三、大型鋼管結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有工藝分析

　　大型洞內(nèi)鋼管的結(jié)構(gòu)型式由設(shè)計根據(jù)發(fā)電樞紐結(jié)構(gòu)要求及巖土力學(xué)條件，結(jié)合施工要求確定，一般為單管單機(jī)布置，基本的結(jié)構(gòu)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。實際鋼管結(jié)構(gòu)多為水平管與其它結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，而多梯度型式的施工較為困難。隧洞結(jié)構(gòu)要求每個鋼管的內(nèi)徑是漸變的，但主要部分的公稱尺寸相同且變化幅度不大，說明每個工程的鋼管結(jié)構(gòu)的單一性，其直徑相對最大有約30％的變化，事實上每個大型鋼管工程都是由數(shù)百以至上千個結(jié)構(gòu)尺寸相近的瓦片組成。

　　在現(xiàn)有工藝方面，以龍灘為例，典型的大型洞內(nèi)鋼管的整個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(nèi)支撐安裝；

　�。�11）焊接檢驗；

　�。�12）廠內(nèi)防腐；

　�。�13）出廠驗收；

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

　　（15）交通支洞運輸（臺車平運）；

　�。�16）主洞運輸（臺車立運）；

　�。�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(fù)責(zé)，（3）～（12）由制造承包方在現(xiàn)場鋼管廠完成，（14）～（20）由安裝承包商實施。部分工程（例如三峽、天生橋等）在現(xiàn)場鋼管廠內(nèi)進(jìn)行管節(jié)大組和環(huán)縫焊接。

　　根據(jù)鋼管的施工時間順序和工作狀況可以整個制造安裝過程分為五個方面：

　�。�1）材料采購供應(yīng)

　　通常在正式的施工設(shè)計圖具備后，即具備采購條件。鋼板的長度和寬度尺寸應(yīng)當(dāng)由制造安裝工藝確定。可以計算，鋼管焊縫總長度為管壁的縱縫環(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(shù)量，L為鋼管長度，D為鋼管直徑，B為鋼管板寬，n為鋼管加勁環(huán)數(shù)量大型鋼管的瓦片數(shù)量為2個到5個，鋼板的長度尺寸為1/3或1/4周長，這對材料運輸和保證卷板速度更為有利。當(dāng)鋼管直徑長度加勁環(huán)等結(jié)構(gòu)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(chǔ)較差，鋼板軋制、卷板等配套設(shè)備能力不足，大多采用了2m左右寬度的鋼板�，F(xiàn)在，不僅我國水電、石化、冶金等行業(yè)均有現(xiàn)代化的數(shù)控卷板機(jī)，寬度均按3-4m寬度設(shè)計，而且市場上可以采購到國內(nèi)外生產(chǎn)的3m以上板寬鋼管用材。在設(shè)備條件許可時，鋼管板寬增加自然地形成了施工效率同比例的增長，若以2m板寬為基準(zhǔn)，板寬每增加10%，每條鋼管的環(huán)縫數(shù)量可以相應(yīng)減少約10%，減少比率Q

　　Q＝（B-2）/B×100%（2）

　　可以節(jié)省的實際焊縫數(shù)量W W＝L×πD×（B-2）/B（3）

　　現(xiàn)有的情況是：我們在采購鋼板時可能少花費10%的費用，卻增加了30%的制造安裝成本及50%的施工時間。這是目前的一個盲點，站在社會經(jīng)濟(jì)宏觀價值角度考慮，我們可以制定相應(yīng)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從一個方面提高我國節(jié)能降耗水平。可以認(rèn)為，鋼管寬度的確定只是受到了鋼鐵廠生產(chǎn)能力和陸路運輸?shù)南拗疲ɡ�如汽車、火車），綜合分析，對于大多數(shù)鋼管工程2.5m-3.2m板寬是一個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、切割、刨邊、卷板、對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調(diào)圓、裝加勁環(huán)、焊加組環(huán)、除銹、涂裝、大節(jié)組裝、環(huán)縫焊接、出廠檢驗。

　　鋼管廠規(guī)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(xiàn)場加工的模式，另一種為全部瓦片在水工廠卷制的模式。龔嘴、隔河巖等水電站的實踐證明，將劃線到卷板的程序放在工廠完成，是一種很有特點的做法，特別是在現(xiàn)有技術(shù)和市場條件下更據(jù)優(yōu)勢，原因在于：

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

　　二、在工廠易于實現(xiàn)規(guī)�；�生產(chǎn)，大型的卷板機(jī)、數(shù)控切割機(jī)和刨邊機(jī)等設(shè)備利用率可以大大增加，工效高成本低，一臺大型的數(shù)控卷板機(jī)年產(chǎn)量可以達(dá)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(shè)期征地相應(yīng)減少。有利于鋼管生產(chǎn)的節(jié)能降耗和施工環(huán)保，對所有在高山峽谷地區(qū)電站的施工規(guī)劃有重要的借鑒意義。

