三、大型鋼管結構及現有工藝分析

　　大型洞內鋼管的結構型式由設計根據發(fā)電樞紐結構要求及巖土力學(xué)條件，結合施工要求確定，一般為單管單機布置，基本的結構有四種：

　　一、水平管，包括水平或接近水平的直管、錐管（漸變段）。

　　二、彎管，分上彎管和下彎管。

　　三、斜井直管。

　　四、豎井直管。實(shí)際鋼管結構多為水平管與其它結構的組合，形成“N”型、單梯度或多梯度型式布置，也有完全以水平管布置的。不難理解，對于施工而言采用水平管是最有利的，電站輸水隧洞工程的優(yōu)化方案多采用此種結構，而多梯度型式的施工較為困難。隧洞結構要求每個(gè)鋼管的內徑是漸變的，但主要部分的公稱(chēng)尺寸相同且變化幅度不大，說(shuō)明每個(gè)工程的鋼管結構的單一性，其直徑相對最大有約30％的變化，事實(shí)上每個(gè)大型鋼管工程都是由數百以至上千個(gè)結構尺寸相近的瓦片組成。

　　在現有工藝方面，以龍灘為例，典型的大型洞內鋼管的整個(gè)制造安裝工藝流程是：

　�。�1）材料采購；

　�。�2）鋼材運輸；

　�。�3）鋼管下料；

　�。�4）坡口加工；

　�。�5）卷板：1/3（或1/4圓�。�；

　�。�6）鋼管組圓；

　�。�7）縱縫焊接；

　�。�8）矯形；

　�。�9）加勁環(huán)安裝焊接；

　�。�10）內支撐安裝；

　�。�11）焊接檢驗；

　�。�12）廠(chǎng)內防腐；

　�。�13）出廠(chǎng)驗收；

　�。�14）凹心臺車(chē)公路立運（鋼管軸線(xiàn)與汽車(chē)軸線(xiàn)平行，高度大于寬度，故名）運輸；

　�。�15）交通支洞運輸（臺車(chē)平運）；

　�。�16）主洞運輸（臺車(chē)立運）；

　�。�17）安裝就位；

　�。�18）安裝環(huán)縫焊接；

　�。�19）安裝檢驗；

　�。�20）鋼管砼回填后安裝防腐。

　　其中，（1）～（2）由業(yè)主方直接負責，（3）～（12）由制造承包方在現場(chǎng)鋼管廠(chǎng)完成，（14）～（20）由安裝承包商實(shí)施。部分工程（例如三峽、天生橋等）在現場(chǎng)鋼管廠(chǎng)內進(jìn)行管節大組和環(huán)縫焊接。

　　根據鋼管的施工時(shí)間順序和工作狀況可以整個(gè)制造安裝過(guò)程分為五個(gè)方面：

　�。�1）材料采購供應

　　通常在正式的施工設計圖具備后，即具備采購條件。鋼板的長(cháng)度和寬度尺寸應當由制造安裝工藝確定�？梢杂嬎�，鋼管焊縫總長(cháng)度為管壁的縱縫環(huán)縫與加勁環(huán)環(huán)縫之和，即F＝mL+πDL／B+2πDn（1）

　　m為鋼管制造分瓦片數量，L為鋼管長(cháng)度，D為鋼管直徑，B為鋼管板寬，n為鋼管加勁環(huán)數量大型鋼管的瓦片數量為2個(gè)到5個(gè)，鋼板的長(cháng)度尺寸為1/3或1/4周長(cháng)，這對材料運輸和保證卷板速度更為有利。當鋼管直徑長(cháng)度加勁環(huán)等結構尺寸確定后，焊接工作量的大小與板寬成正比。以往，我國工業(yè)基礎較差，鋼板軋制、卷板等配套設備能力不足，大多采用了2m左右寬度的鋼板�，F在，不僅我國水電、石化、冶金等行業(yè)均有現代化的數控卷板機，寬度均按3-4m寬度設計，而且市場(chǎng)上可以采購到國內外生產(chǎn)的3m以上板寬鋼管用材。在設備條件許可時(shí)，鋼管板寬增加自然地形成了施工效率同比例的增長(cháng)，若以2m板寬為基準，板寬每增加10%，每條鋼管的環(huán)縫數量可以相應減少約10%，減少比率Q

