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        超長(zhǎng)直埋鋼管組裝焊接及整體吊裝技術(shù)

        2020-09-10 04:01:26閆偉藺斌齊永志楊照東張智鵬
        中國(guó)港灣建設(shè) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:吊車(chē)焊條溝槽

        閆偉,藺斌,齊永志,楊照東,張智鵬

        (中交一航局第五工程有限公司,河北 秦皇島 066002)

        0 引言

        港口、碼頭、市政等供水、供熱、油氣管道常采用埋地敷設(shè)方式,主要施工工序有:測(cè)量放線、管溝及工作坑開(kāi)挖、降水排水、管道吊裝、管道組裝焊接、焊縫探傷、管道試壓和回填等。管道在溝槽內(nèi)進(jìn)行全位置焊接,特別是在管道下部位置,焊工須在工作坑內(nèi)仰焊,焊縫成形難度大,且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

        1 工程概況

        曹妃甸集中供熱長(zhǎng)輸管線工程單線長(zhǎng)度14 km,城外直埋保溫管道埋深大于1.5 m,供回水相鄰布設(shè),敷設(shè)在農(nóng)田或道路邊緣下方,地表水豐富、地下水位高,施工環(huán)境復(fù)雜。

        主管道直徑DN1 200 mm,介質(zhì)為熱水,設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa,供、回水溫度分別為120℃和60℃,為GB2級(jí)壓力管道。供、回水主管道壁厚分別為16 mm和14 mm,材質(zhì)為Q235-B鋼,按預(yù)熱和自然補(bǔ)償相結(jié)合的埋地方式敷設(shè)。管道采用改性聚氨酯泡沫保溫,高密度聚乙烯塑料外護(hù)套。

        管道溝槽斷面圖見(jiàn)圖1。

        圖1 管道溝槽斷面圖Fig.1 Cross section of pipeline trench

        2 施工特點(diǎn)難點(diǎn)分析

        2.1 環(huán)境復(fù)雜

        工程地點(diǎn)屬沿海地區(qū),泥沙土質(zhì),地下水位高,穿越農(nóng)田、灘涂等區(qū)域,管溝成槽需要降水和支護(hù)。

        2.2 工期壓力大

        根據(jù)項(xiàng)目總體安排及現(xiàn)場(chǎng)條件,在材料入場(chǎng)后,后續(xù)多道工序依次進(jìn)行,系統(tǒng)必須在供暖期投入使用,工期緊、工程量大,施工組織難度和壓力大。

        2.3 焊接質(zhì)量要求嚴(yán)

        管道焊接要求焊工的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),具有全位置焊接能力,掌握單面焊雙面成形技術(shù),確保焊縫全熔透。確定焊接工藝參數(shù)后,焊工在操作中還必須選擇合適的焊條角度、觀熔池、聽(tīng)弧音、控制熔池溫度,采用正確的運(yùn)條手法,方能使焊縫成形滿足要求。

        2.4 確定基本安裝工藝

        針對(duì)工程狀況,結(jié)合相關(guān)資料和文獻(xiàn)[1-2],制定了“溝槽外組裝管道、下向焊、整體吊裝就位和無(wú)補(bǔ)償電預(yù)熱”的工藝方案。主要施工流程為:材料及設(shè)備進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收→測(cè)量放線→管道組裝、焊接→管溝開(kāi)挖及墊層施工→整體吊裝→強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)→吹掃→電預(yù)熱→管溝回填。

        3 管道組裝焊接

        3.1 管道組裝

        管道焊接采用Y形坡口,見(jiàn)圖2。管道組對(duì)前,清除管道坡口附近的污物、氧化皮等,用角磨機(jī)磨光坡口。

        圖2 管道坡口圖(mm)Fig.2 Pipe groove(mm)