　　鋼管的對圓傳統(tǒng)上采用了平組（管口向上）的方式，其投入小，可同時多位焊接、矯形、安裝加勁環(huán)內(nèi)支撐容易等，其適應(yīng)尺寸范圍大，應(yīng)用非常普遍。但我們也不應(yīng)忽略實現(xiàn)鋼管立組（軸線水平）后可能帶來的優(yōu)點，管壁的縱縫和環(huán)縫均為平焊，在立組狀態(tài)下可容易地實現(xiàn)更高效的自動焊接，鋼管在對圓中逐步用縱向操作的全自動焊機(jī)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(jī)械化，所有的縱縫和環(huán)縫實現(xiàn)自動化焊接，可以有效地減小翻身等吊裝工作。它的另一個優(yōu)點是占地面積小，以直徑10m的鋼管為例，立組時每個平臺的面積為120㎡，而平組只需要50㎡，即使在隧洞狹小的作業(yè)空間內(nèi)也能夠方便地組裝鋼管，這為大型洞內(nèi)鋼管工藝改進(jìn)提供了必要的條件。當(dāng)然，實現(xiàn)鋼管立組的關(guān)鍵在于設(shè)計制造一種大型專業(yè)的立式回轉(zhuǎn)平臺，要求其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作方便，外形尺寸緊湊，具有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，設(shè)備自身運輸安裝拆卸方便，配備專用的活動內(nèi)支撐、裝夾工具和多臺自動焊接設(shè)備后，具備完成鋼管對圓、縱縫焊接、縱縫矯正、探傷、調(diào)圓、安裝加勁環(huán)焊接的工作條件。

　　無論如何，高效的自動焊接設(shè)備是優(yōu)先的選擇，因大多數(shù)鋼管的壁厚設(shè)計在20-50mm之間，將多絲高速埋弧焊工藝應(yīng)用到水電站鋼管的焊接中是非常必要的，這與水電金屬結(jié)構(gòu)業(yè)目前流行的全自動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(hù)自動焊則是既高效又經(jīng)濟(jì)的工藝。

　�。�3）鋼管運輸

　　運輸工作包括材料運輸、管節(jié)公路運輸和洞內(nèi)運輸，運輸工具為汽車、火車或輪船，其中汽車運輸是必不可少的，材料運輸可以使用通用的運輸工具完成，國內(nèi)水電工程較多地采用了火車和汽車運輸方式，部分水運條件較好的采用輪船遠(yuǎn)程運輸后，汽車或火車倒運到現(xiàn)場，管節(jié)運輸除個別工程外，都采用特制汽車拖車運輸。運輸?shù)淖詈箅A段是由平板臺車完成的（垂直管例外），平板臺車由卷揚機(jī)進(jìn)行牽引。

　　實際上，鋼管在現(xiàn)場的運輸是工程規(guī)劃和施工的一個關(guān)鍵點。絕大部分水電工程施工道路設(shè)計為二級公路，根據(jù)國家公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其寬度在7m～9m之間，當(dāng)鋼管外形尺寸在9m以內(nèi)時，公路具備鋼管平運條件，但必須在鋼管節(jié)運輸時對所經(jīng)過的路段實施交通管制，由專用運輸車通過，特殊情況下，可以采用凹心臺車的方式拖運，但由于運輸時鋼管重心高，鋼性差，裝車難，運輸速度低，近年較少采用。若管徑大于9m時，可能為此提高公路的設(shè)計等級，當(dāng)然施工交通洞的等級也要相應(yīng)地提高，鋼管運輸所經(jīng)過的公路和隧洞將產(chǎn)生大量的土石擴(kuò)挖和砼回填工程量，產(chǎn)生的直接費用是以百萬計算的。與此相對應(yīng)，最大程度地減小汽車運輸尺寸可能產(chǎn)生的數(shù)以百萬計的經(jīng)濟(jì)價值，同時可以減少交通干擾、節(jié)省施工時間，并且有利于環(huán)境保護(hù)，無疑對工程建設(shè)是十分有利的。

