淺析布桑加水電站引水系統(tǒng)壓力鋼管制作與安裝

暢 建 慶

(中鐵七局集團第三工程有限公司,陜西 西安 710032)

1 概述

布桑加引水式水電站位于盧阿拉巴河上游，該水電站機組采用兩管四機聯(lián)合供水方式。水電站引水系統(tǒng)工程1號引水隧道斜井段長119.3 m、2號引水隧道斜井長115.8 m，兩條斜井與水平地面的夾角均為53.13°。斜井高程775 m以上為隧洞混凝土襯砌段，高程775 m以下為壓力鋼管段。壓力鋼管采用2管4機的布置形式，壓力鋼管回填混凝土由斜井段、下平段、岔管段和支管段構(gòu)成，始于引水隧洞斜井段末端，斜井775 m高程以上為隧洞襯砌段，775 m以下為壓力鋼管回填混凝土段。斜井下半部、下彎管、下平管、岔管、支管為內(nèi)襯鋼管，外包混凝土結(jié)構(gòu)。引水道由兩條壓力隧洞后接地下斜井壓力鋼管、鋼岔管及四條支管組成。主管與支管通過Y型岔管連接。壓力鋼管主管內(nèi)徑6.7 m～5.2 m，支管內(nèi)徑3.4 m。鋼管材質(zhì)為Q345R，主管道壁厚22 mm～32 mm，支管道壁厚26 mm，加勁環(huán)厚度為20 mm，總工程量為2 273.644 t，鋼管均回填0.6 m厚的C20素混凝土，C20回填混凝土方量8 725 mm3(見圖1)。

2 施工組織

2.1 總體安排

壓力鋼管下料、卷制在國內(nèi)完成。在工地ZGGCZ2018-03標生產(chǎn)區(qū)建設(shè)鋼管加工廠，在加工廠內(nèi)完成鋼管管節(jié)組圓、焊接、附件安裝、大節(jié)拼裝和防腐涂裝等工作，出廠直管成品管節(jié)長度：主管4.8 m；支管7.2 m；岔管在國內(nèi)鋼管廠整體預(yù)拼裝后，拆分成錐體形式運輸至安裝位置，在洞內(nèi)進行拼焊。鋼管管節(jié)的縱縫、環(huán)縫以及加勁環(huán)焊縫在加工廠內(nèi)采用埋弧自動焊完成，鋼管現(xiàn)場安裝環(huán)縫采用手工電弧焊焊接。

2.2 材質(zhì)要求

1)鋼板應(yīng)符合GB 713—2014鍋爐和壓力容器用鋼板的規(guī)定，外觀不可有對使用有害的瑕疵，表面的銹蝕等級應(yīng)符合GB 8923.1—2011涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級規(guī)定的C級及C級以上。

2)焊接材料的品種與母材和焊接方法相適應(yīng)，本工程Q345R鋼擬選用的手工焊焊條為E5015，埋弧焊焊絲牌號為H10MnSi，焊劑為HJ402。所有到貨的焊材均應(yīng)具有出廠合格證書。

3)涂裝材料。重點關(guān)注涂料特性、配合比、使用設(shè)備、保管辦法等內(nèi)容。

2.3 施工順序

鋼管制作→鋼管組裝→鋼管現(xiàn)場運輸→鋼管安裝→焊縫質(zhì)量檢查→焊后消應(yīng)處理→鋼管防腐。

3 施工技術(shù)

3.1 鋼管制作

1)壓力鋼管制作分三步進行，在國內(nèi)完成鋼板的采購、驗收，鋼管鋼板的劃線、下料，鋼管瓦片的卷制和單節(jié)鋼管的預(yù)組裝與標識。經(jīng)過海路及陸路運輸?shù)诌_布桑加水電站項目。瓦片疊放在型鋼拼裝的托架上，防止運輸過程產(chǎn)生變形。鋼管瓦片運抵布桑加水電站鋼管加工廠，在加工廠設(shè)置的組圓平臺進行組圓，單節(jié)縱縫焊接，并安裝、焊接加勁環(huán)。

2)按施工圖和構(gòu)件加工要求，做出各種加工符號、基準線、眼孔中心等標記，并按工藝要求預(yù)留加工余量，然后用油漆(或其他材料)在樣板上標識工程、構(gòu)件及零件編號、零件規(guī)格、數(shù)量及標注有關(guān)符號；所用的樣板，其誤差不應(yīng)大于0.5 mm。