        制作工裝卡具,管道組對(duì)采用卡箍式對(duì)管器,確保裝配準(zhǔn)確[3]。該對(duì)管器由2個(gè)半圓環(huán)式鋼卡箍和千斤頂組成,依靠千斤頂?shù)膲毫κ逛摽ü块]合,調(diào)整管口的錯(cuò)邊量和間隙,使對(duì)接的2根管道內(nèi)外壁平齊,作業(yè)效率高,對(duì)口質(zhì)量好,是保證焊縫質(zhì)量的重要措施,見(jiàn)圖3。

        圖3 對(duì)管器Fig.3 Pipe butt joint device

        3.2 管道焊接工藝選擇

        傳統(tǒng)壓力管道焊接一般采用鎢極氬弧焊(TIG)打底,手工電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊填充和罩面。

        鎢極氬弧焊打底過(guò)程中,在氬氣保護(hù)下,利用電弧熱熔化母材和填充絲形成接頭,電弧和熔池可見(jiàn),操作方便,但抗風(fēng)能力差,對(duì)焊件清理要求非常嚴(yán)格,容易產(chǎn)生氣孔。

        手工下向焊接是一種先進(jìn)的技術(shù),可以避免鎢極氬弧焊打底工藝的缺點(diǎn),經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展,全纖維素下向焊、纖維素+藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊技術(shù)已經(jīng)走向成熟[4]。主要工藝特點(diǎn)為:

        1)環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)

        纖維素焊條根焊時(shí),藥皮中的有機(jī)物分解成大量氣體,維持電弧穩(wěn)定,保護(hù)熔池;藥芯焊絲半自動(dòng)焊接時(shí)不需氣體保護(hù),抗風(fēng)能力強(qiáng),可適用于施工環(huán)境較為復(fù)雜的地帶,對(duì)焊工的操作水平要求相對(duì)降低。

        2)焊接質(zhì)量好

        纖維素焊條下向打底焊時(shí),焊縫處于短路過(guò)渡伴隨著小熔滴顆粒過(guò)渡,成形的焊縫熔深大、敏感性小,焊縫背側(cè)成形美觀、飽滿,焊縫探傷一次合格率較高,減少焊縫返修工作量。

        3)焊接效率高

        纖維素下向焊與傳統(tǒng)手工電弧焊操作基本一致,焊接手法易掌握,難度較小、焊接速度快;藥芯焊絲半自動(dòng)填充時(shí)設(shè)備送絲連續(xù),金屬熔敷量大,填充層數(shù)少,焊接接頭少,焊接效率高,約為手工電弧焊的2~4倍[5]。

        4)焊條損耗低

        纖維素焊條下向焊與傳統(tǒng)的由下向上焊接方法相比,焊條消耗量減少20%~30%。

        綜上,雖然下向焊條價(jià)格高,需要專(zhuān)用焊機(jī),但施工成本、生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制方面更有優(yōu)勢(shì),適宜在本工程應(yīng)用。

        3.3 可焊性分析

        根據(jù)鋼管取樣化學(xué)成分檢測(cè)報(bào)告(表1),纖維素焊條選用E6010(AWS A5.1),φ3.2 mm,藥芯焊絲選用E71T8-K6(AWS A5.29),焊縫中熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表2。

        表1 鋼管化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of steel pipe material%

        表2 熔敷金屬化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of deposited metal%

        根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量Ce計(jì)算公式,該管道具有較好的可焊性,選擇的焊條、焊絲與母材匹配。

        3.4 管道焊接

        3.4.1 焊接材料及設(shè)備

        焊接設(shè)備采用DC-400直流電焊機(jī)和LN-23P送絲機(jī),通過(guò)工藝試驗(yàn)確定相關(guān)焊接參數(shù)。

        3.4.2 打底焊(根焊)

        焊接時(shí)由2名焊工在管道兩側(cè)4個(gè)點(diǎn)位同步自上而下定位焊,焊縫長(zhǎng)度15 cm。完成定位焊后,2名焊工再?gòu)墓艿理敳?2點(diǎn)鐘和4點(diǎn)鐘方向,自上而下對(duì)稱(chēng)施焊,見(jiàn)圖4。

