侯王剛 朱建波 宋仲達(dá) 羅 勝 胡萬斌

中國葛洲壩集團機電建設(shè)有限公司 四川成都 610031

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，工廠大型化、多功能性要求越來越突出。傳統(tǒng)的管道施工模式主要為邊安裝邊焊接，且一般在土建、鋼結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)作業(yè)面完成后才開始全面施工，交叉作業(yè)多，極易受到現(xiàn)場施工環(huán)境的影響，特別是面對極寒的氣候條件，管道施工效率大大降低。

為了有效降低外界氣候因素的影響，縮短施工工期，可使用大型焊接設(shè)備提升工藝管道施工效率和質(zhì)量。阿穆爾天然氣加工處理廠采用“預(yù)制車間焊接+ 現(xiàn)場安”的組合方式，極大地提升了管道施工效率，保證了焊接質(zhì)量，有效解決了極寒氣候條件下的管道施工問題。

1 管道工廠化預(yù)制關(guān)鍵流程及特點分析

自2014 年3 月1 日實施《管道工廠化預(yù)制技術(shù)規(guī)范》（HGT 21641- 2013）以來，管道工廠化預(yù)制水平和規(guī)模有了明顯提升，包括設(shè)計、預(yù)制、檢驗及產(chǎn)品交付條件等得到進(jìn)一步優(yōu)化。

1.1 二次設(shè)計

二次設(shè)計是采用計算機軟件將提供的原始軸測圖拆分為若干獨立的便于運輸和安裝的管段圖。一方面重點審查原始圖紙管道、彎頭、閥門、法蘭等管件的名稱、規(guī)格、材質(zhì)和編號等參數(shù)；另一方面，采用三維可視圖和現(xiàn)場實測方式，確定管道預(yù)制口，盡可能減少對高空、穿墻、吊裝、動設(shè)備連接及運輸?shù)纫蛩氐挠绊憽?/p>

1.2 管道配料

在二次軸測圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)管件到貨情況，考慮管材的允許損耗率等因素進(jìn)行合理配料。主要解決的問題為：

（1）管節(jié)的選擇與控制應(yīng)考慮現(xiàn)場實際布置、運輸及吊裝作業(yè)；

（2）考慮管線總體長度偏差滿足要求，焊接過程中存在的收縮補償；

（3）滿足特殊部位、管件及空間要求，關(guān)鍵部位應(yīng)預(yù)留活口。

1.3 管道預(yù)制

原材料在車間經(jīng)過下料、切割、坡口打磨、焊接、熱處理及缺陷處理等流水線作業(yè)，制造出符合設(shè)計文件標(biāo)準(zhǔn)的管節(jié)。

1.4 預(yù)制質(zhì)量檢查

管道的質(zhì)量檢查主要包括外觀檢查和無損檢測。外觀檢查主要是進(jìn)行幾何尺寸檢查驗收，包括長度、角度、開孔位置、支管垂直度和法蘭平面度等[1-2]。無損檢測主要是根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)、液體滲透檢測(PT)及X 射線檢測（RT)、鐵素體檢測和材料化學(xué)成分檢測（PMI)，對于輸送毒性、設(shè)計壓力大于等于10MPa 的彎管還應(yīng)進(jìn)行100%無損探傷。

1.5 管道防腐

一般防腐車間位于預(yù)制車間旁邊，在無損檢測合格后，可就近運至防腐車間進(jìn)行施工，防腐后的管節(jié)進(jìn)行顏色打碼標(biāo)識。

1.6 交付驗收

防腐完成后的管節(jié)運輸至現(xiàn)場，現(xiàn)場施工人員按照技術(shù)規(guī)定再次嚴(yán)格檢驗。

2 阿穆爾天然氣管道工廠化預(yù)制關(guān)鍵技術(shù)

阿穆爾天然氣加工處理廠地處俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，冬季最低氣溫可達(dá)- 44℃，且溫度低于0℃時間長達(dá)179d。項目總工期為81 個月，分為5 個階段，工藝管道焊接量達(dá)186.1 萬達(dá)因。面對工期緊張和嚴(yán)酷的低溫條件，項目采用“預(yù)制車間焊接+ 現(xiàn)場安裝”的組合方式進(jìn)行管道施工，保證了約61.1%的焊接工作在車間室溫條件下完成，極大地提升了施工效率。而預(yù)制車間的設(shè)計與預(yù)制方法的確定是本項目的根本，是實現(xiàn)預(yù)制車間流水線作業(yè)的關(guān)鍵。