3)鋼板用自動、半自動或數(shù)控機進行切割，切割面的溶渣、毛刺和由于切割造成的缺口用砂輪機打磨。切割質(zhì)量和尺寸偏差應(yīng)符合JB/T10045.3(4)的有關(guān)規(guī)定。

4)鋼板劃線在下料平臺上進行，劃線下料時應(yīng)考慮切割余量、焊縫收縮余量和對接縫間隙，有鋼印、沖眼等缺陷的鋼板不允許使用。劃線時保證相鄰管節(jié)的縱縫間隔大于板厚的5倍，且不小于300 mm；同一管節(jié)上相鄰的縱縫或相鄰管節(jié)的縱縫間距不小于1 000 mm。每個管節(jié)縱縫不應(yīng)在橫斷面的水平及垂線上，與上述軸線間夾角應(yīng)大于10°，其相應(yīng)弧線距離大于10倍管壁厚度且不小于300 mm。

5)卷板工作在國內(nèi)完成，管節(jié)單節(jié)鋼管按照圖紙卷制成2瓣～3瓣瓦片(主管3個瓦片，支管2個瓦片)。每個瓦片在鋼板上按照展開準線標記，再卷制成瓦片。

6)由于鋼板卷制及拼裝場地不在同一地點，在國內(nèi)制造廠卷制的瓦片要運至布桑加水電站鋼管加工廠。瓦片運輸根據(jù)鋼管直徑大小制作好弧形托架，把瓦片放在托架上，防止運輸過程中瓦片變形，并在運輸過程中綁扎牢靠(見圖2)。

3.2 鋼管組裝

1)組裝場地占地面積約7 000 m2。主要設(shè)備有：1臺起重量30 t，跨距為18 m的龍門式起重機，負責包括瓦片及成品鋼管的卸車、組圓、組裝、焊接及涂裝等吊運工作；4臺套焊臺車分別用于鋼管環(huán)縫、縱縫及加勁環(huán)的焊接；帶托滾鋼管臺車2臺用于噴砂和涂刷油漆。

2)焊材應(yīng)按說明書規(guī)定溫度進行烘焙和保管貯藏，貯藏室溫不低于5 ℃，并設(shè)專人保管、烘焙和發(fā)放。焊接操作人員取得操作證后，持證上崗。

3)鋼管的管節(jié)由瓦片組裝而成，鋼管組圓在鋼管組圓平臺上進行，檢查測量鋼管的上、下管口應(yīng)平齊，其管口平面度應(yīng)不大于2 mm。鋼管縱、環(huán)縫對口錯邊量的極限偏差：a.縱縫：10%δ，且不大于2 mm；b.環(huán)縫：15%δ，且不大于3 mm。鋼管對圓后，應(yīng)滿足下列要求：a.縱縫處的管口軸向錯邊量不大于2 mm；b.周長實測值與設(shè)計值差的偏差不大于±3D/1 000 mm；c.兩相鄰管節(jié)的周長差不可超過6 mm。

4)縱縫點焊后，在內(nèi)壁加裝具備調(diào)整功能的支承，通過調(diào)整，相鄰兩管口最大與最小直徑之差不得超過4 mm，每端管口最少測量2對直徑；鋼管制作圓度偏差不應(yīng)大于12 mm。

5)鋼管縱縫焊接后，用弦長500 mm的樣板檢查縱縫處弧度，樣板與縱縫的極限間距小于4 mm。并丈量兩頭管口的實際外周長，將數(shù)字標記在相應(yīng)管口邊緣部位。彎管角度極限偏差不應(yīng)大于±1°。

6)加勁環(huán)安裝。加勁環(huán)、阻水環(huán)與鋼管外壁的局部間隙不應(yīng)大于3 mm。加勁環(huán)、阻水環(huán)應(yīng)預(yù)拼裝后再與鋼管組焊。施焊時應(yīng)先焊分塊加勁環(huán)的對接焊縫，后焊加勁環(huán)與管壁之間的角焊縫。加勁環(huán)、阻水環(huán)的對接焊縫應(yīng)與鋼管縱縫錯開，并滿足設(shè)計圖要求，個別特殊情況也應(yīng)錯開200 mm以上。各環(huán)與鋼管管壁間的組合焊縫為雙面連續(xù)焊縫。

