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        面向全生命周期管理的高強度螺栓施工管理系統(tǒng)

        2020-05-11 10:22:12潘永杰
        鐵道建筑 2020年4期
        關(guān)鍵詞:扳手生命周期扭矩

        潘永杰

        (中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)

        高強度螺栓連接強度高、施工方便,是鐵路鋼橋架設(shè)的主要連接方式之一。我國鐵路鋼橋高強度螺栓連接主要采用扭矩法施工,該方法技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛。目前扭矩法施工以第2代定扭矩電動扳手為主,通過控制輸入電流強度來控制輸出扭矩。為保證螺栓施擰扭矩的準確,必須在操作前(班前)及操作后(班后)對扳手進行標定,終擰后規(guī)定時間內(nèi)進行終擰扭矩檢查。TB 10415—2018《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準》[1]規(guī)定施工單位應(yīng)全部進行扭矩檢查,實際執(zhí)行過程中按螺栓總數(shù)的100%進行終擰扭矩檢查[2]。高強度螺栓連接施工工序復雜,無法獲取螺栓施擰扭矩值,存在超欠擰情況。螺栓施工信息以紙質(zhì)記錄為主,過程管控信息化程度低,不利于全過程的高效管理及追溯查詢,使得施擰關(guān)鍵信息無法傳遞至運營階段,給后期的養(yǎng)護帶來諸多不便。

        伴隨信息化技術(shù)和施擰工具[3]的發(fā)展,中國鐵道科學研究院集團有限公司研發(fā)了鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)[4],又稱螺栓連接施工管理系統(tǒng)(以下簡稱管理系統(tǒng)),升級再造了現(xiàn)有施擰流程,不僅實現(xiàn)了螺栓施擰扭矩的精準控制和全過程的有效管控,而且實現(xiàn)了全生命周期管理成本效益的最優(yōu)化。

        1 高強度螺栓連接施工管理系統(tǒng)

        1.1 系統(tǒng)組成及架構(gòu)

        管理系統(tǒng)由數(shù)控定扭矩電動扳手和應(yīng)用系統(tǒng)2部分組成,具體模塊如圖1所示。

        圖1 高強度螺栓連接施工管理系統(tǒng)組成

        數(shù)控定扭矩電動扳手內(nèi)置扭矩和角度傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊和二維碼掃描模塊,其輸出扭矩穩(wěn)定性好,精度較高。應(yīng)用系統(tǒng)包括基礎(chǔ)信息管理、施工計劃管理、信息查詢、庫存管理、設(shè)備管理和文檔管理功能,涵蓋了施擰全工序、全要素管理,為工程部、試驗室和物資部間的信息高效傳遞和有機協(xié)作提供有利支撐。

        管理系統(tǒng)支持B/S和安卓端M/S,其系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層,如圖2所示。

        螺栓現(xiàn)場施擰信息基于GPRS/4G技術(shù)實時上傳至管理系統(tǒng),保證了信息的真實性和可靠性,提升了質(zhì)量管控能力。

        圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

        1.2 管理系統(tǒng)功能及特點

        1.2.1 管理系統(tǒng)功能

        ①對螺栓施工全過程和“人(施擰人員)、機(施擰工具)、料(螺栓)、法(施擰流程)、環(huán)(施擰環(huán)境)”全要素進行有效管控;②螺栓施工扭矩實時無線采集,并對超欠擰自動報警;③基于二維碼實現(xiàn)操作人員、施擰工具、施擰計劃的協(xié)同與關(guān)聯(lián);④自動生成定制化的施工聯(lián)系單和記錄表;⑤使用壽命不小于30 000次正常施擰;⑥若橋位傳輸網(wǎng)絡(luò)信號差,未上傳數(shù)據(jù)將自動存儲,施擰完畢的當天手動一鍵補傳。

        1.2.2 管理系統(tǒng)特點

        ①形成集實時性、全面性與真實性于一體的施工質(zhì)量管控模式;②穩(wěn)定性好,提高了扭矩控制精度;③通過二維碼方式關(guān)聯(lián)多項內(nèi)容,基于派工單快捷調(diào)整施工設(shè)定扭矩,提高了施擰信息化和智能化水平;④施擰全過程信息的良好追溯性,多部門業(yè)務(wù)流程的有機協(xié)同性;⑤為高強度螺栓的全生命周期管理和信息無損流轉(zhuǎn)提供了條件。