        圖4 焊接次序圖Fig.4 Welding sequence

        3.4.3 藥芯半自動(dòng)填充、蓋面

        填充及蓋面由底部向上部施焊。填充時(shí),每相鄰焊道間的焊接接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)30 mm以上[6];焊藥填充高度不宜過(guò)高,一般宜低于母材高度1 mm左右。蓋面時(shí)根據(jù)母材間隙適當(dāng)調(diào)整擺動(dòng)幅度,以保證母材充分熔合,焊縫美觀,余高0~2 mm。

        4 整體吊裝

        4.1 管道吊裝工藝選擇

        管道安裝工程中,一般是將管道逐根吊裝到管溝就位,在溝內(nèi)組裝管道、焊接,連接成系統(tǒng),邊坡支護(hù)時(shí)間長(zhǎng),溝槽排水降水時(shí)間較長(zhǎng),潮濕環(huán)境對(duì)焊縫成形造成不良影響,管道基礎(chǔ)易受擾動(dòng),施工效率降低,基坑作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

        將管道在溝頂附近組對(duì)、焊接,連接成數(shù)百米的管段,大大減少地下水的影響,保證焊縫質(zhì)量,提高焊接效率,減少觸電風(fēng)險(xiǎn),縮短溝槽晾曬時(shí)間、保證回填質(zhì)量。利用管道的彈性變形,將連接成整體的管道用多臺(tái)起重設(shè)備分段依次吊裝,直到管道整體落到溝槽就位。

        由于工程所在地?zé)o專(zhuān)用吊管機(jī),調(diào)遣費(fèi)和租賃費(fèi)高,組織難度很大。經(jīng)過(guò)研究和論證,決定采用多臺(tái)履帶吊聯(lián)合吊裝管道,以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。

        4.2 整體吊裝分析

        由于整體吊裝過(guò)程管道狀態(tài)較復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)未見(jiàn)更詳細(xì)的計(jì)算方法,采用簡(jiǎn)化計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)吊裝試驗(yàn)的方法,確定具體施工方案。

        簡(jiǎn)化計(jì)算方法中,許用應(yīng)力[σ]=σ/2(σ為屈服強(qiáng)度),計(jì)算管道彎曲半徑和允許最大移動(dòng)距離。通過(guò)計(jì)算,管道的允許最大移動(dòng)距離滿足變形要求。

        考慮吊車(chē)和管道處于最不利位置,吊裝過(guò)程管道處于彎曲狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,使用50 t履帶吊(或50 t汽車(chē)吊),作業(yè)半徑10 m,方案具有可行性。

        另外,管道向溝內(nèi)吊裝移動(dòng)時(shí),管道水平方向?qū)Φ鯔C(jī)施加的彈性阻力力矩,與管道重力作用于吊機(jī)的傾覆力矩方向相反,一定程度上增加了吊車(chē)的穩(wěn)定性和可靠性。吊裝過(guò)程中,同樣也要觀察管道產(chǎn)生的反向水平彈力,防止反向傾覆力矩過(guò)大。

        4.3 管道整體吊裝

        4.3.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

        根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)管道組裝和就位位置,布置吊裝設(shè)備和管道移動(dòng)量,見(jiàn)圖5。

        圖5 管道吊裝圖Fig.5 Drawing of pipeline hoisting

        使用8臺(tái)吊機(jī)起吊,另備用1臺(tái),單次吊裝管道長(zhǎng)度120 m,吊車(chē)間距15 m,見(jiàn)圖6。

        圖6 管道吊裝吊車(chē)布置圖(m)Fig.6 Overall layout of crane for pipeline hoisting(m)

        4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

        路面處理平整堅(jiān)實(shí),保證車(chē)輛安全行駛和順暢移動(dòng);清理平整溝底,測(cè)量復(fù)核標(biāo)高,確保管道安裝位置和標(biāo)高準(zhǔn)確。

