水電站管路預制及數字化裝配施工技術研究

彭兵

（中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川 彭山 620800）

1 概述

水電站管路配裝受施工環境、施工方法、水工建筑交叉作業等因素限制，管路配裝工作多數是將管路、管件等運至現場進行切割、配裝及焊接作業。特別是混凝土倉號內的預埋管路，管路種類多，布置范圍廣，作業人員根據現場情況及施工藍圖進行管路分解，分段；成品管路運輸至現場，根據分解長度使用手持砂輪機切割，并打磨管口加工坡口，然后使用人力搬運并進行對縫安裝，管路配裝后焊縫位置多樣，焊接設備移動頻繁，施工時段長，施工難度大，作業人員勞動強度高，現場焊縫質量優良率低、外觀成形不美觀，其施工方法大同小異，無明顯改進，已不能滿足水電工程建設對管路安裝、焊接的高標準和嚴格控制要求。

針對水電站管路現場裝配問題，近年來，國內水電站管路施工過程中，將部分管路在臨時場地進行分段預制，利用管路切割機及坡口機進行管路加工制作，一定程度上提高了現場管路配裝的施工效率。由于管路安裝工程量大，臨時場地管路預制方法無創新，管路預制進度慢，未能實現管路裝配數字化，管路預制自動化。

2 技術發展背景

近年來，國家提倡工程建設數字化、信息化、智能化。管路工廠化預制技術及管路裝配數字化技術已在化工行業應用成熟，管路設計分段完成后，全部由軟件控制系統配合加工生產線自動完成管路下料、加工、對裝、焊接作業。管路系統按照“零件”現場組裝，管路安裝效率極高。我國石油、石化及冶金建設行業等的管道切割、坡口加工、組對及焊接已全部自動化，在上海化工園區，中石化三、五、十公司，以及上海工業設備安裝公司等施工單位均采用鋸床、車床、機器人進行管路加工焊接。因此，水電站管路安裝范圍大、系統煩瑣、管路結構及走向形式多樣，且材質基本全是不銹鋼，無法將化工行業技術照搬，因此用于水電站管路預制及數字化裝配技術是十分迫切必要的。

3 技術發展的方向

（1）管路預制化裝配式施工技術可采用數字化分解分段的新方法，代替傳統作業人員查看二維施工藍圖現場計算、現場配割、管路走向人工分析規劃等施工工藝，實現管路分段唯一編號，零件裝配化。（2）根據施工部位、混凝土分倉結構及現場運輸條件將管路進行單元分段，將二維施工藍圖轉化為三維模型，對應位置管路，分解為若干單件圖，改變水電站現有根據二維施工布置圖現場進行分解施工的方式，提高施工效率，節省材料投入。根據管路、管件預制化裝配式分解系統，可由以下步驟構成：三維模型建立—智能編輯—ISO預制管段生成及編輯—ISO圖分圖優化—ISO預制管段圖生成—材料表加成—預制管段加工生產。（3）管路預制化裝配式施工技術突破了水電站管路現場制作配裝的傳統施工方法限制，利用預制化裝配施工技術現場可直接進行“搭積木”式安裝的方法，大幅提高現場管路裝配施工效率，降低安裝人員專業化程度要求，減少作業人員投入。（4）利用管路預制化裝配式施工技術對管路自動化下料、坡口加工、焊接的裝置，改變水電站輔機不銹鋼管路只能人工下料切割、坡口加工、組對及焊接的方式，提高管路制作效率及焊縫外觀質量。

4 實施技術應用

4.1 管路預制化裝配式分解應用

針對機組混凝土預埋管路人工現場分解配裝傳統方式，面對現場施工條件差、現場管路配裝耗時長、工作量大，工作強度高，且容易出現人工分解錯誤造成返工現象。預制及數字化裝配系統的應用，建立各類管件底層數據庫，建立三維模型，根據混凝土分層分倉進行管路智能分層，分層后依據管路走向及結構進行二次管段優化，形成管段單件圖，并附帶物料表，實現管路智能分解分段。參見圖1。

