大口徑不銹鋼潔凈管道關鍵施工技術

張勝玉

上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080

隨著我國國民經濟的快速發展,電子、生物醫藥及食品行業生產廠房設施中的氣體、液體供給系統所使用的不銹鋼潔凈管道市場快速增長。隨著電子、生物醫藥及食品行業產品制程技術精度的日益增加，對管路中氣體液體的潔凈程度要求也越來越嚴格。

1 工程概況

上海市安裝工程集團有限公司承接的工程為上海和輝光電公司第六代AMOLED 顯示項目壓縮空氣系統，包括離心式空壓機、螺桿空壓機、高低壓控制盤、緩沖罐、冷卻器、干燥機、過濾器、終端過濾器、水泵、風機、管路、閥門及其之間的銜接。

壓縮空氣后處理流程如下：空壓機→緩沖罐→后部冷卻器→前置過濾器→外鼓風零氣耗干燥機→后置過濾器→活性炭過濾器→緩沖罐→終端過濾器。

本工程管材選用AP 級/ BA 級潔凈不銹鋼管，最大管徑DN800，采用焊接連接。潔凈不銹鋼管道中壓縮空氣的主要功能為吹除AMOLED 屏幕生產過程中顯示屏上殘存的微米級灰塵。鑒于顯示屏表面極度的潔凈要求，設計對吹掃氣體品質提出了明確指標規定：顆粒＜10 顆，＞0.1μm/ ft3/ 3 次，系統終端過濾器濾孔尺寸為0.01μm，過濾率99.99999999%。施工過程中任何殘存的雜質都將影響氣體品質，堵塞過濾器，影響系統功能的正常發揮。

2 難點及措施

在安裝現場開放式環境下對原材料加工、預制，受制于現場的條件簡陋、作業環境差，對大口徑不銹鋼潔凈管道進行施工存在較大的難度。

（1）空間管理難度大。為此，采用BIM 進行空間規劃與管理。

（2）管道內的潔凈度要求高。整個項目的重中之重是如何保障管道系統在一系列的加工、安裝、調試過程中，始終保持管道內的潔凈度達標。

（3）不銹鋼管道不允許火焰加熱，不允許出現較大錯邊、變形和應力。由于本工程的不銹鋼管道潔凈度等級達到AP 和BA 級，管道內壁不允許觸摸。管道組對時外壁不允許用火焰加熱的方法，管道內壁也不允許施加外力來校正管道的錯邊現象。同時，不允許管道組對時的定位焊焊點出現氧化現象。

（4）304L 不銹鋼潔凈管道焊接質量要求高。本項目為精密電子工程，對壓縮空氣的潔凈要求非常高，這對304L 不銹鋼管道的焊接質量提出了非常高的要求。304L 不銹鋼在運輸時及整個施工過程中，都需充滿惰性氣體保護，這給施工帶來了不便。另外，本工程304L不銹鋼最大管徑達到DN800，壁厚為8.8mm，需進行根部焊接，在焊接過程中不得污染管道內部，這對施工環境及施工技術提出了極高的要求

（5）不銹鋼潔凈管道內壁焊縫顏色要求國內無標準。由于不銹鋼潔凈管道內壁焊縫顏色要求國內無相應的標準，是否合格無評判依據，給施工帶來困難和不便。后來，借鑒美國焊接學會的標準AWS D18.1：2009，經與業主反復協商，并經現場焊接效果多次驗證（包括大口徑管手工氬弧焊和小管全自動氬弧焊），最后雙方達成一致，不銹鋼管內壁焊縫顏色必須至少達到3 級，焊工焊出來的試樣經業主認可后才能正式開始施焊產品。

3 關鍵施工技術

3.1 基于BIM的管段預制加工圖深化技術

在工程設計階段，利用三維可視化設計和仿真模擬技術減少設計錯誤，解決管線綜合以及與建筑結構的碰撞問題，包括施工圖紙的直接沖突、管線設備安裝時的操作空間、設備檢修必需的空間占位、大型設備吊裝和運輸路線分析等。在正式施工之前解決上述問題，優化設計方案，以達到確保工程質量、控制工程造價的目標。

（1）BIM 碰撞測試:在管道預制前，進行BIM 碰撞和美觀檢查，確保預制管路到現場對接時，現場無碰撞。

（2）BIM 碰撞測試完成后，繪制最終版系統圖；再根據系統圖對管路進行分段，確定工廠加工詳圖。

（3）在確定管道工程加工詳圖時，需考慮各規格閥門尺寸，并與廠家聯系，取得各規格閥門詳細資料；與廠家確定管道及配件預制加工技術文件；確定不銹鋼各分段詳細參數表，確保與加工技術文件無誤。

