，確保焊縫內(nèi)部焊接質(zhì)量[3]。

4關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

4.1關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1針對(duì)性強(qiáng)

對(duì)瓦塊下料尺寸的計(jì)算、下料尺寸的控制、瓦片成型設(shè)備、成型工藝、組裝焊接工藝、焊接殘余應(yīng)力消除工藝等均提出了具體要求。

4.1.2科學(xué)合理的優(yōu)化

(1)該技術(shù)針對(duì)大型天方地圓異型管的制作而制定，如構(gòu)件尺寸大、中間成不規(guī)則變化過渡、瓦塊形狀各異。

(2)充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，應(yīng)用CAD繪圖軟件，分段繪制圖形，精確畫出各瓦片展開圖，并在鋼板上精準(zhǔn)放樣，實(shí)現(xiàn)切割下料。

(3)用40×3 000的三輥式液壓卷板機(jī)進(jìn)行卷板，用自主設(shè)計(jì)的3 200 kN雙液壓頂壓弧裝置進(jìn)行壓弧，按線壓、點(diǎn)壓分別施壓的方法使瓦塊成型良好，平滑過渡。

(4)優(yōu)化組裝工藝，保證周長(zhǎng)尺寸、接口間隙、錯(cuò)位符合設(shè)計(jì)要求。

(5)編制合理的焊接工藝，有效控制變形，保證焊接質(zhì)量。

(6)進(jìn)行合理的內(nèi)支撐加固，防止運(yùn)輸過程中的變形。

4.2創(chuàng)新點(diǎn)

(1)藏木水電站右岸大壩大型天方地圓異型管制作時(shí)，部分工件需要在大型壓力機(jī)上進(jìn)行壓弧，而藏木水電站地處西藏，交通不便，工業(yè)落后，該部分工件需要從公司壓弧成型后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)。但由于距離較遠(yuǎn)，周期較長(zhǎng)，無法滿足藏木水電站整體施工進(jìn)度要求，因此，采取在藏木水電站現(xiàn)有的鋼管加工廠進(jìn)行大型天方地圓異型管制作的方案，以此保證藏木水電站工程建設(shè)工期的要求。

(2)大型壓力機(jī)采購周期長(zhǎng)、成本高，為了滿足施工工期要求，采購兩臺(tái)320 t的液壓頂，自行設(shè)計(jì)和制作壓弧裝置，以此代替大型壓力機(jī)完成工件壓弧工序的施工方案，不僅滿足了工期要求，而且大大節(jié)省了施工成本。

(3)根據(jù)藏木水電站壓力鋼管加工廠至大壩高線供料平臺(tái)的交通運(yùn)輸條件和壩上纜機(jī)的起吊能力，將6 m長(zhǎng)的天方地圓異型管分成3個(gè)2 m的單體，運(yùn)輸至壩頂供料平臺(tái)，整體吊至安裝部位進(jìn)行安裝，從而降低運(yùn)輸強(qiáng)度，減少安裝現(xiàn)場(chǎng)的施工工序，縮短安裝工期。不僅節(jié)省了運(yùn)輸費(fèi)用和纜機(jī)吊裝臺(tái)班，而且為大壩混凝土澆筑贏得了寶貴的時(shí)間，為藏木水電站工程整體建設(shè)做出了貢獻(xiàn)。

5結(jié)束語

藏木水電站海拔高、氣候干燥、晝夜溫差大等特點(diǎn)，與國內(nèi)其它地區(qū)已建的類似工程有很大區(qū)別，沒有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)，許多東西都要靠自己摸索。通過對(duì)藏木水電站特殊的地理位置、藏木水電站右岸大壩鋼管特性參數(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件的深入分析和研究，制定出對(duì)天方地圓異形鋼管進(jìn)行分段分片制作、整體安裝的施工方案。該項(xiàng)目共有9個(gè)天方地圓漸變段鋼管，針對(duì)特殊的施工條件，對(duì)其放樣、下料、壓弧、卷板、單件拼裝及整體組裝等關(guān)鍵工藝進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新。尤其是在沒有數(shù)控設(shè)備下料和壓力機(jī)的情況下，采用CAD軟件放樣，半自動(dòng)切割機(jī)下料，根據(jù)施工場(chǎng)地現(xiàn)有的設(shè)備，自主設(shè)計(jì)專業(yè)壓弧裝置，減少了采購先進(jìn)施工設(shè)備的成本，并通過對(duì)每個(gè)工序的檢查及檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化和改進(jìn)大型異型鋼管的制作工藝。通過合理的排版降低了材料消耗，科學(xué)地解決了曲面瓦片切割余量難以控制的技術(shù)難題，有效地控制了大型異型鋼管的焊接變形，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了施工進(jìn)度，降低了施工成本，安全、順利、高效地完成了藏木水電站天方地圓異形鋼管的制作任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳國勤，楊慶文.惠州抽水蓄能電站尾水鋼管方變圓制作施工技術(shù)[J]. 云南水力發(fā)電，2015(3).

[2]DL/T 5017-2007 水利水電工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[作者簡(jiǎn)介]曾元(1988～)，男，主要從事水利水電金屬結(jié)構(gòu)制安施工技術(shù)及質(zhì)量管理。

【中圖分類號(hào)】TV547

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-17