　　Q＝（B-2）/B×100%（2）

　　可以節省的實(shí)際焊縫數量W W＝L×πD×（B-2）/B（3）

　　現有的情況是：我們在采購鋼板時(shí)可能少花費10%的費用，卻增加了30%的制造安裝成本及50%的施工時(shí)間。這是目前的一個(gè)盲點(diǎn)，站在社會(huì )經(jīng)濟宏觀(guān)價(jià)值角度考慮，我們可以制定相應的行業(yè)技術(shù)標準，從一個(gè)方面提高我國節能降耗水平�？梢哉J為，鋼管寬度的確定只是受到了鋼鐵廠(chǎng)生產(chǎn)能力和陸路運輸的限制（例如汽車(chē)、火車(chē)），綜合分析，對于大多數鋼管工程2.5m-3.2m板寬是一個(gè)適合的寬度選擇范圍。

　�。�2）鋼管制造最常用的制作程序是：劃線(xiàn)、切割、刨邊、卷板、對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調圓、裝加勁環(huán)、焊加組環(huán)、除銹、涂裝、大節組裝、環(huán)縫焊接、出廠(chǎng)檢驗。

　　鋼管廠(chǎng)規劃方式的不同形成不同的生產(chǎn)工藝，主要有兩種，一種是鋼管全部在現場(chǎng)加工的模式，另一種為全部瓦片在水工廠(chǎng)卷制的模式。龔嘴、隔河巖等水電站的實(shí)踐證明，將劃線(xiàn)到卷板的程序放在工廠(chǎng)完成，是一種很有特點(diǎn)的做法，特別是在現有技術(shù)和市場(chǎng)條件下更據優(yōu)勢，原因在于：

　　一、瓦片制作工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量易于保證，為提高鋼管的拼裝質(zhì)量和自動(dòng)焊接工藝提供有利條件；

　　二、在工廠(chǎng)易于實(shí)現規�；�生產(chǎn)，大型的卷板機、數控切割機和刨邊機等設備利用率可以大大增加，工效高成本低，一臺大型的數控卷板機年產(chǎn)量可以達到20000噸左右，而目前一般只有20%的利用率；

　　三、氧氣乙炔等主要消耗性材料可就近采購；

　　四、臨建工程量投入減少，施工人員減少，工程建設期征地相應減少。有利于鋼管生產(chǎn)的節能降耗和施工環(huán)保，對所有在高山峽谷地區電站的施工規劃有重要的借鑒意義。

　　鋼管的對圓傳統上采用了平組（管口向上）的方式，其投入小，可同時(shí)多位焊接、矯形、安裝加勁環(huán)內支撐容易等，其適應尺寸范圍大，應用非常普遍。但我們也不應忽略實(shí)現鋼管立組（軸線(xiàn)水平）后可能帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，管壁的縱縫和環(huán)縫均為平焊，在立組狀態(tài)下可容易地實(shí)現更高效的自動(dòng)焊接，鋼管在對圓中逐步用縱向操作的全自動(dòng)焊機完成縱縫焊接以及矯正，并完成加勁環(huán)的安裝和焊接，可以在鋼管制造階段形成機械化，所有的縱縫和環(huán)縫實(shí)現自動(dòng)化焊接，可以有效地減小翻身等吊裝工作。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，以直徑10m的鋼管為例，立組時(shí)每個(gè)平臺的面積為120㎡，而平組只需要50㎡，即使在隧洞狹小的作業(yè)空間內也能夠方便地組裝鋼管，這為大型洞內鋼管工藝改進(jìn)提供了必要的條件。當然，實(shí)現鋼管立組的關(guān)鍵在于設計制造一種大型專(zhuān)業(yè)的立式回轉平臺，要求其結構穩定，操作方便，外形尺寸緊湊，具有旋轉驅動(dòng)機構，設備自身運輸安裝拆卸方便，配備專(zhuān)用的活動(dòng)內支撐、裝夾工具和多臺自動(dòng)焊接設備后，具備完成鋼管對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調圓、安裝加勁環(huán)焊接的工作條件。

　　無(wú)論如何，高效的自動(dòng)焊接設備是優(yōu)先的選擇，因大多數鋼管的壁厚設計在20-50mm之間，將多絲高速埋弧焊工藝應用到水電站鋼管的焊接中是非常必要的，這與水電金屬結構業(yè)目前流行的全自動(dòng)氬弧焊工藝比較在效率和成本上存在較大的優(yōu)勢，而加勁環(huán)的焊接采用CO2氣體保護自動(dòng)焊則是既高效又經(jīng)濟的工藝。