3.2 大口徑不銹鋼潔凈管道工廠化預制技術

3.2.1 潔凈室（預制間）搭建

潔凈室框架采用鍍鋅角鋼，焊接連接。潔凈室外鋪設防靜電PVC 膜，室內配備了潔凈服與潔凈鞋，地面上鋪設防靜電PVC 地板革。潔凈室頂部均勻分布風量為1200m3/ h，過濾效率99.99%/ 0.3μm 的FFU 高效過濾器。

承載不銹鋼潔凈管道的焊接支撐件材質為鍍鋅碳鋼。在支撐件上鋪設聚四氟乙烯白色墊片，用于阻隔不銹鋼管和碳鋼，防止二者接觸。

3.2.2 管道預制與布置

本工程不銹鋼管道在安裝過程中盡量擴大預制量。現場加工預制時，在專用的場地進行，嚴禁和加工預制碳素鋼的場地混用。

管道預制需注意以下幾點：

（1）預制前應認真核對管線圖和現場實測尺寸，預制管段的組合尺寸應符合要求。

（2）管子對口時，應檢查平直度，在距接口中心200mm 測量，允許偏差2mm。全長運行偏差最大不超過10mm。

（3）管道組對時，焊口不得采用強力對口、加熱管子等方法消除原有缺陷，以免造成附加應力。管子、管件組對時，應使內壁平齊，內壁錯邊量應為壁厚的10%，且不應大于2mm。

（4）管道在組對前，應清理管道內外表面，將坡口兩側內、外壁20mm 范圍內的油、漆、垢、銹等清除干凈，直至發出金屬光澤。

（5）焊接接頭組對前，應確認坡口加工型式、尺寸，且表面不得有裂紋、夾層等缺陷，焊件的坡口加工應按規定要求進行。

（6）不銹鋼管道組對時，要避免金屬表面出現機械損傷，應采用吊裝或吊帶搬運。

（7）不銹鋼管道組對時，應采取防污措施。施工工具應保持清潔，不得使用造成鐵污染的黑色金屬工具。施工過程中，應防止其他管道切割、焊接時的飛濺物對其造成污染。

（8）預制完成的管段，應將內部清理干凈，并及時封閉管口。焊接接頭處應標明管道編號、焊口號和焊工號。

3.3 大口徑不銹鋼潔凈管道焊接技術

3.3.1 焊接要求

（1）大口徑不銹鋼管道內部必須保持潔凈，焊接時內壁應避免氧化，焊縫應光滑、明亮、潔凈，不得出現發藍、發黑現象；

（2）不得進入不銹鋼管道內部焊接，只允許單面焊，即焊工必須具備單面焊雙面成形的技能；

（3）不銹鋼潔凈管道外部的坡口、焊道不得用砂輪打磨機清理，只允許用百潔布或不銹鋼絲刷清理；

（4）不銹鋼潔凈管道焊后，內壁不允許酸洗鈍化、不允許打磨拋光或鋼絲刷清理，以避免產生污染。焊后只允許用5N 的氮氣或氬氣吹掃；

（5） 不銹鋼潔凈管道內部焊縫表面顏色按照AWS D18.1：2009 的要求，必須達到1—3 級，4—10級為不合格。

3.3.2 焊接要點

3.3.2.1 選擇手工鎢極氬弧焊加焊絲(308L)焊接

針對上述要求，本工程大口徑不銹鋼潔凈管道的焊接采用手工鎢極氬弧焊加焊絲(308L)焊接。這是基于如下考慮：

（1）由于氬氣是惰性氣體，焊接過程中不參與任何冶金反應，熔池非常鎮靜、易于控制，根部焊道無渣、無飛濺，焊后根部焊道可免除清理。

（2）由于電弧受到氬氣氣流的壓縮和冷卻作用，電弧能量比較集中，電弧電壓低，燃燒穩定，熱影響區小。

（3）手工鎢極氬弧焊槍操作靈活方便，通過填絲動作可隨時隨意地配合電弧控制焊縫根部的熔孔大小形狀，很容易保證根部及背面成形良好。由于熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調整，所以鎢極氬弧焊可進行全位置焊接，也是實現單面焊雙面成形的理想方法。

（4）由于本工程不銹鋼管徑較大，沒有相應的全自動氬弧焊機（母材自熔焊接），所以只能采用手工鎢極氬弧焊加焊絲焊接（當然施工難度大）。

從保證焊縫顏色和耐腐蝕性等角度而言，自然希望焊接熱輸入小一些為好，但焊絲熔化需要額外的熱量，所以加焊絲焊接比母材自熔焊需要的熱輸入大，這存在不利的一面。此外，從保證焊透和單面焊雙面成形的角度來看，熱輸入又不能小。這顯然存在矛盾之處，因而對焊工的技能提出了非常高的要求。