7)待安裝加勁環(huán)和阻水環(huán)的管節(jié)應(yīng)畫出安裝位置控制線，加勁環(huán)和阻水環(huán)拼裝極限偏差：

a.加勁環(huán)和阻水環(huán)與管壁的垂直度：不大于0.02Hmm(H為加勁環(huán)高度)，且不大于5 mm；

b.加勁環(huán)和阻水環(huán)平面與管軸線的垂直度：不大于12 mm；

c.相鄰兩個加勁環(huán)和阻水環(huán)間距極限偏差±30 mm。

8)大節(jié)組裝與焊接。

a.大節(jié)制造的一般規(guī)定：大節(jié)制造是指將相鄰兩個單節(jié)鋼管(縱縫、加勁環(huán)裝焊、無損檢測和管節(jié)總檢合格后)組裝成一個軸向高度約4.8 m的管段，減少安裝時的吊裝單元。大節(jié)制造在加工廠內(nèi)完成。

b.大節(jié)制造的工序：底節(jié)鋼管上管口調(diào)平(不平整度在2 mm以內(nèi))→管節(jié)摞裝→環(huán)縫組裝→驗收→環(huán)縫焊接→外觀和無損檢測→管節(jié)防腐→運輸。

c.大節(jié)制造的除了單節(jié)要求外，還應(yīng)滿足以下要求：直線段大節(jié)的母線直線度不大于L/1 000，且不大于5 mm。彎管段大節(jié)保證中心線上、下、左、右盡量一致，另外還應(yīng)控制管軸夾角組裝偏差。

3.3 現(xiàn)場運輸

1)洞外運輸。

鋼管應(yīng)分段運輸，每段長度視鋼板規(guī)格、運輸設(shè)備、起吊設(shè)備由鋼管廠確定。每段鋼管上應(yīng)用油漆標明編號、水流方向等，鋼管運至工地后，在指定地點堆放。

2)洞內(nèi)運輸。

a.洞內(nèi)巖石開挖完畢后，在鋼管洞內(nèi)用10號槽鋼鋪設(shè)鋼管運輸軌道，軌道間距斜井段按3.6 m設(shè)置，下平段主管內(nèi)按3.0 m設(shè)置，支管段按2.0 m設(shè)置，固定在鋼管洞底板上，槽鋼軌道安設(shè)后采用插筋及混凝土澆筑的方式固定。

b.鋼管由汽車運至引水洞進口后，用布置在施工支洞與主洞交叉處頂部起吊滑輪組配合10 t固定卷揚機卸車并吊裝在鋼管臺車上，此時將壓力鋼管翻轉(zhuǎn)90°，使管徑朝著水流方向。管節(jié)洞內(nèi)運輸，用卷揚機分段拖曳至安設(shè)位置。

c.在隧洞上平段安放一臺10 t卷揚機，作為斜井段牽引引水洞內(nèi)鋼管運輸動力；在岔管下游側(cè)布置一臺5 t固定卷揚機作為岔管和變徑管下游側(cè)鋼管牽引的動力；在施工支洞與主洞交叉處安放1臺10 t卷揚機用以卸車和主管節(jié)翻身。

d.支管部分按7.2 m長大節(jié)運輸，支管運至岔管部位后，利用岔管頂部的預(yù)埋錨鉤將鋼管卸至支管軌道上，利用布置在該處的5 t卷揚機拖曳支管至安裝位置進行安裝。

e.由于岔管段高程低于主管及支管段，因此支管運輸前在岔管段位置搭建6 m×13 m的鋼平臺，便于支管的運輸，兩條支管段壓力鋼管全部運輸完成后拆除鋼平臺，便于岔管段的安裝，鋼平臺下部用φ48的鋼管搭建基礎(chǔ)，上部用6 mm厚的鋼板拼裝鋪滿，連接部位應(yīng)焊接牢固。

3.4 鋼管安裝

1)鋼管安裝順序：先岔管安裝，再支管安裝，后主管安裝。在已驗收合格的隧道斷面洞內(nèi)，根據(jù)設(shè)計圖紙尺寸，在鋼管洞內(nèi)放出鋼管安裝的縱向中心線，鋼管中心高程及各段里程點，并復核準確，做出標識。

2)預(yù)備好工具如鋼支墩、鋼托座、千斤頂、倒鏈、拉緊器、壓縫器及量測工具等，并進行鋼管運輸軌道鋪設(shè)及混凝土澆筑，岔管部位混凝土場平澆筑。

3)先安裝岔管，岔管安裝完畢后，做岔管水壓試驗(水壓試驗報專項方案)，水壓試驗合格后泄壓放水切割悶頭，澆筑后以岔管為定位節(jié)分別向上下游安裝下平段、支管轉(zhuǎn)彎段及支管段鋼管。

