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        大型鋼管樁環(huán)形豎向分層全自動焊接技術(shù)在海上施工中的應(yīng)用

        2019-06-03 06:04:30陳振鋒湯靖代竟屈文平張志珍劉坤孟偉玉蔣忠全
        中國設(shè)備工程 2019年9期
        關(guān)鍵詞:焊縫質(zhì)量施工

        陳振鋒,湯靖,代竟,屈文平,張志珍,劉坤,孟偉玉,蔣忠全

        (中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司,廣東 深圳 518048)

        1 工程概況

        深圳至中山跨江通道是國家“十三五”重大工程,是世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程。其中東人工島及主線堰筑段隧道工程位于深圳寶安機(jī)場南側(cè),緊鄰福永碼頭;東人工島沿江高速在施工過程中,為避免對既有橋墩造成影響,設(shè)計采用鎖扣鋼管樁對橋墩進(jìn)行保護(hù)。

        橋墩鋼管樁保護(hù)采用Φ1400mm×δ20mm、Φ1500mm×δ16mm、Φ1500mm×δ20mm 3種鎖扣鋼管樁。沿江高速橋橋梁底部距鋼管樁施工完成后,樁頂標(biāo)高為13~16.3m,而鋼管樁設(shè)計樁長為19~29m。見圖1。

        圖1 鋼管樁斷面圖

        其中起保護(hù)作用的鋼管樁位置位于沿江高速橋面下,在施工過程中,為避免對既有沿江高速橋面造成擾動,以及潮水漲落等因素限制,將鋼管樁分成2~4節(jié),最后在海面上打入一節(jié)對接一節(jié),接口為豎向管口限位對接方式。

        鋼管樁對接時精準(zhǔn)對位的控制,鋼管樁現(xiàn)場焊接質(zhì)量是本工程控制重點(diǎn),也是施工難點(diǎn)之一。

        2 環(huán)形豎向分層全自動焊接工藝

        我國目前在海上作業(yè)管道焊接時,由于受現(xiàn)場施工條件限制因素諸多,常規(guī)采用手工電弧焊施工,海上管道人工焊接,焊接時間長、質(zhì)量不穩(wěn)定、難度大等種種因素,施工效率極低、風(fēng)險較大。

        環(huán)形豎向分層全自動焊接在管道固定的情況下,焊接小車帶動焊槍沿軌道圍繞管壁運(yùn)動,焊槍上下擺動實(shí)現(xiàn)豎向分層自動焊接。環(huán)形豎向分層全自動焊接設(shè)備由焊接小車、行走軌道、自動控制系統(tǒng)等部分組成。

        傳統(tǒng)管道焊接主要為管道平臥、管子旋轉(zhuǎn)、環(huán)向焊接,焊接設(shè)備固定;而環(huán)形豎向分層全自動焊接采用管子固定、焊接小車行走的方式。項(xiàng)目針對沿江高速保護(hù)鋼管樁海上施工特點(diǎn),采用環(huán)形豎向分層全自動焊接工藝。

        (1)焊接設(shè)備主要組成部分

        ①進(jìn)口焊接電源。

        ②自動送絲機(jī)。

        ③自行焊接小車。

        ④遙控控制器。

        (2)施工工藝步驟

        ①主要施工工序。布管→坡口加工→管口對接固定→焊前準(zhǔn)備(防風(fēng)措施)→設(shè)備安裝調(diào)試→焊前預(yù)熱→打底根焊→全自動焊接熱焊→焊接填充、蓋面焊接→焊縫表面清理→無損探傷檢測。

        ②坡口處理。根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求,焊接前將焊接坡口(除第一節(jié)底部外,其余截面全部開35°雙面坡口)及其附近20~30mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水氣和雜物清除干凈。

        ③管口對接固定。第一節(jié)鋼管插打完成后,固定導(dǎo)向架,搭設(shè)作業(yè)平臺,用履帶式起重機(jī)將第二節(jié)鋼管吊起與第一節(jié)鋼管對接,對接過程中確保鎖扣位置偏差不大于3mm,鋼管接口偏差不大于5mm,對接完成后點(diǎn)焊固定。

        ④防風(fēng)準(zhǔn)備。采用CO2氣體保護(hù)焊焊接時,因海面風(fēng)大,其風(fēng)速大于2m/s,設(shè)計了專門的防風(fēng)屏。見圖2、圖3。

        圖2 防風(fēng)屏運(yùn)用

        圖3 防風(fēng)屏效果圖

        ⑤設(shè)備安裝調(diào)試。將自動焊接小車就位,檢查氣管、電纜、焊絲等,通過遙控器調(diào)節(jié)焊槍水平、豎直位置,做好焊接準(zhǔn)備。