圖1 管路分解三維及數字圖例

4.2 預制化裝配式管路系統自動化下料、坡口加工、組對、焊接技術

針對水電站管路現場切割手段有限，使用手持砂輪機切割后，管口毛刺較多、參差不齊、管路長短不一、變形大、效率低等問題，研究使用一套管路自動定長下料設備，保證切口整齊、無變形的工藝；現場管路坡口加工設備有限，效率低，運用管路自動加工各型坡口的設備，保證坡口加工質量的工藝；管路焊縫外觀質量及焊接人員技術水平要求高，運用管路自動焊接設備，保證管路單面焊雙面成型，焊縫外觀美觀，提高探傷合格率的工藝。預制化裝配工廠車間圖例如圖2。

圖2 預制化裝配工廠車間圖例

5 技術經濟指標

（1）水電站管路預制及數字化裝配施工技術通過采用三維管路設計軟件，改變傳統的二維圖紙施工方法，創建3D管線模型圖或導入3D模型圖，模型美觀和直觀感覺好，能夠自動生成所有管路安裝施工圖及材料報表的三維設計方法。實現實時可視化，實現所見即所得，使設計人員從原來的二維圖紙空間的人為想象轉變為三維空間的實體模型，減少了配管人員的錯誤率。通過3D模型進行自動軟件拆分和出具工程現場安裝圖，工人按照安裝圖施工，快速明了，節省大量的時間，以提升效率。實現管路三維模型智能分解分段，與常規人力分析現場配割，效率提升至少50%以上，管路材料損耗量降低至少10%以上，同時減少現場專業技術人員的配置。

（2）水電站管路預制及數字化裝配施工技術通過管路下料配割、坡口加工、組對及焊接的自動化設備，提高管路配裝機械化利用率，解決人工作業出現的各種質量缺陷，降低焊接作業隊人工操作技能的高要求，降低勞動強度，提高管路坡口、焊縫外觀質量，使焊縫呈現統一“魚鱗紋”標準，使焊縫焊后UT探傷一次合格率達到99.9%以上。工廠內管路制作與現場土建施工同步開展，減少傳統現場作業的時間占用的土建直線工期，節省現場人力投入，現場安裝效率可提升3倍以上。

6 應用前景

水電站管路預制及數字化裝配施工技術創新及應用，三維建模智能化進行管路整體系統的分解分段，解決了傳統工藝通過人工耗時、耗力的分解方法，降低分解過程中人為因素的影響，提升分解效率。管路預制實現“零件化”裝配：（1）管路預制采取工業化施工方法可實現同步異地進行管路的預制施工，管路預制可與土建同步施工，縮短施工總工期；（2）配備管路預制所需的機械裝備。在工廠內完成大部分管路的切割、組對、焊接、檢驗等工作?？梢宰畲笙薅葘崿F關鍵工序的機械化、自動化、提高機械設備利用率，有利于提高勞動生產率；（3）便于管路制作的質量管理，質量控制比較容易實現，施工工藝得到保證；（4）管路預制廠作業環境及條件較施工作業面好，可以全天候施工，減少現場高空作業；（5）材料、管件、耗材集中管理，便于控制施工成本；（6）管路預制系統機械化及自動化程度高，運行人員少，預制好的管段送往現場各個工作面，在現場只要進行少部分管路連接二次預制或固定口焊接。

7 結語

水電站管路預制及數字化裝配施工技術應用是機電安裝工程領域的必然發展方向。隨著水電站施工領域對管路預制裝配施工的重視程度提升，在預制裝配技術的發展中，需要建設單位與施工企業共同的努力，為管路預制數字化裝配技術的發展創造良好的環境。通過預制數字化裝配這一先進的機電安裝施工技術運用，能夠極大地提高水電站管路工程施工的視野及管路安裝技術含量和管理水平，提升行業綜合實力，推動水電工程建設行業進行技術革新起到積極的作用，應用前景廣闊，從而提高施工質量管理及工程創優建設，值得推廣應用。