水電站壓力鋼管洞內組圓及安裝技術

汪義橋 焦凱

摘要：隨著我國大型水電站項目不斷增加和深度開發，引水發電系統壓力鋼管工程規模日益增大，傳統壓力鋼管施工技術存在諸多局限，已無法滿足大型水電工程的開發需求。壓力鋼管洞內組圓及安裝新技術，旨在快速、安全、優質地完成壓力鋼管施工，適應安全、環保、健康要求，減少勞動力數量、降低勞動強度，從而提高工期可控性、工程質量、安全性和環保程度。

關鍵詞：壓力鋼管;洞內組圓;安裝;新技術;應用

中圖分類號：TV547文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0046-03

0前言

傳統壓力鋼管施工存在，需建設用于壓力鋼管制造與儲存的專用壓力鋼管廠、存儲廠;需建設用于鋼管運輸的專用通道;大量純手工作業，施工效率低、質量可控性差;施工風險大、勞動強度大且安全風險高;運輸壓力鋼管嚴重擠占道路，豎向翻轉需專用大型吊裝設備;不符合綠色、環保、人性化的發展需求等突出問題[1]。

蘇洼龍水電站位于金沙江上游河段，布置4臺水輪發電機組，總裝機容量1200MW，為一等大（1）型工程，采用一管一機供水方式，4條引水隧洞平行布置，間距31m，壓力鋼管段洞徑10.0m。本工程地處青藏高原深切河谷地帶，工程區地質條件復雜，征地協調、施工場地開辟和專用運輸通道建設困難;同時，勞動者對工作地點、條件、環境以及安全環保的要求越來越高，常規壓力鋼管施工高度依賴勞動者主觀能動性、自覺性的傳統勞動密集、技術密集、不良環境中高強度危險工作越來越難以實施。

1洞內組圓及安裝新技術

在蘇洼龍水電站壓力鋼管制作中，成功引入了“智能化組焊”生產技術，避免了傳統上現場建鋼管制作廠及堆存場、設置專門的壓力鋼管運輸通道和洞頂布置鋼管吊裝天錨，解決了大面積施工場地占用問題。同時，采用2臺套設備和相應的工藝在隧洞內進行壓力鋼管施工，顯著縮短了傳統焊接需求時間，提前工期約7個月;100%的縱縫、90%的加勁環角焊縫、50%的環縫實現了埋弧自動焊，焊道飽滿、無飛濺，較傳統工藝具有更優的施工質量及外觀;施工安全受控、現場整潔有序，顯著提升工程施工形象[2]。

1.1快速組圓

采用壓力鋼管智能組焊專機及洞內自動化組焊工藝，實現了瓦片卸車、組對、回轉驅動、鋼管自動調圓、組焊設備的主機升降回轉及雙向移動等快速組裝。

（1）依托現代機電系統設計、三維仿真設計技術和有限元分析工具，結合壓力鋼管智能化施工需求，采用壓力鋼管智能組焊專機，主要由立柱、橫梁和主機體等組成。橫梁端部與立柱連接，主機體轉軸連有回轉支撐架，主機體設置在橫梁上方，主機體下部連接有水平回轉裝置，橫梁與立柱連接部位具有定位夾緊和升降的設置;新型機械結構和系統方法，實現了組焊專機的快速安裝、移動以及多種方位、管徑大型壓力鋼管焊接施工需求，蘇洼龍水電站使用ZH135型智能組焊專機主要設計參數見表1。

（2）采用一種大型壓力鋼管隧洞內智能化組焊工藝流程（圖1），將先進的流水化作業理念應用于施工現場，創新了一種全新的壓力鋼管施工工法—“單節組焊-多節組焊-鋼管安裝“三工位法（圖2），實現了在洞內進行（超）大型鋼管的現場單節制造、大節制造，探索出了一條適應環境惡劣、生態脆弱地區壓力鋼管生產的新道路。