        2 螺栓施擰流程的再造升級

        2.1 基于全要素的流程再造

        2.1.1 人員

        管理系統(tǒng)基于試驗室人員、現(xiàn)場技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員的身份、權(quán)限等信息生成員工個人二維碼。掃描二維碼成為施擰作業(yè)的前提工序,為施擰信息與責任人員的關(guān)聯(lián)追溯提供了基礎(chǔ)。

        2.1.2 數(shù)控定扭矩扳手

        首次取消了班前班后標定,改為班前點檢校準,達到了減員增效目的。管理系統(tǒng)對扳手出廠、維護與保養(yǎng)、型號編碼等基礎(chǔ)信息,領(lǐng)用歸還、施擰次數(shù)、施擰區(qū)域等使用信息進行有效記錄和管理;未經(jīng)管理系統(tǒng)認證的扳手施擰數(shù)據(jù)無法上傳,確保施擰機具的數(shù)據(jù)安全性、使用穩(wěn)定性和作業(yè)內(nèi)容追溯。

        2.1.3 高強度螺栓

        首次將螺栓的入庫、領(lǐng)用及損耗有機融合到整個施擰流程:管理系統(tǒng)自動生成出入庫單、高強度螺栓領(lǐng)用單,實現(xiàn)了施擰計劃與螺栓批號、規(guī)格的關(guān)聯(lián)。當某規(guī)格螺栓庫存量少于50套時,系統(tǒng)將自動進行標識提醒。同時對螺栓試驗損耗、現(xiàn)場報廢及不合格情況進行記錄管理,為螺栓損耗率的統(tǒng)計控制提供了條件。

        2.1.4 施擰作業(yè)

        構(gòu)建了新的施擰流程,首次工程化實現(xiàn)每一個螺栓與其對應(yīng)施擰信息的一一關(guān)聯(lián)。根據(jù)螺栓規(guī)格劃分螺栓區(qū)域,并對螺栓施擰順序進行編號?;趧澐值穆菟▍^(qū)域制定施工計劃,自動同步試驗室確認的施工扭矩,生成以二維碼方式承載關(guān)鍵信息的派工單(圖3),直接應(yīng)用在不同螺栓區(qū)域的施擰操作。當出現(xiàn)超擰等非正常情況時自動報警并停止工作,現(xiàn)場技術(shù)人員查明原因,妥善處理后方可繼續(xù)施擰。施擰作業(yè)流程如圖4所示。

        圖3 管理系統(tǒng)生成的派工單示例

        針對施擰扭矩不同的螺栓區(qū)域,通過掃描派工單的二維碼,管理系統(tǒng)自動更新施擰扭矩設(shè)定值,無需更換扳手即可直接進行后續(xù)操作。

        2.1.5 環(huán)境

        橋位現(xiàn)場放置溫濕度傳感器,設(shè)定2 h時間間隔持續(xù)上傳溫度和濕度信息,不僅為螺栓扭矩系數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)[5],而且豐富了螺栓現(xiàn)場施擰的采集信息,為高強度螺栓施擰記錄單內(nèi)容的完整性提供了條件。

        2.2 基于部門分工的管理升級

        管理系統(tǒng)主要涉及項目部中的試驗室、工程部和物資部3個部門,各部門的任務(wù)分工基于系統(tǒng)進行了精準定位,形成了管理與作業(yè)的有機協(xié)同機制,升級了管理模式,如圖5所示。

        表1 管理系統(tǒng)應(yīng)用前后各項內(nèi)容對比

        試驗室對各批次螺栓施擰扭矩量值的確定和數(shù)控定扭矩扳手的穩(wěn)定性負責,工程部確定螺栓區(qū)域,編制施擰順序,制訂施工計劃,對螺栓施擰的合規(guī)性負責,物資部對出入庫螺栓負責。各部門基于線上通知單進行流程協(xié)作,實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的信息化處理,減少了不必要的中間環(huán)節(jié)影響,權(quán)責明確、信息來源可溯實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)跟蹤和協(xié)同管理,構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心為螺栓施擰流程的優(yōu)化調(diào)整提供決策支持。