3.3.2.2 保證焊接質量的具體措施

由于本工程的特殊要求，焊工必須具備奧氏體不銹鋼管的單面焊雙面成形技能，加之又是壓力管道，為保證焊接質量作出如下規定：

（1）從事不銹鋼潔凈管道焊接的焊工必須按照TSG Z6002- 2010《特種設備焊接操作人員考核細則》的要求考試，并取得質監局頒發的《特種設備作業人員證》相應項目GTAW- FeⅣ- 5G 或GTAW- FeⅣ- 6G資格（不是5G（K）或6G(K)，且項目資格必須在有效期內。具備上述資格的焊工在焊接不銹鋼潔凈管道前還應先試焊樣品，經現場培訓考試，達標后，方能正式焊接產品。每天上班施焊作業前都要進行考試，考試合格才能從事當天的焊接工作。

（2）為了確保高潔凈度，搭設了專門的潔凈室用于不銹鋼潔凈管道的焊接生產。為防止鐵離子和其他有害雜質的污染，嚴格禁止與碳鋼管混合作業；生產場地必須保持清潔、干燥，地面鋪設橡膠或木質墊板；半成品、成品的堆放配有木質堆放架；生產過程中使用專用滾輪架（如滾輪襯有橡膠等）、吊夾具及其他工藝裝備；起吊吊纜采用繩制吊纜；不銹鋼潔凈管道在周轉和運輸過程中，要配備必要的防鐵離子污染和磕、劃傷的運送工具；運作過程中嚴禁與碳鋼的貨架、工具或其他尖硬物體直接接觸。

（3）不銹鋼潔凈管道的保護氣體必須選用純度大于99.999%的高純氬。氬氣應符合GB/ T 4842- 2006《氬》的規定。如果氬氣中的雜質含量超過規定標準，在焊接過程中不但影響對熔化金屬的保護，而且極易使焊縫產生氣孔、夾渣等缺陷，使焊接接頭質量變壞，并使鎢極的燒損量增加。由于多個班組焊接，需氣量大（尤其是充氬量極大），單瓶無法提供足夠氣量，所以建立了專門的氬氣站。管子開封前應預先做好管內充氬的準備工作。管子在去掉塑料外包裝后，要輕輕的取下兩端的塑料密封套，并立即充氬，防止空氣污染。

（4）為防止焊縫區因表面氧化而造成不銹鋼管內壁變色和抗腐蝕能力下降，焊縫背面應采取充氬保護措施。保護措施可根據管道直徑的大小與復雜程度采用整體或局部充氬方法。采用整管充氬保護法充氬時，要用海綿或膠帶將管子兩頭封住，同時用膠帶封住全部待焊接縫；采用局部充氬保護法充氬時，要在焊縫兩側200～250mm 處用定制的海綿等專用物質塞住，并用膠帶封住所有的待焊接縫。

（5）焊前應對管內進行預先充氬，充氬時間原則上以氬氣全部置換完密封段內空氣為準（一般為1～2h）。充氬開始時，宜采用較大的流量（充氬流量為25～75L/ min），確保管內空氣完全排除后方可施焊；焊接時背面保護用的氬氣流量應適當降低，避免出現凹坑。當完成打底層焊接后，可將充氣流量調整至6～8L/ min，然后進行后續的焊接。

（6）第一層焊完后，應趁焊縫高溫時用不銹鋼鋼絲刷將焊縫表面刷干凈。在高溫冷卻過程中應持續通氬氣防止氧化，冷卻至道間溫度低于60℃時方能焊接第二道。第二道工序同上。注意刷焊道時，應從上往下刷，并將刷焊道的范圍減到最小。

（7）為防止空氣侵入熔池，焊接時不能把貼在接縫處的膠帶一次除去，應撕一段焊一段。焊接中電極尖端到熔池表面的距離一般不要超過電極直徑，焊槍擺動速度不宜過快，焊絲填充時應平穩地送入電弧區，焊絲前端應置于保護氣體中。在保證焊透和熔合良好的條件下，宜采用小電流、短電弧、快焊速和多層多道焊工藝，并應控制道間溫度。應在坡口內引弧，焊件表面不得有電弧擦傷，并不得在焊件表面引弧、收弧。焊接中應確保引弧與收弧處的質量，收弧時應將弧坑填滿。相鄰焊道的起弧或收弧處應相互錯開30mm 以上。注意要將焊縫表面熔渣、氧化物、油脂和銹跡等清除干凈后，再繼續施焊。

