壓力鋼管支撐環(huán)組對工裝設(shè)計(jì)

姚俊杰

（新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司）

0 引言

新疆一引水工程采用倒虹吸壓力鋼管，該管道工程壓力鋼管內(nèi)徑D=2700 mm，鋼管壁厚б=26 mm，鋼管工程量超6 000 t，其中支撐環(huán)超340 t。管線制造長度L=3681 m，管線共設(shè)381個(gè)支墩，每個(gè)支墩位置均設(shè)計(jì)一套支撐環(huán)系統(tǒng)。因此，在制作工藝設(shè)計(jì)時(shí)以支墩位置為節(jié)點(diǎn)，將鋼管分為381 個(gè)安裝單元節(jié)，每個(gè)安裝單元節(jié)上設(shè)有一套支撐環(huán)系統(tǒng)。其中支撐環(huán)組對在整套工序里最為重要，需縮短施工時(shí)間以滿足壓力鋼管安裝節(jié)的出廠運(yùn)輸及安裝進(jìn)度，另外還涉及壓力鋼管的安裝質(zhì)量及設(shè)備運(yùn)行安全。支撐環(huán)合同工程量較多，安裝有效時(shí)間較短，造成鋼管制作特別是帶有支撐環(huán)的鋼管需在短時(shí)間內(nèi)完成。在較短的時(shí)間內(nèi)如何更有效的控制支撐環(huán)組對、焊接質(zhì)量、保證工效，使支撐環(huán)制作形成流水線，為此特設(shè)計(jì)制作支撐環(huán)組對工裝以滿足上述要求。

圖1 支撐環(huán)結(jié)構(gòu)圖

1 支撐環(huán)結(jié)構(gòu)形式及控制要點(diǎn)

如圖1（支撐環(huán)結(jié)構(gòu)圖）示：在壓力鋼管外壁側(cè)布置了間距為20 cm的支撐環(huán)兩道，兩道支撐環(huán)之間使用節(jié)點(diǎn)筋板相連加固，支撐環(huán)兩側(cè)異形位置兩邊同時(shí)保持在同一平面內(nèi)，且兩道環(huán)各位置需保持一致。兩道支撐環(huán)在異形板水平位置設(shè)有端頭板用于連接支撐滾輪。在安裝時(shí)安裝節(jié)兩側(cè)的支座滾輪應(yīng)同時(shí)坐落在支座板上，并在鋼管溫度收縮變形時(shí)可在支座板上進(jìn)行滾動(dòng)減少滑動(dòng)摩擦應(yīng)力。避免兩側(cè)支座滾輪一側(cè)貼合而另一側(cè)貼合不緊密或懸空的現(xiàn)象發(fā)生。因此在制作時(shí)質(zhì)量參數(shù)需控制兩邊端頭板的與管軸線平行度、每對端頭板共面度及相互平行度，兩端頭板中心間距設(shè)計(jì)值為2 920 mm。除上述質(zhì)量參數(shù)需進(jìn)行控制外，對于下線產(chǎn)品質(zhì)量、規(guī)格的通用性也同樣有要求，以此達(dá)到同規(guī)格的鋼管安裝位置的任意性。