　�。�3）鋼管運輸

　　運輸工作包括材料運輸、管節公路運輸和洞內運輸，運輸工具為汽車(chē)、火車(chē)或輪船，其中汽車(chē)運輸是必不可少的，材料運輸可以使用通用的運輸工具完成，國內水電工程較多地采用了火車(chē)和汽車(chē)運輸方式，部分水運條件較好的采用輪船遠程運輸后，汽車(chē)或火車(chē)倒運到現場(chǎng)，管節運輸除個(gè)別工程外，都采用特制汽車(chē)拖車(chē)運輸。運輸的最后階段是由平板臺車(chē)完成的（垂直管例外），平板臺車(chē)由卷?yè)P機進(jìn)行牽引。

　　實(shí)際上，鋼管在現場(chǎng)的運輸是工程規劃和施工的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。絕大部分水電工程施工道路設計為二級公路，根據國家公路技術(shù)標準，其寬度在7m～9m之間，當鋼管外形尺寸在9m以?xún)葧r(shí)，公路具備鋼管平運條件，但必須在鋼管節運輸時(shí)對所經(jīng)過(guò)的路段實(shí)施交通管制，由專(zhuān)用運輸車(chē)通過(guò)，特殊情況下，可以采用凹心臺車(chē)的方式拖運，但由于運輸時(shí)鋼管重心高，鋼性差，裝車(chē)難，運輸速度低，近年較少采用。若管徑大于9m時(shí)，可能為此提高公路的設計等級，當然施工交通洞的等級也要相應地提高，鋼管運輸所經(jīng)過(guò)的公路和隧洞將產(chǎn)生大量的土石擴挖和砼回填工程量，產(chǎn)生的直接費用是以百萬(wàn)計算的。與此相對應，最大程度地減小汽車(chē)運輸尺寸可能產(chǎn)生的數以百萬(wàn)計的經(jīng)濟價(jià)值，同時(shí)可以減少交通干擾、節省施工時(shí)間，并且有利于環(huán)境保護，無(wú)疑對工程建設是十分有利的。

　�。�4）鋼管安裝

　　大量的工程實(shí)踐表明，鋼管安裝質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵控制點(diǎn)的是其焊縫的焊接，這一點(diǎn)在大中型鋼管中更為明顯。我國在云峰電站建設中首次將埋弧自動(dòng)和焊滾焊臺車(chē)結合應用于鋼管環(huán)縫焊接，可以將兩節鋼管組成大節后運輸，有效地減少了安裝焊縫，較好地提高了環(huán)縫焊接效率和質(zhì)量，被廣泛地用于在工地鋼管廠(chǎng)鋼管制造，但是由于運輸尺寸和重量的限制，四十多年來(lái)滾焊臺車(chē)和埋弧自動(dòng)焊的工藝設備技術(shù)在水電行業(yè)中沒(méi)有得到大的發(fā)展，與國內外相關(guān)行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平形成了巨大的差異，同時(shí)也表明，在鋼管安裝技術(shù)上存在巨大的開(kāi)發(fā)潛力。我們完全可以設想，直接將大型的滾焊臺車(chē)安裝施工部位，比如輸水隧洞的主洞內，這樣，可以進(jìn)行兩節或兩節以上的大節組裝，70％以上的環(huán)縫可以實(shí)現自動(dòng)化焊接，鋼管安裝環(huán)縫減到更少，與此同時(shí)，鋼管主洞以外的運輸的尺寸可以繼續減小，鋼管主洞內的運輸的尺寸反而可以增大，事實(shí)上，尺寸越大的鋼管越有這種必要，主洞以外的運輸工具通常用汽車(chē)，尺寸越小其穩定性更好，速度可以相應提高，對施工交通的干擾減少，而鋼管主洞內的運輸由于洞挖結構的限制只能立運，在鋼管大節組裝之后其寬高比成倍增加，無(wú)論在平洞還是斜洞段運輸的穩定性變得更好了，有利于整個(gè)的施工安全。更一步地設想，若在滾焊臺車(chē)上設置行走驅動(dòng)機構，代替以往結構功能簡(jiǎn)單的運輸臺車(chē)，鋼管水平運輸的效率有望從根本上得到提高，可以達到一舉多得的效果，這對以水平結構為主的鋼管工程無(wú)疑是理想的施工設備。