        施擰扭矩的準確性、施擰信息的完整性大大減少了終擰扭矩檢查的必要性。目前實際操作層面暫按5%或3%[6]的比例檢查,相比現(xiàn)有規(guī)范要求,大大降低了檢查比例,減少了人力成本的投入。未來推廣中可再繼續(xù)減少檢查比例直至取消終擰扭矩檢查工序,終擰檢查側(cè)重在施工記錄的完整性、合理性方面,這是施擰流程的進一步升級。

        2.3 應(yīng)用效果分析

        管理系統(tǒng)實現(xiàn)了螺栓施擰流程的升級再造:實時獲取、監(jiān)控和查詢每一個螺栓的施擰扭矩,對螺栓施擰規(guī)格、現(xiàn)場溫濕度、施工人員、施擰時間等進行全面管理,提升了施工質(zhì)量管控能力,降低了延遲斷裂的概率,為螺栓的全生命周期管理提供了基礎(chǔ)和可實施的途徑。

        經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用反饋,該系統(tǒng)與傳統(tǒng)施擰流程相比,其工效有較大提高,節(jié)約了人力資源,規(guī)范性大大提高。系統(tǒng)應(yīng)用前后各項內(nèi)容對比見表1。

        管理系統(tǒng)應(yīng)用效益可分為有形效益、準有形效益和無形效益。有形效益主要指減員增效,成本降低、效率提升,如表中的序號2,3和6;準有形效益主要指減少了人工錄入工作量,提高了施擰質(zhì)量的穩(wěn)定性,保證了施擰數(shù)據(jù)的真實性、可用性和追溯性,實現(xiàn)了設(shè)計、施工和運營全生命周期決策的反饋優(yōu)化,如表中序號1,4,5,7,8和9;無形效益主要指施擰流程的升級重構(gòu),各部門之間的流程協(xié)同,施工風險的有效管控,這是整個管理系統(tǒng)應(yīng)用的綜合體現(xiàn)。

        3 螺栓連接全生命周期成本分析

        3.1 螺栓連接全生命周期成本計算模型

        結(jié)合螺栓連接全生命周期的不同階段[8]劃分,考慮有形效益,螺栓連接全生命周期成本的計算模型為

        式中:CT,CD,CC,CO,CF分別為螺栓連接施工的總成本、設(shè)計成本、施工成本、運營成本和失效成本。失效成本為螺栓斷裂病害導致結(jié)構(gòu)功能失效或結(jié)構(gòu)失效的成本,即導致運營列車降速或者結(jié)構(gòu)本身安全受到影響。此種情況不允許發(fā)生,該項假定為0。

        螺栓的施工成本CC和運營成本CO計算式為

        式中:CL,CB,CE分別為施工人員成本、螺栓材料本身成本及施工機具成本;ClabL,CteL,CinL分別為試驗室人員、工程技術(shù)及現(xiàn)場操作人員、檢查人員成本;CDBolt,CLBolt分別為基于實橋設(shè)計使用量的螺栓費用和過程損耗造成的螺栓費用;CI,CM,CR分別為運營期螺栓檢查費用、養(yǎng)護費用和修補費用;q為運營期螺栓缺失數(shù);CR1為補擰單個螺栓發(fā)生的費用,不考慮折現(xiàn)率,根據(jù)調(diào)研可取0.5萬元/個。

        3.2 運營期螺栓斷裂量分析

        假定施工期螺栓出現(xiàn)超擰為事件T(特指施工原因),運營期螺栓斷裂為事件w,施工超擰和螺栓斷裂同時發(fā)生的概率P(w∩T)為

        式中:P(w)為螺栓斷裂概率;P(T|w)為螺栓斷裂情況下施工超擰的概率,由于不能完全排除螺栓材質(zhì)因素影響,則P(T|w)=0.5。因此,只要獲取螺栓斷裂概率P(w),就能得到由于施工超擰和螺栓斷裂同時發(fā)生的概率。