2 傳統(tǒng)制作工藝

支撐環(huán)組拼的傳統(tǒng)工藝是基于每個(gè)支撐環(huán)單獨(dú)進(jìn)行組拼。第一步先行在鋼管上進(jìn)行支撐環(huán)位置定位線的測量及標(biāo)記，并在標(biāo)記線位置焊接支撐環(huán)托板用于放置支撐環(huán)。第二步將支撐環(huán)各部分依照管壁上標(biāo)記的定位線依次擺放并組對，組對時(shí)支撐環(huán)與鋼管管壁間隙較大時(shí)需使用U 型卡進(jìn)行調(diào)整并測量其與管壁的垂直度，調(diào)整完成后進(jìn)行點(diǎn)焊加固。第三步是在第一道支撐環(huán)上表面測量標(biāo)記出各筋板的位置定位線，然后將各筋板擺放到位并使用直角尺調(diào)整與支撐環(huán)的垂直度，調(diào)整完成后點(diǎn)焊加固。第四步將第二圈支撐環(huán)擺放在筋板上，并依照第一圈的拼裝方法進(jìn)行組對。最后也是關(guān)鍵的一步是進(jìn)行端頭板的安裝，先行在端頭板及異形板上標(biāo)記出定位線，再將端頭板與異形板參照定位線進(jìn)行組拼，組拼時(shí)使用長度3000 mm的靠尺測量兩側(cè)端頭板端面的平面度及共面度、端頭板頂面的平面度，另使用直角尺測量端頭板與支撐環(huán)的垂直度，用卷尺測量兩側(cè)端頭板的中心間距（測量兩組值以免產(chǎn)生夾角，保證平行），全部調(diào)整完成后進(jìn)行點(diǎn)焊加固即可，全部完成后便可吊入焊接平臺(tái)進(jìn)行焊接。

因此，需在制作時(shí)消除各種影響造成的制作偏差，將人為控制變更為工裝控制，保持制作的統(tǒng)一。為此在制作開始前設(shè)計(jì)制作工裝進(jìn)行統(tǒng)一控制，并以此解決上述問題。

3 工裝設(shè)計(jì)

工裝的設(shè)計(jì)需從個(gè)工序的質(zhì)量控制點(diǎn)出發(fā)，從各控制點(diǎn)消除產(chǎn)生偏差的可能性。且各工序控制點(diǎn)需相互不影響，銜接順暢。制作工裝如圖2示。

圖2 支撐環(huán)組對平臺(tái)示意圖

首先第一步選擇尺寸合適的厚板（板厚在40 mm 左右，所選鋼板規(guī)格主要以鋼管參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行選擇），鋼板尺寸為5 000 mm×5 000 mm，并在底部設(shè)置20#工字鋼作為支撐隔梁，調(diào)整水平并與鋼板焊接固定形成操作平臺(tái)，平臺(tái)的質(zhì)量要求主要是保持水平度，且平臺(tái)面本身平整度較高，剛度滿足要求不易變形，以保證鋼管坐落平臺(tái)時(shí)不會(huì)因自重產(chǎn)生變形。

鋼管由單張鋼板卷制而成，由于管徑較大，在卷制焊接成型后圓度和管口平面度可能會(huì)有一定的偏差，因此第二步是在平臺(tái)上利用地規(guī)做圓畫出鋼管輪廓并使用楊沖做標(biāo)記，共兩圈。第一圈以鋼管外徑+2 mm做圓（+2 mm是考慮鋼管的周長的合理周長偏差），第二圈以鋼管外徑+60 mm做圓，以此作為鋼管圓度的檢查線。將第二道圓16等分，在等分位置焊接直角擋塊，擋塊放置在該圓外側(cè)并使其與平臺(tái)面的垂直邊與圓線對齊。

第三步焊接支撐環(huán)組裝托架，托架使用20 mm厚的長方形鋼板，托架高度與支撐環(huán)組裝位置一致，托架的布置依照節(jié)點(diǎn)筋板的位置進(jìn)行分布且適當(dāng)加密以利于支撐環(huán)放置時(shí)穩(wěn)定且便于控制節(jié)點(diǎn)筋板位置（此位置托架用紅油漆標(biāo)記以示筋板位置），使用水準(zhǔn)儀將托架測平，與支撐環(huán)底面保持在同一高程上。