        ⑥焊前預(yù)熱。鋼管樁施工中焊接鋼管的強(qiáng)度較高、鋼管厚度較大,在焊接前需對鋼管進(jìn)行預(yù)熱。

        表1

        ⑦打底、熱焊、填充及蓋面。自動焊接需要人工打底,打底焊接質(zhì)量將影響整體焊接效果。打底焊接結(jié)束后,將自動焊接小車吸附在鋼管上,通過遙控器控制自動焊接小車在鋼管上環(huán)向移動并焊接,焊接過程通過焊槍擺動,層層循環(huán)填充,直至焊口齊平。蓋面焊接需達(dá)到焊口位置突出1~2mm。見圖4。

        圖4 環(huán)向自動焊接

        ⑧焊縫表面清理。焊接結(jié)束后,應(yīng)對表面焊縫進(jìn)行清理。

        ⑨無損檢測的焊縫質(zhì)量等級應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50205)的有關(guān)規(guī)定。

        3 海上施工鋼管樁焊接技術(shù)難點(diǎn)

        (1)鋼管樁精準(zhǔn)對位困難,耗時長

        鋼管樁施打時,受沿江高速橋面橋底空間限制,每節(jié)長度安裝時不能與橋發(fā)生干涉,第一節(jié)插打至與墩臺基本平行時,再吊裝第二節(jié)進(jìn)行對位,焊接、檢測合格后施打,然后吊裝第三節(jié),依次進(jìn)行。

        ①海上船舶受風(fēng)浪影響較大,起伏不定,給吊裝對位造成較大困難,尤其是鎖扣對位,一旦偏差過大就會造成相鄰鋼管樁無法插打入。

        ②履帶起重機(jī)在船舶上使用相對陸地來說,平衡性較差,自身穩(wěn)定性無法保證,稍有海風(fēng)吹來,搖擺幅度增大,定位更難以保證。

        ③鋼管樁在加工焊接、運(yùn)輸、吊裝等過程中均可能存在不同程度變形,無法確保同圓度、鎖扣垂直度等。

        (2)焊接量大、焊接時間長、勞動強(qiáng)度大

        因鋼管樁需分節(jié)施打,每增加一節(jié)就多增加一道焊縫,焊接長度達(dá)5米多,特別是鎖扣位置難度大要求高,人工焊接至少需3個小時。以24m鋼管樁,分三節(jié)施工,兩道焊縫需耗時6~7小時,工人勞動強(qiáng)度大。

        (3)防風(fēng)要求高

        因CO2氣體保護(hù)焊受風(fēng)影響較大,而風(fēng)對焊接質(zhì)量影響至關(guān)重要,氣孔、氣泡等質(zhì)量問題稍有不慎就會發(fā)生。但鋼管樁施工空間有限,無法做到全封閉室內(nèi)環(huán)境,為確保焊接質(zhì)量,防風(fēng)保護(hù)措施是關(guān)鍵。

        (4)焊接打底困難

        ①打底引弧時極易穿絲。

        ②打底時在仰焊位置由于自重的影響,容易出現(xiàn)內(nèi)凹缺陷。

        (5)環(huán)形豎向分層焊接要求高

        鋼管樁豎向?qū)?,要求焊接時必須是立焊,立焊對焊工水平要求更高,且焊接長度、深度、焊口寬度都相對較大,豎向焊接難度非常大。環(huán)形焊接時還需焊接過程中不斷移動焊接位置,人工焊接對焊接質(zhì)量影響較大。

        4 應(yīng)對解決措施

        (1)導(dǎo)向柱輔助定位法,有效地解決鋼管樁對位困難,耗時長。

        ①鋼管樁對位項(xiàng)目采取導(dǎo)向柱輔助定位法。在第一節(jié)鋼管樁四周焊接楔形導(dǎo)向柱,導(dǎo)向柱沿鋼管樁頂面間隔90°分布,長度約120mm,在第二節(jié)與第一節(jié)對位時起輔助導(dǎo)向和臨時固定作用,待對位后點(diǎn)焊固定,然后拆除導(dǎo)向柱。該方法有效解決了鋼管樁對位問題,提高了工作效率,節(jié)省對位時間。

        ②在鋼管樁對接孔口位置約200mm處增加米字型方鋼支撐,有效減少變形。

        (2)環(huán)形豎向分層全自動焊接設(shè)備提高焊縫效率,降低工作難度。

        采用環(huán)形豎向分層全自動焊接設(shè)備,通過遙控器操縱焊接小車在鋼管樁上環(huán)形移動,焊接速度達(dá)到平均201mm/min,大大縮短焊接時間,而且自動焊接設(shè)備不需要操作工人長時間蹲守,手持遙控器即可操作,大幅度減輕工人勞動強(qiáng)度,能保證焊接質(zhì)量。