        文獻[9]調(diào)研了11座存在螺栓斷裂的鐵路鋼橋,僅有1座鋼橋螺栓斷裂比例接近1%,其余斷裂比例均較低。不考慮螺栓總量,其中螺栓斷裂小于10套的占比46%,大于10套的占比54%,取其中位數(shù),即每座鋼橋運營期將斷裂10套螺栓,則施工超擰原因造成螺栓斷裂的有5套。

        3.3 案例分析

        某大橋共有21萬套螺栓,螺栓連接施工工期為10個月,技術(shù)人員月工資按1萬元計,現(xiàn)有2個對比工藝方案,方案1為采用現(xiàn)有施擰流程,結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗每1萬套螺栓采購1把定扭矩扳手,每把扳手成本設(shè)定為單位1;方案2為采用管理系統(tǒng)進行施擰,每3萬套螺栓采購1把數(shù)控定扭矩扳手,每把扳手折合成本為n。采用方案2后綜合減少1.5人工作量,其他施工成本2種方案假定一致。

        1)施工期成本分析

        2種方案的施工成本CC1,CC2分別為

        當2種方案施工總成本相等時,可得n=7.2,即當管理系統(tǒng)折合到每把扳手成本是原定扭矩扳手7.2倍時,在僅考慮有形效益條件下,2種方案的成本效益比一致。結(jié)合產(chǎn)生的無形效益或準有形效益,管理系統(tǒng)的投入產(chǎn)出比合理。

        2)運營期成本分析

        螺栓超擰造成的延遲斷裂一般發(fā)生在橋梁服役早期,施工原因造成5套螺栓斷裂,假定發(fā)生在橋梁投入運營前3年。由于采用了該管理系統(tǒng),5套螺栓斷裂事件可避免。假定大橋承載4線鐵路,跨度為1 000 m,按每百橋隧換算米0.05人配置檢查人員,則需6人。由于螺栓施擰操作的重構(gòu),假定運營期可減少0.5人投入,檢查人員年成本按10萬元計,方案2相比方案1運營期減少的成本為

        計算結(jié)果表明3年內(nèi)可節(jié)約檢查和修復成本共計17.5萬元,即采用螺栓連接施工管理系統(tǒng)后,螺栓病害不是大橋運營關(guān)注的主要問題,則大橋螺栓檢查和維修成本皆可明顯節(jié)約。

        結(jié)合施工期和運營期的成本分析可知,管理系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了全生命周期管理的效益最優(yōu)化,具有推廣價值。

        4 結(jié)論

        1)搭建了基于B/S,M/S的高強度螺栓連接施工信息管理系統(tǒng),系統(tǒng)由數(shù)控定扭矩電動扳手和應(yīng)用系統(tǒng)組成,不僅為螺栓連接施工管理信息化、智能化提供了基礎(chǔ),也為螺栓連接的全生命周期管理提供了條件。

        2)管理系統(tǒng)重構(gòu)了螺栓施擰流程:減少班前班后標定,通過二維碼識別與無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)高強度螺栓施工全過程和人(施擰人員)、機(施擰工具)、料(螺栓)、法(施擰流程)、環(huán)(施擰環(huán)境)全要素信息的采集、分析和可追溯;明確了各部門的權(quán)責和任務(wù)分工,實現(xiàn)了基于業(yè)務(wù)流程的有機協(xié)作,形成了集實時性、全面性與真實性于一體的螺栓施擰管理新模式。

        3)螺栓連接全生命周期成本可分成設(shè)計成本、施工成本、運營成本和失效成本。施工成本包括施工人員成本、螺栓本身成本及施工機具成本,運營成本包括運營期螺栓檢查費用、養(yǎng)護費用和修補費用,并給出了施工原因引起運營期螺栓斷裂的計算公式。

        4)管理系統(tǒng)實際應(yīng)用中產(chǎn)生了顯著的有形效益、無形效益和準有形效益,實現(xiàn)了全生命周期成本效益最優(yōu)化,具有推廣價值。

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