1.2自動化運輸及調整

采用多功能滾焊臺車，實現了鋼管洞內自動化運輸及調整，突破了洞內多節直管及彎管組焊施工技術瓶頸，實現了單次組焊三節壓力鋼管[3]。

（1）適用于彎/直管行走、轉動等的多功能滾焊臺車，創新性地采用了繞臺車底座偏轉的滾輪裝置，降低了鋼管運輸高度要求。臺車液壓千斤頂及其液壓泵站、電磁閥都放在中空的臺車支座內部，不僅能夠調整滾輪的高度和中心距，而且結構整體緊湊、占用空間小、安全性高，實現了狹小空間壓力鋼管的轉動、升降以及運輸，突破了在隧道內等類似空間限制場所的壓力鋼管自動化焊接施工。

（2）適用于大型壓力鋼管彎段運輸的工藝，該工藝以兩個多功能滾焊臺車為基礎，結合用于在過彎時支撐鋼管的轉盤，通過在其中一個多功能滾焊臺車的底座上設置轉盤，或者每個多功能滾焊臺車的底座上均設置轉盤的創新方法，轉盤由底座、車輪、連接件、滾輪、車輪電機、旋轉電機、頂盤、底盤、轉盤軸承、千斤頂等部件組成，通過軌道不僅能夠保證鋼管在直線道路上運輸過程中的穩定性，還能保證鋼管運輸車順利通過彎道，減小彎道對鋼管運輸的限制，加快鋼管運輸進度，縮短施工工期。

（3）采取無吊具轉運大型壓力鋼管的方法，包括以下步驟：①多功能滾焊臺車將鋼管運到橫向轉運車處，在該位置鋼管與橫向轉運車重合;②多功能滾焊臺車的升降裝置降低，將鋼管放置在橫向轉運車上;③多功能滾焊臺車退出橫向轉運車位置，由橫向轉運車將鋼管運走。本方法采用橫向轉運車與多功能滾焊臺車的配合完成鋼管運輸，不需要吊點和吊車配合，即可實現大噸位或狹小空間的鋼管及類似構件的搬運，簡單方便實用，成本低，安全性好。

（4）采用適用于直管、錐管及彎管環縫焊接的多功能滾焊臺車，多功能滾焊臺車由滾輪架、行走小車等部件組成。滾輪架包括支架以及至少兩個滾輪，滾輪上均沿周向設有環槽。鋼管焊接時，將鋼管加勁環置于滾輪上的環槽內，通過環槽起到對管道的定位作用，避免了管道軸向竄動帶來的焊接質量問題。

1.3智能焊接

采用焊縫激光自動識別、跟蹤和埋弧焊小車自動糾偏的鋼管智能焊接系統，實現了雙絲埋弧焊現場規模化應用，降低勞動強度、提升焊接效率及質量、縮短工期。

（1）采用了適用于直管、錐管及彎管環形焊縫焊接的自動焊接小車，小車由行走、轉向、焊縫檢測和焊接等部件組成。焊縫檢測部件由工業相機、一字激光器、工業計算機組成，利用激光三角測量原理對焊縫信息進行測量檢測，為轉向機構和焊接工調整提供依據。焊接部件的焊接控制器與焊縫檢測部件通信連接，并通過接收的焊縫信息控制轉向和行走部件，使自動焊接小車沿焊縫行走、跟蹤，并完成自動焊接。自動焊接小車能對焊縫進行長距離焊接，不受跟蹤裝置行程影響，具有靈活方便、適應性強及控制精度高的優點。

（2）基于行業現行規范及蘇洼龍水電站壓力鋼管制作安裝技術要求，編制了壓力鋼管雙絲埋弧焊焊接工藝指導書及相關操作規程，指導了現場鋼管施工，將蘇洼龍水電站壓力鋼管縱縫焊接自動化比例提高至100%，環縫焊接自動化比例提高至50%以上，加勁環焊接自動化比例提高至90%以上，總體一次焊接合格率大于99%，蘇洼龍電站焊縫構成及焊接方法見表2。