　　（4）鋼管安裝

　　大量的工程實踐表明，鋼管安裝質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵控制點的是其焊縫的焊接，這一點在大中型鋼管中更為明顯。我國在云峰電站建設(shè)中首次將埋弧自動和焊滾焊臺車結(jié)合應(yīng)用于鋼管環(huán)縫焊接，可以將兩節(jié)鋼管組成大節(jié)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鋼管制造，但是由于運輸尺寸和重量的限制，四十多年來滾焊臺車和埋弧自動焊的工藝設(shè)備技術(shù)在水電行業(yè)中沒有得到大的發(fā)展，與國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平形成了巨大的差異，同時也表明，在鋼管安裝技術(shù)上存在巨大的開發(fā)潛力。我們完全可以設(shè)想，直接將大型的滾焊臺車安裝施工部位，比如輸水隧洞的主洞內(nèi)，這樣，可以進(jìn)行兩節(jié)或兩節(jié)以上的大節(jié)組裝，70％以上的環(huán)縫可以實現(xiàn)自動化焊接，鋼管安裝環(huán)縫減到更少，與此同時，鋼管主洞以外的運輸?shù)某叽缈梢岳^續(xù)減小，鋼管主洞內(nèi)的運輸?shù)某叽绶炊�可以增大，事實上，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，尺寸越小其穩(wěn)定性更好，速度可以相應(yīng)提高，對施工交通的干擾減少，而鋼管主洞內(nèi)的運輸由于洞挖結(jié)構(gòu)的限制只能立運，在鋼管大節(jié)組裝之后其寬高比成倍增加，無論在平洞還是斜洞段運輸?shù)姆�(wěn)定性變得更好了，有利于整個的施工安全。更一步地設(shè)想，若在滾焊臺車上設(shè)置行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)，代替以往結(jié)構(gòu)功能簡單的運輸臺車，鋼管水平運輸?shù)男�率有望從根本上得到提高，可以達(dá)到一舉多得的效果，這對以水平結(jié)構(gòu)為主的鋼管工程無疑是理想的施工設(shè)備。

　�。�5）防腐

　　現(xiàn)在水電站鋼管絕大部分防腐工作是分兩個階段進(jìn)行：大面積的工廠防腐和鋼管安裝后防腐。目前我國的防腐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國外是基本一致的，國外類似工程的防腐使用壽命可以達(dá)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。由于安裝過程和混凝土回填施工中不可避免要傷害到工廠防腐的部位，這些部位與安裝焊縫區(qū)域的防腐一樣成為鋼管內(nèi)壁防腐的薄弱環(huán)節(jié)。用“圍桶理論”的觀點分析，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。現(xiàn)在，越來越多的工程技術(shù)專家達(dá)成一致，應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)在鋼管工程設(shè)計和施工規(guī)范中加以明確，而且借簽國內(nèi)外石油、化工等相關(guān)行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)工藝以及設(shè)備應(yīng)用經(jīng)驗，可以研制高效、清潔的自動噴砂和自動噴涂設(shè)備，解決長期以來鋼管防腐用簡易的設(shè)備進(jìn)行大量的手工操作產(chǎn)生的高污染、低效率局面，滿足防腐質(zhì)量要求和工程的進(jìn)度要求。

　　四、現(xiàn)代大型鋼管工程的基本要求

　　1、滿足工程設(shè)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(yīng)當(dāng)盡可能選用技術(shù)成熟、自動化程度高的工藝和設(shè)備。無論是在材料采購，還是在鋼管制造、安裝、焊接、防腐及相應(yīng)的檢測過程都應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)。

　　在我國大規(guī)模開發(fā)大中型水電站的背景下，為符合鋼管工程結(jié)構(gòu)的單一性、高強(qiáng)度和質(zhì)量要求，研制大型鋼管制造的自動化焊接單機(jī)十分必要，借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)焊機(jī)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、降低工程總造價根據(jù)洞內(nèi)鋼管工程的特點，其成本包括材料采購和制造安裝等直接費用，同時應(yīng)計算為此工程產(chǎn)生的臨時工程投入的大小，并盡可能減少后期運行管理成本。

　　3、生產(chǎn)系統(tǒng)具有柔性，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)和尺寸相近的鋼管需要由具有自適應(yīng)焊縫跟蹤系統(tǒng)功能的單臺或多臺焊接操作機(jī)與工件裝夾，機(jī)械組合而成的加工中心適用于產(chǎn)品規(guī)格多變的小批量生產(chǎn)。大型自動化焊接裝備或生產(chǎn)線的一次投資額相對較高，在設(shè)計這種焊接裝備時必須考慮柔性化，形成柔性制造系統(tǒng)，以充分發(fā)揮裝備的效能，滿足同一工程或類似工程不同的生產(chǎn)需要。

　　4、減少交叉作業(yè)，避免施工互相干擾：

　　這一點在洞內(nèi)施工時尤為關(guān)鍵，不合理的工藝線路設(shè)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隧洞工程的施工進(jìn)度。

　　5、實現(xiàn)均衡生產(chǎn)，避免勞動力、施工設(shè)備等資源使用出現(xiàn)大的波動，工程施工易于實現(xiàn)過程控制，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（《勞動法》《環(huán)境保護(hù)法》等），又是現(xiàn)代企業(yè)以人為本的文化價值觀的直接體現(xiàn)。