        (3)可拆卸拼裝式防風(fēng)屏有效防風(fēng),提高焊接質(zhì)量

        專門設(shè)計制作了防風(fēng)屏,可拆卸拼裝,且拆卸方便,搬運(yùn)輕便,防風(fēng)效果良好,有效地解決了風(fēng)對焊接影響,提高焊接質(zhì)量。

        (4)引弧時調(diào)節(jié)焊絲長度、將焊嘴對準(zhǔn)坡口引弧有利于打底焊接,避免穿絲;減少焊絲伸長量及適當(dāng)加快焊接速度,有效解決內(nèi)凹缺陷。

        ①引弧時調(diào)節(jié)焊絲長度、將焊嘴對準(zhǔn)坡口引弧,引弧之后立即進(jìn)行縱向調(diào)節(jié)可避免穿絲,但對于焊工的要求相對較高。

        ②由于熔池自身重力的作用,熔池往下墜,所以必須加大焊接速度,同時增加擺動頻率及擺幅,可減少內(nèi)凹缺陷。

        5 技術(shù)分析及應(yīng)用前景

        (1)人工焊接與自動焊接對比

        Φ1500mm×δ20mm的鋼管兩節(jié),坡口35°,坡口成型寬度30mm,焊接成型寬度40mm,采用CO2保護(hù)焊。

        根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量、統(tǒng)計記錄,自動焊接小車焊接長度700mm,連續(xù)焊接15層,耗時52min,平均201mm/min。人工焊接30mm,連續(xù)焊接15層,耗時30min,平均15mm/min。環(huán)形豎向分層全自動焊接設(shè)備速度方面有較大優(yōu)勢。

        鋼管樁自動焊接工藝性試驗(yàn)檢測合格,焊接接頭經(jīng)沖擊、拉伸、彎曲試驗(yàn),抗拉強(qiáng)度、彎曲試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)結(jié)果,均符合GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》中Q345B的技術(shù)指標(biāo)要求。見圖5。

        圖5 自動焊接效果圖

        (2)社會效益與經(jīng)濟(jì)效益分析

        ①社會效益分析。環(huán)形豎向分層全自動焊接具有降低工人勞動強(qiáng)度、生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。手工焊接質(zhì)量,受限于工人焊接水平影響較大。而自動焊接設(shè)備則受人的影響因素較小,焊縫的質(zhì)量穩(wěn)定性好,容易受控。

        自動焊接設(shè)備操作簡單,短時間培訓(xùn)即可獨(dú)立操作。一名優(yōu)秀焊手工電弧焊焊工,投入時間成本和培訓(xùn)成本高與效益不匹配。

        ②經(jīng)濟(jì)效益分析。國產(chǎn)焊條的價格一般為1.5~2.5萬元/t,國產(chǎn)實(shí)芯焊絲的價格約為1萬元/t。

        采用自動焊接設(shè)備焊絲的熔敷率可達(dá)90%,而焊條的熔敷率通常為50%~55%。雖然本焊接工藝需用保護(hù)氣體,但保護(hù)氣體所需的經(jīng)費(fèi)僅占焊接材料經(jīng)費(fèi)的10%~15%。

        上述兩項(xiàng)綜合考慮,自動焊接設(shè)備焊接材料的經(jīng)費(fèi)量僅是購買焊條經(jīng)費(fèi)量的1/3~1/2,可大幅度降低成本。

        自動焊接設(shè)備一次性購置投入較大,是普通焊接設(shè)備的3~5倍。但自動焊接設(shè)備焊接效率高,焊縫質(zhì)量好(無損探傷合格率高、力學(xué)性能好),焊縫的返修率很低。

        (3)優(yōu)缺點(diǎn)

        ①全自動焊接技術(shù)有利于提高工藝標(biāo)準(zhǔn),焊接質(zhì)量更好;

        ②全自動焊接技術(shù)推廣應(yīng)用能夠提高焊接工效,減輕工人的勞動強(qiáng)度;

        ③工效、材料、焊接合格率、焊接質(zhì)量、人工投入等方面綜合經(jīng)濟(jì)效益更高。

        (4)應(yīng)用前景

        綜上所述,環(huán)形豎向分層全自動焊接技術(shù)通過在海上鋼管樁施工中實(shí)踐應(yīng)用,起到了提高功效、降低勞動強(qiáng)度、確保焊接質(zhì)量的作用,值得大力推廣應(yīng)用。

        6 結(jié)語

        環(huán)形豎向分層全自動焊接技術(shù)對提高我國管道環(huán)形豎向分層焊接水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,這項(xiàng)技術(shù)將會得到快速的推廣和廣泛的應(yīng)用。

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