大型钢管桩环形竖向分层全自动焊接技术在海上施工中的应用

陈振锋，汤靖，代竟，屈文平，张志珍，刘坤，孟伟玉，蒋忠全

（中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518048）

1 工程概况

深圳至中山跨江通道是国家“十三五”重大工程，是世界级超大的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程。其中东人工岛及主线堰筑段隧道工程位于深圳宝安机场南侧，紧邻福永码头；东人工岛沿江高速在施工过程中，为避免对既有桥墩造成影响，设计采用锁扣钢管桩对桥墩进行保护。

桥墩钢管桩保护采用Φ1400mm×δ20mm、Φ1500mm×δ16mm、Φ1500mm×δ20mm 3种锁扣钢管桩。沿江高速桥桥梁底部距钢管桩施工完成后，桩顶标高为13～16.3m，而钢管桩设计桩长为19～29m。见图1。

图1 钢管桩断面图

其中起保护作用的钢管桩位置位于沿江高速桥面下，在施工过程中，为避免对既有沿江高速桥面造成扰动，以及潮水涨落等因素限制，将钢管桩分成2～4节，最后在海面上打入一节对接一节，接口为竖向管口限位对接方式。

钢管桩对接时精准对位的控制，钢管桩现场焊接质量是本工程控制重点，也是施工难点之一。

2 环形竖向分层全自动焊接工艺

我国目前在海上作业管道焊接时，由于受现场施工条件限制因素诸多，常规采用手工电弧焊施工，海上管道人工焊接，焊接时间长、质量不稳定、难度大等种种因素，施工效率极低、风险较大。

环形竖向分层全自动焊接在管道固定的情况下，焊接小车带动焊枪沿轨道围绕管壁运动，焊枪上下摆动实现竖向分层自动焊接。环形竖向分层全自动焊接设备由焊接小车、行走轨道、自动控制系统等部分组成。

传统管道焊接主要为管道平卧、管子旋转、环向焊接，焊接设备固定；而环形竖向分层全自动焊接采用管子固定、焊接小车行走的方式。项目针对沿江高速保护钢管桩海上施工特点，采用环形竖向分层全自动焊接工艺。

（1）焊接设备主要组成部分

①进口焊接电源。

②自动送丝机。

③自行焊接小车。

④遥控控制器。

（2）施工工艺步骤

①主要施工工序。布管→坡口加工→管口对接固定→焊前准备（防风措施）→设备安装调试→焊前预热→打底根焊→全自动焊接热焊→焊接填充、盖面焊接→焊缝表面清理→无损探伤检测。

②坡口处理。根据相关技术要求，焊接前将焊接坡口（除第一节底部外，其余截面全部开35°双面坡口）及其附近20～30mm范围内的铁锈、油污、水气和杂物清除干净。

③管口对接固定。第一节钢管插打完成后，固定导向架，搭设作业平台，用履带式起重机将第二节钢管吊起与第一节钢管对接，对接过程中确保锁扣位置偏差不大于3mm，钢管接口偏差不大于5mm，对接完成后点焊固定。

④防风准备。采用CO2气体保护焊焊接时，因海面风大，其风速大于2m/s，设计了专门的防风屏。见图2、图3。

图2 防风屏运用

图3 防风屏效果图

⑤设备安装调试。将自动焊接小车就位，检查气管、电缆、焊丝等，通过遥控器调节焊枪水平、竖直位置，做好焊接准备。

⑥焊前预热。钢管桩施工中焊接钢管的强度较高、钢管厚度较大，在焊接前需对钢管进行预热。

表1

⑦打底、热焊、填充及盖面。自动焊接需要人工打底，打底焊接质量将影响整体焊接效果。打底焊接结束后，将自动焊接小车吸附在钢管上，通过遥控器控制自动焊接小车在钢管上环向移动并焊接，焊接过程通过焊枪摆动，层层循环填充，直至焊口齐平。盖面焊接需达到焊口位置突出1～2mm。见图4。

图4 环向自动焊接

⑧焊缝表面清理。焊接结束后，应对表面焊缝进行清理。

⑨无损检测的焊缝质量等级应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205）的有关规定。

3 海上施工钢管桩焊接技术难点

（1）钢管桩精准对位困难，耗时长

钢管桩施打时，受沿江高速桥面桥底空间限制，每节长度安装时不能与桥发生干涉，第一节插打至与墩台基本平行时，再吊装第二节进行对位，焊接、检测合格后施打，然后吊装第三节，依次进行。

①海上船舶受风浪影响较大，起伏不定，给吊装对位造成较大困难，尤其是锁扣对位，一旦偏差过大就会造成相邻钢管桩无法插打入。

②履带起重机在船舶上使用相对陆地来说，平衡性较差，自身稳定性无法保证，稍有海风吹来，摇摆幅度增大，定位更难以保证。

③钢管桩在加工焊接、运输、吊装等过程中均可能存在不同程度变形，无法确保同圆度、锁扣垂直度等。

（2）焊接量大、焊接时间长、劳动强度大

因钢管桩需分节施打，每增加一节就多增加一道焊缝，焊接长度达5米多，特别是锁扣位置难度大要求高，人工焊接至少需3个小时。以24m钢管桩，分三节施工，两道焊缝需耗时6～7小时，工人劳动强度大。