        4.3.3 鎖固直管段

        管道吊裝時(shí),120 m以外的直管段受吊裝管道彈性變形力影響具有向溝槽滑動(dòng)的趨向,布置3臺(tái)挖掘機(jī)鎖固直管段,避免產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)。

        4.3.4 管道外護(hù)層保護(hù)

        使用寬度為300 mm、承載力20 t吊帶吊裝,減少單位面積上的壓力,禁止使用鋼絲繩吊裝直接接觸管道保護(hù)層。

        在吊裝過(guò)程中,與溝槽邊緣鋼板樁接觸部位設(shè)置木板作為保護(hù)墊。

        4.3.5 吊裝

        吊車(chē)與挖掘機(jī)全部駐位之后,吊裝管道抬起20 cm,穩(wěn)定30 s,檢查管道、挖掘機(jī)與吊車(chē)是否有異常。

        水平位移管道,將端頭管道的軸線逐步吊裝至安裝中心線正上方。吊裝過(guò)程中,相鄰兩吊點(diǎn)間軸線水平方向偏離距離小于0.64 m。

        管道緩慢下降,相鄰兩吊點(diǎn)間軸線豎直偏離高度小于0.71 m。

        管道起始段著地調(diào)整至設(shè)計(jì)位置,第1臺(tái)吊車(chē)可以松開(kāi)吊具,向后移車(chē)120 m至距第8臺(tái)吊車(chē)15 m的位置吊裝管道。吊車(chē)承重后,挖掘機(jī)陸續(xù)向后移動(dòng)15 m到新位置,繼續(xù)整體吊裝管道,見(jiàn)圖7。

        圖7 整體吊裝現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.7 Site construction photo of overall hoisting

        5 管道電預(yù)熱

        5.1 管道預(yù)熱方式

        管口焊縫經(jīng)探傷合格、完成接頭保溫,進(jìn)行管道預(yù)熱。管道預(yù)熱處理的方法常用水預(yù)熱或風(fēng)預(yù)熱,本次施工采用了電預(yù)熱技術(shù),把鋼管母材直接作為負(fù)載電阻,通入電流進(jìn)行加熱鋼管到設(shè)計(jì)溫度。

        5.2 管道電預(yù)熱

        電預(yù)熱設(shè)備有1 200 kW發(fā)電機(jī)、高頻開(kāi)關(guān)電加熱整流單臺(tái)電源設(shè)備和電纜等。

        單次預(yù)熱管道960 m,在預(yù)熱段的始端和末端上半圓弧均勻地焊接螺栓M16×50,螺栓間距50 mm,用于連接電纜,見(jiàn)圖8。

        圖8 電預(yù)熱接線圖Fig.8 Wiring diagram of electric preheating

        加熱輸出電壓控制在36 V以下,控制溫升速度小于5℃/h,管道整體溫度達(dá)到65℃時(shí)保持恒溫狀態(tài),開(kāi)始分層回填,分層夯實(shí),將管道受熱工作狀態(tài)產(chǎn)生的膨脹變形提前部分釋放,降低管道的軸向力,減少管道滑動(dòng)位移量。

        6 結(jié)語(yǔ)

        工程采用下向焊焊接的焊縫共計(jì)656道,焊縫經(jīng)射線探傷檢測(cè),一次合格642道,合格率為97.9%,Ⅰ級(jí)片率在96%以上。

        管道經(jīng)過(guò)2.4 MPa壓力試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程管道穩(wěn)定無(wú)泄漏;試運(yùn)行期間工作狀態(tài)穩(wěn)定,管道隨即投入使用。

        通過(guò)工程分析和實(shí)踐表明,采用管道溝外連接、纖維素焊條下向焊、藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊接、超長(zhǎng)段整體吊裝和電預(yù)熱技術(shù),為操作工人改善了作業(yè)環(huán)境,加快了工程進(jìn)度,保證了工程質(zhì)量,達(dá)到預(yù)期目標(biāo),滿足供熱系統(tǒng)按時(shí)投入使用的要求,在類(lèi)似的工程中具有推廣價(jià)值。

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