3.4 不銹鋼潔凈管道安裝施工精確度控制技術

3.4.1 現場安裝技術

（1）不銹鋼管材、管件及其管道組成件應隨用隨出庫，盡量避免在現場較長時間存放。

（2）在現場安裝過程中，不得使用可能造成鐵離子污染的工具。不銹鋼管道不準直接與碳素鋼制品接觸，在接觸處必須襯墊不含氯離子的塑料、橡膠。

（3）不銹鋼管道安裝前應對管子、管件、閥門等進行檢查，以免由于牌號或化學成分與設計要求不符造成返工。如設計有特殊要求，需按設計要求處理。

（4）在現場安裝工程中應謹防尖銳或硬性物質劃傷、擦傷不銹鋼管材、管件及其管道組成件表面。一旦有局部磕碰或劃傷等影響耐腐蝕性能的缺陷，則該管材、管件及其管道組成件不得再安裝。

（5）臨時性潔凈室裝設在現場。管路施工中，所有預作管線部份均需在臨時性潔凈室內進行，以控制微塵數。

（6）每一段切割至所需長度的管子，最后均需以純度為99.999%氬氣噴洗，以避免有小碎片殘留。噴洗完后立刻以帽蓋覆在兩端開口，并以塑膠套膜包裝好儲存，直到需要安裝這些管線前再行拆封。

（7）管線支架的裝設：支架的材質需為槽鋼，且裝配在天花板、墻緣、梁柱及設施等之上，以固定管線；支架的擺設位置，需依現場實際狀況，予以量測并架配；配管時需考慮管線工作處、維護及配設之美觀程度等；管線之間的架設間距不能大于規范要求的最大允許跨度；螺釘與螺帽的材質，需為不銹鋼制品。支架間距見表1。

表1 管線支架間距

3.4.2 精確度控制技術

本工程大口徑不銹鋼管道都是在臺灣工廠預制加工、潔凈處理合格后運至施工現場進行進一步深加工。如果管段安裝錯誤或者加工尺寸偏差較大，出現返廠或重新訂貨加工的情況，對整個施工工期及施工成本將造成極大的損失。這就要求在施工過程中細化安裝工藝，加強安裝精度的檢驗檢測，強化施工管理措施。每段管道及管配件安裝完成后，需要進行管道尺寸復核檢驗，這不僅僅是對單項管道安裝精度的檢驗，還能及時對整個管道系統安裝誤差進行調控，確保萬無一失，為后期整個系統的質量達標打下堅實基礎。

針對施工中遇到的難題，管道組采用與管道規格相同型號的管道外對口器（可調螺桿端部焊不銹鋼墊片以防止污染不銹鋼管道，見圖1）來解決管道組對時錯邊的問題，利用特殊的夾具消除管道錯邊現象，在管道錯邊量達標后可夾緊對口器夾具來代替定位焊的功能。與此同時，摒棄傳統的管道定位焊工序，直接采用兩個焊工從管道的兩個側面同時進行正式氬弧焊焊接作業。由于管道兩側是同時受力，焊接過程中可減少變形達到應力平衡，保證了管道的組對及焊接質量。

圖1 管道外對口器

4 創新點

本工程大口徑潔凈不銹鋼管道工廠化預制、焊接、裝配安裝等關鍵技術取得了以下創新成果：

（1）通過采用基于BIM 管段預制加工圖深化技術，有效避免了施工過程中管線的碰撞及大量返工。

（2）采用大口徑不銹鋼潔凈管道工廠化預制技術，施工現場設置10000 級不銹鋼潔凈管道潔凈室（預制車間），創新了潔凈管道工廠化預制施工技術，既保證產品質量，又提高工作效率。

（3）開發了大口徑不銹鋼管道專用的外對口工夾具，大幅提高管道組對精度，并且實現管段快速組對安裝。

（4）針對大口徑不銹鋼潔凈管道的工藝要求，研制了專項焊接工藝及保護裝置，確保管道焊接達到AWS D18.1:2009 標準1—3 級。

（5）對管道預制、裝配安裝、焊接、吹掃、調試等關鍵環節實現全過程控制，最終整個管道系統的空氣質量達到＞0.1μm/ ft3的顆粒＜10 顆的標準，滿足工程要求。

5 結語

通過采用大口徑不銹鋼潔凈管道一系列關鍵技術，和輝光電第六代AMOLED 顯示項目凈化壓縮空氣系統，施工得以順利開展，避免了工期延誤。本工程無論是在管道前期工廠預制加工方面，還是在施工現場方面，都采用了以往施工中罕見的新技術，尤其是利用BIM 建模方法將整個管道系統進行細部劃分，有效地指導管道安裝。其次，在施工過程中落實潔凈度要求，從施工現場臨時潔凈室的選型、搭建，到管道進入現場存儲、組對、焊接等諸多環節上盡量減少污染、保持管道的潔凈度，從而保證了整個管道系統在空氣質量檢測中順利達到標準要求。該大口徑不銹鋼潔凈管道一系列關鍵施工新技術的使用，保證了本項目壓縮空氣系統的順利運行。