（3）防风要求高

因CO2气体保护焊受风影响较大，而风对焊接质量影响至关重要，气孔、气泡等质量问题稍有不慎就会发生。但钢管桩施工空间有限，无法做到全封闭室内环境，为确保焊接质量，防风保护措施是关键。

（4）焊接打底困难

①打底引弧时极易穿丝。

②打底时在仰焊位置由于自重的影响，容易出现内凹缺陷。

（5）环形竖向分层焊接要求高

钢管桩竖向对接，要求焊接时必须是立焊，立焊对焊工水平要求更高，且焊接长度、深度、焊口宽度都相对较大，竖向焊接难度非常大。环形焊接时还需焊接过程中不断移动焊接位置，人工焊接对焊接质量影响较大。

4 应对解决措施

（1）导向柱辅助定位法，有效地解决钢管桩对位困难，耗时长。

①钢管桩对位项目采取导向柱辅助定位法。在第一节钢管桩四周焊接楔形导向柱，导向柱沿钢管桩顶面间隔90°分布，长度约120mm，在第二节与第一节对位时起辅助导向和临时固定作用，待对位后点焊固定，然后拆除导向柱。该方法有效解决了钢管桩对位问题，提高了工作效率，节省对位时间。

②在钢管桩对接孔口位置约200mm处增加米字型方钢支撑，有效减少变形。

（2）环形竖向分层全自动焊接设备提高焊缝效率，降低工作难度。

采用环形竖向分层全自动焊接设备，通过遥控器操纵焊接小车在钢管桩上环形移动，焊接速度达到平均201mm/min，大大缩短焊接时间，而且自动焊接设备不需要操作工人长时间蹲守，手持遥控器即可操作，大幅度减轻工人劳动强度，能保证焊接质量。

（3）可拆卸拼装式防风屏有效防风，提高焊接质量

专门设计制作了防风屏，可拆卸拼装，且拆卸方便，搬运轻便，防风效果良好，有效地解决了风对焊接影响，提高焊接质量。

（4）引弧时调节焊丝长度、将焊嘴对准坡口引弧有利于打底焊接，避免穿丝；减少焊丝伸长量及适当加快焊接速度，有效解决内凹缺陷。

①引弧时调节焊丝长度、将焊嘴对准坡口引弧，引弧之后立即进行纵向调节可避免穿丝，但对于焊工的要求相对较高。

②由于熔池自身重力的作用，熔池往下坠，所以必须加大焊接速度，同时增加摆动频率及摆幅，可减少内凹缺陷。

5 技术分析及应用前景

（1）人工焊接与自动焊接对比

Φ1500mm×δ20mm的钢管两节，坡口35°，坡口成型宽度30mm，焊接成型宽度40mm，采用CO2保护焊。

根据现场实际测量、统计记录，自动焊接小车焊接长度700mm，连续焊接15层，耗时52min，平均201mm/min。人工焊接30mm，连续焊接15层，耗时30min，平均15mm/min。环形竖向分层全自动焊接设备速度方面有较大优势。

钢管桩自动焊接工艺性试验检测合格，焊接接头经冲击、拉伸、弯曲试验，抗拉强度、弯曲试验及冲击试验结果，均符合GB50661-2011《钢结构焊接规范》中Q345B的技术指标要求。见图5。

图5 自动焊接效果图

（2）社会效益与经济效益分析

①社会效益分析。环形竖向分层全自动焊接具有降低工人劳动强度、生产率高、焊接质量好、节能环保等优点。手工焊接质量，受限于工人焊接水平影响较大。而自动焊接设备则受人的影响因素较小，焊缝的质量稳定性好，容易受控。

自动焊接设备操作简单，短时间培训即可独立操作。一名优秀焊手工电弧焊焊工，投入时间成本和培训成本高与效益不匹配。

②经济效益分析。国产焊条的价格一般为1.5～2.5万元／t，国产实芯焊丝的价格约为1万元／t。

采用自动焊接设备焊丝的熔敷率可达90%，而焊条的熔敷率通常为50%～55%。虽然本焊接工艺需用保护气体，但保护气体所需的经费仅占焊接材料经费的10%～15%。

上述两项综合考虑，自动焊接设备焊接材料的经费量仅是购买焊条经费量的1／3～1／2，可大幅度降低成本。

自动焊接设备一次性购置投入较大，是普通焊接设备的3～5倍。但自动焊接设备焊接效率高，焊缝质量好(无损探伤合格率高、力学性能好)，焊缝的返修率很低。

（3）优缺点

①全自动焊接技术有利于提高工艺标准，焊接质量更好；

②全自动焊接技术推广应用能够提高焊接工效，减轻工人的劳动强度；

③工效、材料、焊接合格率、焊接质量、人工投入等方面综合经济效益更高。

（4）应用前景

综上所述，环形竖向分层全自动焊接技术通过在海上钢管桩施工中实践应用，起到了提高功效、降低劳动强度、确保焊接质量的作用，值得大力推广应用。

6 结语

环形竖向分层全自动焊接技术对提高我国管道环形竖向分层焊接水平具有十分重要的现实意义，这项技术将会得到快速的推广和广泛的应用。