圖3 定位支架示意圖

第四步如圖3 示，參照右邊圖示制作端頭板定位支架，支架上部的固定支座板直接使用支撐環(huán)端頭板（以保證端頭板放置的水平度，中心間距、眼距等參數(shù)），用于固定組裝的端頭板，將固定支座板固定在30#工字鋼上，工字鋼背部再焊接筋板防止固定支座板端面發(fā)生傾斜。整體定位支架制作完成后，先行參照設(shè)計(jì)圖紙（圖1）給出的支撐環(huán)各零件相對位置尺寸，在平臺(tái)上劃出端頭板外側(cè)邊投影位置的地樣并使用楊沖標(biāo)記，標(biāo)記完成后將定位支架焊接加固在平臺(tái)對應(yīng)位置（使固定支座板端面與端頭板外側(cè)邊地面投影對齊，固定支座板中心與端頭板中心投影重合）。同時(shí)控制兩側(cè)定位支架中心間距（將中心間距在設(shè)計(jì)值2 920 mm的基礎(chǔ)上增加3 mm的余量，以此消除焊接收縮的影響）。以滿足定位支架的端面與水平臺(tái)面相互垂直，并保證兩側(cè)的定位支架端板共面。在每個(gè)定位支架兩側(cè)焊接筋板以保持端板頂部保持水平，避免發(fā)生向兩側(cè)傾斜的情況。

4 使用方法

將制作好的鋼管單節(jié)吊至操作平臺(tái)上，使鋼管圓面貼合在平臺(tái)上（管軸線與工裝平臺(tái)面垂直），并將鋼管外壁圓面與地樣的第一道圓重合，此間利用直角擋塊加鋼楔子對鋼管圓度進(jìn)行調(diào)整，使鋼管外壁與第一道圓線重合或均勻分布，并利用檢查線抽取任意位置檢查，需使各檢查位置的檢測數(shù)據(jù)一致，最大差值≤1 mm。

將支撐環(huán)端頭板利用螺栓固定在定位支架的固定支座板上，使端頭板十字中心與定位支座板的十字中心重合。

將整圈的支撐環(huán)進(jìn)行合理分塊，分塊工藝制定完成后使用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行雙鋒線切割（雙鋒線切割有利于消除鋼板的熱變形，能夠更好的控制支撐環(huán)內(nèi)圈弧度，使支撐環(huán)在組裝時(shí)與鋼管外壁貼合度更好）。

先行組裝第一圈支撐環(huán)，將分塊的環(huán)體按位置逐塊的放置在支撐環(huán)托架上與管壁貼合并檢查貼合間隙（間隙超過允許偏差時(shí)進(jìn)行調(diào)整），并使用直角尺檢查支撐環(huán)與管壁的垂直度，支撐環(huán)的異形板組裝時(shí)內(nèi)圈弧面與鋼管外壁貼合，相對側(cè)的直面與端頭板貼合并檢查間隙，合格后點(diǎn)焊加固。

第一圈支撐環(huán)組裝完成后，利于底部托架標(biāo)記出各筋板位置，將筋板組裝在相應(yīng)位置并使用直角尺檢查筋板與支撐環(huán)面的垂直度，檢查合格后點(diǎn)焊加固。

第二圈支撐環(huán)可以筋板作為環(huán)體的支撐，直接按照第一圈支撐環(huán)安裝的步驟放置在筋板上檢查、調(diào)整、加固即可。

待所有零部件組裝并點(diǎn)焊加固完成后，將支撐環(huán)端板處的固定螺栓拆除，隨后再將鋼管整體吊出運(yùn)送至焊接平臺(tái)，焊接支撐環(huán)使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊接時(shí)分兩人對稱布置同時(shí)順時(shí)針焊接以減小焊接變形。

焊接完成后靜置24 h后復(fù)測支撐環(huán)各位置參數(shù)，支撐環(huán)端頭板中心間距可控制在2 920±2 mm，共面度1 mm/m，相互平行度1 mm每米以內(nèi)，產(chǎn)品主要控制參數(shù)均可達(dá)到優(yōu)良。

5 結(jié)論

壓力鋼管支撐環(huán)的組裝難點(diǎn)在于每個(gè)產(chǎn)品相互獨(dú)立制作而造成的質(zhì)量不穩(wěn)定、不易控制。較之傳統(tǒng)制作過程由于下料、拼裝組對時(shí)產(chǎn)生的偏差，焊接熱影響變形等問題均可在使用制作工裝后得以妥善解決。工裝的使用實(shí)現(xiàn)了支撐環(huán)組對的標(biāo)準(zhǔn)化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，加快了施工效率，從而為工程順利完成保駕護(hù)航，并且為今后類似工程提供有效參考。