2.1 極寒地區(qū)預(yù)制車間建造特點

2.1.1 結(jié)構(gòu)特點

由于車間承載起重管道的作用，需具備一定的承載力，所以采用鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)。其基礎(chǔ)為混凝土灌注樁，在四周及中間采用螺栓連接。將鋼結(jié)構(gòu)立柱安裝于混凝土基礎(chǔ)上，鋼立柱采用工字鋼螺栓連接。預(yù)制車間布置見圖1 和2 所示。

圖1 預(yù)制車間平面布置圖

圖2 預(yù)制車間主鋼結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 技術(shù)特點

極寒地區(qū)車間建造主要需解決保溫和通風(fēng)問題。為了確保冬季車間的保溫效果，采取密閉方式，車間四周安裝巖棉夾心波紋板，在確保一定強度的同時保證溫度效果，具體如圖3 和圖4 所示。在車間氣溫低于5℃時，采用可移動式暖風(fēng)機進(jìn)行加熱。作為一個密閉的車間，且需要進(jìn)行切割、焊接作業(yè)，在保暖的同時要注重通風(fēng)除塵。通過在每個焊接工位安裝移動式機械自潔式過濾器（PMSF- 5）進(jìn)行煙霧除塵，可保證車間全天候施工。

圖3 預(yù)制車間墻體3D圖

圖4 預(yù)制車間墻板安裝圖

為了提高焊接效率，車間配置現(xiàn)代化焊接設(shè)備，包括數(shù)控等離子切割機、管道數(shù)控切割機、數(shù)控坡口加工機、橋機吊、懸臂吊和懸臂式埋弧自動焊機等。最大限度實現(xiàn)關(guān)鍵工序的機械化、自動化，提高勞動生產(chǎn)效率。

2.2 預(yù)制車間適用范圍

根據(jù)設(shè)計文件要求，預(yù)制車間適用于碳鋼和不銹鋼管道設(shè)計壓力為0.04～8.34MPa，溫度- 269～500℃，管徑15～1400 達(dá)因，壁厚2.11～38.1mm。為了提高效率，主要針對50 達(dá)因以上管道進(jìn)行車間預(yù)制焊接（一般50 達(dá)因以下管道由于直徑小，現(xiàn)場走向布置存在較大不確定性，因而采用現(xiàn)場配制）。

2.3 工藝原理

圖5 管道工廠化預(yù)制流程圖

2.4 軸測圖二次設(shè)計

項目采用計算機軟件Smartplant Spoolgen 進(jìn)行軸測圖二次設(shè)計，結(jié)合智能3D 模型CAXperts 軟件，將軸測圖拆分為若干獨立的便于運輸和安裝的管段。設(shè)計過程需要注意以下三點：

（1）審查總包提供的管道軸測圖[3]。檢查內(nèi)容包括：管段端點坐標(biāo)、標(biāo)高；管道、管件（含彎管）、法蘭、閥門、特殊件的名稱、規(guī)格、幾何尺寸、材質(zhì)、壓力等級、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)量及圖紙編號等參數(shù)；管段的操作參數(shù)、設(shè)計參數(shù)及絕熱厚度；介質(zhì)流向和安裝坡度；支吊架安裝位置；管道等級分界點等主要參數(shù)及說明。

（2）打開CAXperts3D 模型，檢查該段管道空間位置，確定管道預(yù)制口，目的是在不影響管道運輸和安裝要求的基礎(chǔ)上，盡量采取車間預(yù)制。主要考慮：管道空間位置較高且無操作或焊接平臺的部位盡量不留固定口；管道穿墻部位不能預(yù)留預(yù)制口；考慮管架或設(shè)備框架結(jié)構(gòu)對管道預(yù)制段的影響，避免無法穿越框架，同時便于吊裝；管道預(yù)制口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離動設(shè)備連接處，以減輕設(shè)備振動對焊口的影響；考慮車輛運輸對管道長度的限制。圖6 為CAXperts3D 模型預(yù)制管段。

圖6 CAXperts3D模型預(yù)制管段

（3）采用SmartplantSpoolgen 軟件在軸測圖上進(jìn)行預(yù)制點的繪制。如管線MP01，結(jié)合CAXperts3D 模型，將該管段劃分為3 段進(jìn)行預(yù)制，分別為SP09、SP10和SP10A。該管段安裝于鋼結(jié)構(gòu)層架中，且兩端存在彎頭，無法完全預(yù)制后進(jìn)行安裝。因此，采取兩端彎頭與直管段在車間焊接，現(xiàn)場總焊接的方式。圖7 中，WELD NO40、41、43、44、45、46、48 為 車 間 預(yù) 制，WELD NO039、42 和47 為現(xiàn)場焊接，從而保證管道預(yù)制的高效開展。