1.4與國內外同類技術比較

我國水電工程壓力鋼管施工技術已經達到世界領先水平，迄今為止，國內外還沒有使用高達90%的埋弧自動焊制作大型壓力鋼管，也沒有成套的智能化施工技術。洞內組圓及安裝新技術與國內外同類技術相比有顯著提高和突破，主要體現在：

（1）系統集成度更高。蘇洼龍水電站壓力鋼管施工是目前智能化程度最高的大型壓力鋼管施工，達到了90%的焊縫采用埋弧自動焊。鋼管滾焊接長規模遠遠超過黃金坪水電站和涔天河水庫擴建施工。智能化雙絲埋弧焊第一次用于水電站壓力鋼管制作，第一次實現3節彎管滾焊成大節，第一次采用瓦片翻轉平臺加裝加勁環。第一次在一個工程同時使用2臺套組焊設備進行壓力鋼管制作和滾焊，并實現了兩臺設備在洞群內轉移使用。

（2）應用規模更大、施工質量更好。蘇洼龍水電站采用2臺套設備完成了4條洞161節壓力鋼管、4071t的單節制作，組對成76個大節，壓力鋼管的制作應用規模更為宏大和復雜洞內縱縫焊接一次合格率99.89%，大節環縫焊接一次合格率99.11%。

（3）技術探索更顯著。蘇洼龍水電站大膽創新，采用瓦片翻轉平臺加裝加勁環、90%的加勁環角焊縫采用埋弧自動焊、焊縫自動識別和跟蹤、在水電站壓力鋼管制作中應用智能化雙絲埋弧自動焊工藝、3節彎管滾焊等設想和探索都取得了成功。

2結語

在高山峽谷地區壓力鋼管施工采用的常規施工方案相比，減少了征地面積，節省了工程投資，且鋼管運輸通道上的施工支洞斷面縮小，洞內制作環境穩定，避免了明廠房里的高溫和日溫差大對工人、施工作業及鋼管制作質量的不利影響。80%的焊縫采用無煙無塵無弧光的埋弧自動焊，解決了長期困擾壓力鋼管施工的環境難題。成套設備的運用，提高了鋼管制安的機械化和自動化水平，降低了工人的勞動強度，提升了科技含量，安全、質量、進度、成本可控性大為提高，有利于推動壓力鋼管制安從勞動密集型、資源密集型、進度質量安全成本控制性工期向科技密集型、施工受控型轉變，提升了中國水電施工水平，具有長遠的社會效益和經濟價值。

參考文獻

[1]王琦，吳鵬，高升，等.大型壓力鋼管縱縫氣電立焊技術應用[J].焊接技術，2016，45（9）：103-105.

[2]孫文，侯明.向家壩電站超大直徑引水隧洞壓力鋼管制作與安裝[J].水電站機電技術，2011，34（4）：40-42+50.

[3]汪劍國，伍鶴皋，石長征，等.地下埋藏式壓力鋼管無內支撐安裝變形分析[J].水力發電，2016，42（12）：50-55.

CircleAssemblyandInstallationTechnologyinPenstockTunnelsofHydropowerStation

WANGYiqiao，JIAOKai

（ChinaWaterResourcesandHydropowerThirdEngineeringBureauCo.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi710024）Abstract：Withthecontinuousincreaseandin-depthdevelopmentoflarge-scalehydropowerprojectsinmycountry，thescaleofpenstockprojectsinthewaterdiversionandpowergenerationsystemisincreasing.Thetraditionalpenstockconstructiontechnologyhasmanylimitationsandcannotmeetthedevelopmentneedsoflarge-scalehydropowerprojects.Theconstructionofthepenstockholeandtheinstallationofnewtechnologiesaimtocompletetheconstructionofthepenstockquickly，safelyandwithhighquality，adapttotherequirementsofsafety，environmentalprotection，andhealth，reducethenumberoflabor，andreducelaborintensity，therebyimprovingthecontrollabilityoftheconstructionperiod，thequalityoftheproject，andtheSafetyandenvironmentalprotection.

Keywords：penstock;circleassemblyintunnel;installation;newtechnology;application