　�。�5）防腐

　　現在水電站鋼管絕大部分防腐工作是分兩個(gè)階段進(jìn)行：大面積的工廠(chǎng)防腐和鋼管安裝后防腐。目前我國的防腐技術(shù)標準和國外是基本一致的，國外類(lèi)似工程的防腐使用壽命可以達到20～30年，而我國普遍為3-5年，差別巨大。在巖灘等工程中，鋼管防腐在安裝和澆筑混凝土后一次完成，質(zhì)量明顯較好，這與國外成功經(jīng)驗相同的。由于安裝過(guò)程和混凝土回填施工中不可避免要傷害到工廠(chǎng)防腐的部位，這些部位與安裝焊縫區域的防腐一樣成為鋼管內壁防腐的薄弱環(huán)節。用“圍桶理論”的觀(guān)點(diǎn)分析，提高安裝階段的防腐質(zhì)量是提高其使用壽命的關(guān)鍵板�，F在，越來(lái)越多的工程技術(shù)專(zhuān)家達成一致，應當在安裝后一次性地完成防腐涂裝工作，為了進(jìn)一步提高我國鋼管施工水平，我們不僅應當在鋼管工程設計和施工規范中加以明確，而且借簽國內外石油、化工等相關(guān)行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)工藝以及設備應用經(jīng)驗，可以研制高效、清潔的自動(dòng)噴砂和自動(dòng)噴涂設備，解決長(cháng)期以來(lái)鋼管防腐用簡(jiǎn)易的設備進(jìn)行大量的手工操作產(chǎn)生的高污染、低效率局面，滿(mǎn)足防腐質(zhì)量要求和工程的進(jìn)度要求。

　　四、現代大型鋼管工程的基本要求

　　1、滿(mǎn)足工程設計工期和質(zhì)量的要求

　　針對目前鋼管制造安裝量在和質(zhì)量要求高的趨勢，應當盡可能選用技術(shù)成熟、自動(dòng)化程度高的工藝和設備。無(wú)論是在材料采購，還是在鋼管制造、安裝、焊接、防腐及相應的檢測過(guò)程都應當體現。

　　在我國大規模開(kāi)發(fā)大中型水電站的背景下，為符合鋼管工程結構的單一性、高強度和質(zhì)量要求，研制大型鋼管制造的自動(dòng)化焊接單機十分必要，借鑒國內外的先進(jìn)焊機技術(shù)，采用多絲高速埋弧焊工藝，完全可以從根本上解決大型鋼管工程的焊接效率和質(zhì)量控制難題。

　　2、降低工程總造價(jià)根據洞內鋼管工程的特點(diǎn)，其成本包括材料采購和制造安裝等直接費用，同時(shí)應計算為此工程產(chǎn)生的臨時(shí)工程投入的大小，并盡可能減少后期運行管理成本。

　　3、生產(chǎn)系統具有柔性，可以適應結構和尺寸相近的鋼管需要由具有自適應焊縫跟蹤系統功能的單臺或多臺焊接操作機與工件裝夾，機械組合而成的加工中心適用于產(chǎn)品規格多變的小批量生產(chǎn)。大型自動(dòng)化焊接裝備或生產(chǎn)線(xiàn)的一次投資額相對較高，在設計這種焊接裝備時(shí)必須考慮柔性化，形成柔性制造系統，以充分發(fā)揮裝備的效能，滿(mǎn)足同一工程或類(lèi)似工程不同的生產(chǎn)需要。

　　4、減少交叉作業(yè)，避免施工互相干擾：

　　這一點(diǎn)在洞內施工時(shí)尤為關(guān)鍵，不合理的工藝線(xiàn)路設計不僅影響到鋼管的安裝安全和質(zhì)量，而且極可能影響到整個(gè)隧洞工程的施工進(jìn)度。

　　5、實(shí)現均衡生產(chǎn)，避免勞動(dòng)力、施工設備等資源使用出現大的波動(dòng)，工程施工易于實(shí)現過(guò)程控制，可以有效地降低施工管理難度。

　　6、創(chuàng )造有利的施工環(huán)境，這既符合國家相關(guān)法律（《勞動(dòng)法》《環(huán)境保護法》等），又是現代企業(yè)以人為本的文化價(jià)值觀(guān)的直接體現。