圖7 二次設(shè)計后的預(yù)制管段

2.5 管道配料系統(tǒng)

為了提高配料效率，同時降低人為影響，項目采用計算機技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫ONE LINE，實時進(jìn)行配對。

（1）建立來料登記統(tǒng)計表，對每條管線的到貨管道、法蘭、三通等管件進(jìn)行掃碼登記。

（2）根據(jù)已劃分的管節(jié)，建立管節(jié)統(tǒng)計表。根據(jù)邏輯程序，首先判斷該管節(jié)所包括的管件是否均已到達(dá)，若全部已到達(dá)，則認(rèn)為此管節(jié)可進(jìn)行焊接。需要切割管線部分長度為設(shè)計長度+3%設(shè)計長度（根據(jù)合同要求，切割廢料不超過3%），保證一定冗余量。

（3）根據(jù)已確定切割管線的ID 匹配標(biāo)準(zhǔn)管道登記表，確定是否有足夠長度進(jìn)行切割。

楊三可表示，“甕福做新品，關(guān)注的是內(nèi)涵，是科技含量，必須服務(wù)于增產(chǎn)增收、減施增效、綠色環(huán)保，為農(nóng)民創(chuàng)造價值?！彼麑υ趫龅漠Y福農(nóng)資公司員工提出要求：“目前，集團在新型肥料研發(fā)、鐵腕提質(zhì)、服務(wù)提升等方面取得了很多新突破，農(nóng)資公司必須抓好試驗示范田建設(shè)，針對不同的土壤、不同的作物，廣泛開展試驗示范，用實實在在的效果說話，同時也要配套好農(nóng)化服務(wù)、農(nóng)民培訓(xùn)等服務(wù)，打造幸福農(nóng)業(yè)服務(wù)商?！?/p>

通過以上判別和篩選，可快速進(jìn)行任何管節(jié)的材料匹配及切割焊接，便于材料管理。

2.6 管道預(yù)制

2.6.1 管道切割

通過來料檢查的管道標(biāo)準(zhǔn)件轉(zhuǎn)運至預(yù)制車間，根據(jù)管節(jié)預(yù)制圖紙要求尺寸，將標(biāo)準(zhǔn)管道切割成一定長度的管道節(jié)，方便后續(xù)的管道組對裝配及焊接。同時，為確保制造的可追溯性，每個管節(jié)采用的管道元件均做好材料的標(biāo)識移植。根據(jù)管徑的大小選用合適的切割方式，通常采用鋸床或切割機進(jìn)行機械切割，其中不銹鋼采用機械或等離子切割，切割前要先除去表面氧化層。

2.6.2 管道坡口加工

根據(jù)焊接工藝卡要求，不同管徑、不同壁厚的管道需要加工不同角度的坡口。管道坡口主要采用坡口機床，也可使用外卡式管道坡口機進(jìn)行加工，切口表面應(yīng)平整，無裂紋、重皮、毛刺、凸凹和縮口等雜物。

2.6.3 組對裝配

通過下料、坡口加工后，將不同管道運至對應(yīng)工位進(jìn)行組對、焊接；采用卡盤式直管法蘭組對機將大管徑管道與法蘭固定，使用橋機吊或回轉(zhuǎn)吊進(jìn)行調(diào)整；小管徑管道組對采用鏈條式外對口器進(jìn)行組對，禁止強制對口；確保焊縫接頭間隙、錯變量等符合焊接工藝卡要求。

2.6.4 焊接

由于管輸天然氣介質(zhì)的安全性要求較高，項目主要的焊接方式為氬弧焊、氬弧焊+ 手工焊及氬弧焊+埋弧自動焊。對于直徑超過20 達(dá)因的管道，采用氬弧焊打底與埋弧自動焊相結(jié)合方式進(jìn)行。手工氬弧焊應(yīng)根據(jù)焊接工藝卡“焊道焊接順序”進(jìn)行，每道焊縫的開始和結(jié)束位置使用角磨機打磨，以達(dá)到平滑過渡。

2.7 質(zhì)量檢查

管道預(yù)制完成后，進(jìn)行外觀和無損檢測。檢查焊縫標(biāo)記信息和外觀質(zhì)量，核對焊接各項工作是否完成，焊縫外觀質(zhì)量應(yīng)特別注意熱影響區(qū)域收縮變形問題。

