大型鋼管樁環形豎向分層全自動焊接技術在海上施工中的應用

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場南側，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，設計采用鎖扣鋼管樁對橋墩進行保護。

橋墩鋼管樁保護采用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，樁頂標高為13～16.3m，而鋼管樁設計樁長為19～29m。見圖1。

圖1 鋼管樁斷面圖

其中起保護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，最后在海面上打入一節對接一節，接口為豎向管口限位對接方式。

鋼管樁對接時精準對位的控制，鋼管樁現場焊接質量是本工程控制重點，也是施工難點之一。

2 環形豎向分層全自動焊接工藝

我國目前在海上作業管道焊接時，由于受現場施工條件限制因素諸多，常規采用手工電弧焊施工，海上管道人工焊接，焊接時間長、質量不穩定、難度大等種種因素，施工效率極低、風險較大。

環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動，焊槍上下擺動實現豎向分層自動焊接。環形豎向分層全自動焊接設備由焊接小車、行走軌道、自動控制系統等部分組成。

傳統管道焊接主要為管道平臥、管子旋轉、環向焊接，焊接設備固定；而環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。項目針對沿江高速保護鋼管樁海上施工特點，采用環形豎向分層全自動焊接工藝。

（1）焊接設備主要組成部分

①進口焊接電源。

②自動送絲機。

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→焊前準備（防風措施）→設備安裝調試→焊前預熱→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。根據相關技術要求，焊接前將焊接坡口（除第一節底部外，其余截面全部開35°雙面坡口）及其附近20～30mm范圍內的鐵銹、油污、水氣和雜物清除干凈。

③管口對接固定。第一節鋼管插打完成后，固定導向架，搭設作業平臺，用履帶式起重機將第二節鋼管吊起與第一節鋼管對接，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，對接完成后點焊固定。

④防風準備。采用CO2氣體保護焊焊接時，因海面風大，其風速大于2m/s，設計了專門的防風屏。見圖2、圖3。

圖2 防風屏運用

圖3 防風屏效果圖

⑤設備安裝調試。將自動焊接小車就位，檢查氣管、電纜、焊絲等，通過遙控器調節焊槍水平、豎直位置，做好焊接準備。

⑥焊前預熱。鋼管樁施工中焊接鋼管的強度較高、鋼管厚度較大，在焊接前需對鋼管進行預熱。

表1

⑦打底、熱焊、填充及蓋面。自動焊接需要人工打底，打底焊接質量將影響整體焊接效果。打底焊接結束后，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向移動并焊接，焊接過程通過焊槍擺動，層層循環填充，直至焊口齊平。蓋面焊接需達到焊口位置突出1～2mm。見圖4。

圖4 環向自動焊接

⑧焊縫表面清理。焊接結束后，應對表面焊縫進行清理。

⑨無損檢測的焊縫質量等級應符合現行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB 50205）的有關規定。

3 海上施工鋼管樁焊接技術難點

（1）鋼管樁精準對位困難，耗時長

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

①海上船舶受風浪影響較大，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履帶起重機在船舶上使用相對陸地來說，平衡性較差，自身穩定性無法保證，稍有海風吹來，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、勞動強度大

因鋼管樁需分節施打，每增加一節就多增加一道焊縫，焊接長度達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，分三節施工，兩道焊縫需耗時6～7小時，工人勞動強度大。

（3）防風要求高

因CO2氣體保護焊受風影響較大，而風對焊接質量影響至關重要，氣孔、氣泡等質量問題稍有不慎就會發生。但鋼管樁施工空間有限，無法做到全封閉室內環境，為確保焊接質量，防風保護措施是關鍵。

（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，容易出現內凹缺陷。

（5）環形豎向分層焊接要求高

鋼管樁豎向對接，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，人工焊接對焊接質量影響較大。

4 應對解決措施

（1）導向柱輔助定位法，有效地解決鋼管樁對位困難，耗時長。

①鋼管樁對位項目采取導向柱輔助定位法。在第一節鋼管樁四周焊接楔形導向柱，導向柱沿鋼管樁頂面間隔90°分布，長度約120mm，在第二節與第一節對位時起輔助導向和臨時固定作用，待對位后點焊固定，然后拆除導向柱。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）環形豎向分層全自動焊接設備提高焊縫效率，降低工作難度。

采用環形豎向分層全自動焊接設備，通過遙控器操縱焊接小車在鋼管樁上環形移動，焊接速度達到平均201mm/min，大大縮短焊接時間，而且自動焊接設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度，能保證焊接質量。

（3）可拆卸拼裝式防風屏有效防風，提高焊接質量

專門設計制作了防風屏，可拆卸拼裝，且拆卸方便，搬運輕便，防風效果良好，有效地解決了風對焊接影響，提高焊接質量。

（4）引弧時調節焊絲長度、將焊嘴對準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加快焊接速度，有效解決內凹缺陷。

①引弧時調節焊絲長度、將焊嘴對準坡口引弧，引弧之后立即進行縱向調節可避免穿絲，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，可減少內凹缺陷。

5 技術分析及應用前景

（1）人工焊接與自動焊接對比

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

根據現場實際測量、統計記錄，自動焊接小車焊接長度700mm，連續焊接15層，耗時52min，平均201mm/min。人工焊接30mm，連續焊接15層，耗時30min，平均15mm/min。環形豎向分層全自動焊接設備速度方面有較大優勢。

鋼管樁自動焊接工藝性試驗檢測合格，焊接接頭經沖擊、拉伸、彎曲試驗，抗拉強度、彎曲試驗及沖擊試驗結果，均符合GB50661-2011《鋼結構焊接規范》中Q345B的技術指標要求。見圖5。

圖5 自動焊接效果圖

（2）社會效益與經濟效益分析

①社會效益分析。環形豎向分層全自動焊接具有降低工人勞動強度、生產率高、焊接質量好、節能環保等優點。手工焊接質量，受限于工人焊接水平影響較大。而自動焊接設備則受人的影響因素較小，焊縫的質量穩定性好，容易受控。

自動焊接設備操作簡單，短時間培訓即可獨立操作。一名優秀焊手工電弧焊焊工，投入時間成本和培訓成本高與效益不匹配。

②經濟效益分析。國產焊條的價格一般為1.5～2.5萬元／t，國產實芯焊絲的價格約為1萬元／t。

采用自動焊接設備焊絲的熔敷率可達90%，而焊條的熔敷率通常為50%～55%。雖然本焊接工藝需用保護氣體，但保護氣體所需的經費僅占焊接材料經費的10%～15%。

上述兩項綜合考慮，自動焊接設備焊接材料的經費量僅是購買焊條經費量的1／3～1／2，可大幅度降低成本。

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

（3）優缺點

①全自動焊接技術有利于提高工藝標準，焊接質量更好；

②全自動焊接技術推廣應用能夠提高焊接工效，減輕工人的勞動強度；

③工效、材料、焊接合格率、焊接質量、人工投入等方面綜合經濟效益更高。

（4）應用前景

綜上所述，環形豎向分層全自動焊接技術通過在海上鋼管樁施工中實踐應用，起到了提高功效、降低勞動強度、確保焊接質量的作用，值得大力推廣應用。

6 結語

環形豎向分層全自動焊接技術對提高我國管道環形豎向分層焊接水平具有十分重要的現實意義，這項技術將會得到快速的推廣和廣泛的應用。