4)支管段鋼管安裝，通過起重設(shè)備從廠房進水口調(diào)入支洞內(nèi)，通過臺車運輸從上游側(cè)向下游側(cè)安裝。下平段鋼管從施工支洞內(nèi)運入，通過預(yù)先設(shè)置好的卷揚機及滑輪組等設(shè)備將鋼管翻身后，放在臺車運輸從下游側(cè)岔管對接處往上游側(cè)安裝。

5)斜井段如具備條件，可與下平段同時工，將斜井段鋼管提前運入洞內(nèi)，通過卷揚機將鋼管拉入斜井段洞內(nèi)，通過錨筋與鋼管加勁環(huán)可靠焊接，將鋼管固定在斜井洞內(nèi)，待下彎段安設(shè)完畢并澆筑后，以下彎段為定位節(jié)由下至上依次安設(shè)斜井段鋼管。主管和支管按照每14.4 m(二大節(jié)或三大節(jié))為1個澆筑段，每安裝一個澆筑段，檢測驗收后，即進行一次混凝土澆筑。

6)鋼管的安裝與混凝土澆筑采用分段交替進行的方式，轉(zhuǎn)彎段全部安裝完成后進行澆筑，后續(xù)每安裝兩大節(jié)澆筑一次。每安裝完成一個澆筑段后，進行一次全面檢查和調(diào)整，混凝土澆筑前，會同監(jiān)理人進行一次中間驗收，鋼管的里程、高程及裝配中心偏差均應(yīng)符合規(guī)范要求。

3.5 焊接技術(shù)要求

1)鋼管的縱縫、廠內(nèi)明管環(huán)縫、湊合節(jié)合龍環(huán)縫；岔管管壁縱、環(huán)縫，加強肋板的對接焊縫，加強肋板與管壁相接處的對接和角接的組合焊縫為一類焊縫。

2)不屬于一類焊縫的鋼管管壁環(huán)縫；加勁環(huán)、阻水環(huán)瓦片的對接焊縫為二類焊縫。

3)不屬于一、二類焊縫的其他焊縫為三類焊縫。

4)鋼管一、二類焊縫坡口邊緣30 mm范圍內(nèi)應(yīng)用超聲波檢查和坡口經(jīng)磁粉檢測，不可有裂紋、夾層、夾渣或其他影響焊接性能的瑕疵，經(jīng)檢查合格后，方準施焊。

3.6 焊后消應(yīng)處理

鋼管焊接后，根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果和工藝實際以及現(xiàn)場焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，按DL 5017—2007壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范第7章第7.2節(jié)焊后熱處理工藝考慮岔管(特別是肋板和管殼的組合焊縫)和湊合節(jié)焊后消除應(yīng)力處理方法。焊縫焊接完成后1 h保溫(250 ℃～350 ℃)進行自然冷卻。

3.7 鋼管防腐

1)采用高壓噴射法或拋射法進行除銹處理，所用磨料必須清潔、干燥、堅硬，粒徑在0.5 mm～1.5 mm范圍內(nèi)。鋼管除銹后，應(yīng)用干燥的壓縮空氣(壓力在0.4 MPa～0.6 MPa)將表面的塵埃吹凈，壓縮空氣應(yīng)經(jīng)過濾，除去油和水分，或用吸塵器清除灰塵，焊縫處應(yīng)無焊瘤、無棱角、無毛刺。

2)鋼管內(nèi)壁和墊層管外壁涂料：內(nèi)壁涂料內(nèi)容：a.內(nèi)層：環(huán)氧富鋅底漆，厚30 μm；b.中間層：超厚漿型無溶劑耐磨環(huán)氧，漆厚400 μm;c.外層(二道)：超厚漿型無溶劑耐磨環(huán)氧，漆厚400 μm。技術(shù)指標如下：a.使用年限30年以上；b.抗拉強度4 MPa，抗壓強度20 MPa，與鋼板粘結(jié)強度大于2.0 MPa；c.硬度大于4H；d.干濕膜厚度比不小于70%；e.干膜厚度不小于830 μm；f.抗磨性0.2 mg/500c。外壁采取無機改性水泥漿，厚400 μm。

3)防腐處理工藝：噴射除銹→檢驗→底漆→檢驗→中間漆→檢驗→面漆→終驗。

4 結(jié)語

本文結(jié)合布桑加水電站施工實際，重點闡明了對壓力水管的制作與安裝技術(shù)控制要素，通過工程順利實施，證明采取的技術(shù)措施適當合理，達到了預(yù)期效果，對同類工程具有一定的借鑒和參考價值。