按照設(shè)計要求對焊縫進(jìn)行無損檢測。射線探傷率達(dá)到60%左右，每條管線需經(jīng)過三道審查，在材料證書、焊接質(zhì)量、檢測結(jié)果及各方認(rèn)可的情況下方能移交防腐車間進(jìn)行下一道工序。

3 效益分析

在管道預(yù)制車間附近建設(shè)無損車間、機械實驗室和防腐車間等，配備物流傳送線，形成管道下料、坡口加工、焊接、無損檢測及防腐一體化流水線作業(yè)。從而加強各個工序之間的無縫對接，提高管理效率，實現(xiàn)了一整套管道預(yù)制系統(tǒng)化施工及管理。最后將合格的管節(jié)運至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。

3.1 質(zhì)量效益

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)

管道工廠化預(yù)制有完善的質(zhì)量管理體系。從管道的二次設(shè)計到加工制造、防腐噴涂等流程，均實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，且受外界影響較小，可以使質(zhì)量得到最大限度的保障[4]。

3.1.2 提升焊接合格率

利用自動化設(shè)備及管理系統(tǒng)，降低人員素質(zhì)水平的影響。工廠化預(yù)制大規(guī)模采用自動焊、坡口機、切割機等設(shè)備，從而減少人為焊接因素[5]的影響。針對項目第一階段車間預(yù)制及現(xiàn)場焊接一次合格率進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 車間預(yù)制與現(xiàn)場手工焊接參數(shù)對比

通過分析，工藝管道預(yù)制質(zhì)量滿足和符合設(shè)計及規(guī)范技術(shù)要求。施工驗收合格率100%，車間預(yù)制焊接一次合格率為98.1%～98.3%，現(xiàn)場焊接一次合格率為95.4%～95.6%，相比現(xiàn)場一次合格率提升約3%；同時，車間預(yù)制可采用自動化焊接設(shè)備，減少人工。根據(jù)分析，1 臺自動焊相當(dāng)于4～5 個焊工人數(shù)。

3.2 管理效益

在工廠化預(yù)制中，解決了傳統(tǒng)管道預(yù)制分散管理的難題，可以對設(shè)備、生產(chǎn)線和施工人員進(jìn)行有效地集中統(tǒng)一管理；實現(xiàn)了流水線作業(yè)，不僅節(jié)約了人力和物力，在財力方面也有相應(yīng)的節(jié)約，大大提高了經(jīng)濟效益。

同時，集中統(tǒng)一管理有助于提升技術(shù)水平及管理水平。運用管道工廠化預(yù)制技術(shù)，借助先進(jìn)的計算機輔助管理，有利于新技術(shù)、新工藝、新機具、新材料的推廣應(yīng)用，提升技術(shù)水平，推動企業(yè)技術(shù)進(jìn)步[6-7]。

3.3 經(jīng)濟效益

阿穆爾天然氣加工廠工藝管道焊接量186.1 萬達(dá)因，其中車間預(yù)制量達(dá)113.7 萬達(dá)因，占總量的61.1%。由于阿穆爾項目工期81 個月，設(shè)備按照5 年折舊計，則相當(dāng)于該設(shè)備的全部投資僅用于本項目。為了提高焊接效率，車間配置數(shù)控等離子切割機、管道數(shù)控切割機1 臺、數(shù)控坡口加工機1 臺、10t 橋機吊2 臺、3.5t 懸臂吊16 個、懸臂式埋弧自動焊機2 臺、氬弧焊機20 臺，以及外卡式管道坡口機等現(xiàn)場代焊接設(shè)備。根據(jù)項目實際情況，車間焊接功效為12 達(dá)因/ （人·天）；現(xiàn)場焊接功效為6 達(dá)因/（人·天），針對阿穆爾項目車間預(yù)制量達(dá)113.7 萬達(dá)因計算，大約節(jié)省成本3383.9 萬元。

4 結(jié)論

采用管道工廠化預(yù)制工藝，能夠有效節(jié)約施工工期，降低成本。同時，有助于控制質(zhì)量和安全保障，實現(xiàn)工廠的一體化管理，特別適用于氣候條件較為惡劣的地區(qū)。因此，在后期要結(jié)合新技術(shù)，不斷強化管道預(yù)制深度，提升工廠一體化管理效率，實現(xiàn)工廠管道預(yù)制的最優(yōu)化。