24m超长大口径预制管道厂内运输装置的改造

刘 超，叶宇能，吴红光

（中国石油集团渤海装备制造有限公司第一机械厂，河北沧州 062658）

0 引言

中俄管线是国家重点工程，是构建能源共享体制的一个重要组成部分。中俄管线承载着中俄两国之间的天然气等能源共享使用、共同发展的重要载体。任务艰巨，时间紧迫，质量要求严格，中俄管线项目也是国家建设能力的一个体现，它的建成将会为中国居民的天然气等能源使用提供非常大的便利，更有利于生态环保的发展，减少煤的消耗等方面。

中俄管线的管道提供方为中国石油集团渤海石油装备制造有限公司巨龙钢管公司和华油钢管公司这两大钢管制造企业，而钢管的发运则是由渤海装备制造有限公司第一机械厂储运公司全面负责。

1 长距离大口径管道的工厂预制及模块化

随着国家管网越来越多的工程，在现场进行管道施工的传统方式，存在着现场施工环境、作业条件、设备状态、人员技能等多方面因素，直接或间接地影响到管道焊接质量，同时也制约着施工工期和成本。

在建造过程中，逐步推行管道预制，以往的基建施工等均可以采用预制的方法，不过管径较小（公称直径一般不大于700 mm）。在现代的石油管道工程中，人们对能源的需求也越来越大，敷设的管径也越来越大、越来越长，给建设单位提出了更高的质量要求和更低的建设成本与工期。长距离、大口径管道的工厂预制及模块化，就成为一个很有前景的发展方向。在工厂范围内进行的管道预制，由于不受环境影响，可以依靠非常可靠的技能人员和设备，大大提升管道焊接的质量，也可以从空间和时间两个方面实现不同地的管道焊接同时化，大幅缩减工程的施工周期，降低施工成本。

2 制约预制及模块化的因素

长距离、大口径管道的工厂预制及模块化，对工厂内的吊装、运输等有了新的要求，从行车、汽车吊的额定起重能力，现场的吊装环境，吊装方案，运输车辆等需要多方面论证和进行相应的改造。

工厂中的行车起重能力，是以单根12 m、Φ1416 mm 管径为最大设计量为准的。现在需要将两根12 m、Φ1416 mm 管道通过焊接，形成一根24 m 甚至更长的预制化管道。这就要求更换行车或两个行车进行联合作业，尤其是长度会直接影响到厂房内的吊装和运输效率和安全。24 m 对于吊装过程中的平衡梁及吊装位置均有要求。

运输车辆方面，普通的半挂牵引车长度为12～13 m，即便使用特车（长17.5 m）对于24 m 管道来说，依旧会造成半挂车后轴称重点与24 m 管道尾部的距离8.5 m，管道前后失衡、速度提升时，会对车辆的运行安全造成不良影响。

3 针对性改进措施

3.1 行车的吊装吊点的优化及选择

3.1.1 长直管道

24 m 的相同直径的管道，载荷分配方面的问题相对简单。

现场吊装时，采取的吊装方法是两对吊点起吊。为便于研究，假定管道为理想型均匀质，截面完全一致，质量分布均匀，这样的力学分析将其简化成为一种理想的模型——悬臂梁结构受力模型。对其进行分析，长管道吊装时的弯矩，两个吊点与管道端点之间的距离相等并小于两个吊点之间的距离时，吊装就可以达到稳定平衡的效果。

在实际吊装过程中，吊装点的选择取决于现场操作人员的意识和动作，缺少吊装过程中的数据量化环节，存在着“想当然”和“经验派”现象。在很多情况下需要用平衡梁来分担吊钩的负荷，做到均布受力载荷，提升吊装的安全和效率，特别是在这种情况下，操作人员过多依靠平衡梁会造成不良影响。同时，对平衡梁的选择也应有一定的要求，平衡梁的长度至少不小于管道长度的1/3、最好保持在1/2。

因此，在吊装前需要在被吊装的长距离大管径管道上，画出吊点的范围和边界线，每一吊的每一操作都要做好数据的计算和量化。

3.1.2 多种管道组成的模块

大多数的模块化管道上都存在着弯头、变径、阀门等的模块，这些又长又大又复杂的管道模块，在吊装过程中必定需要在管道模块进行吊装、运输前，进行载荷核算的过程，特别是需要计算自由状态下正常受力和吊装运输状态下的受力状态。由于设置的吊点位置和数量不同，自由状态下正常受力和吊装运输状态下的受力状态，完全不同。在这种情况下，行车吊点选择的原则是使预制管道模块不同分段截面平均受力，在受力分析图上，管道模块的危险截面处，保持弯矩相等。

面对多元化的模块构成，若要准确计算吊点位置，计算量非常大，耗时长，不利于工厂的正常运转。可以采取模拟均衡状态的方法，将整个模块化管道重量作为一个整体，对其进行平均分配，同时将管道的空间长度投影至轴向平面，形成一条投影直线，并将重量平均分布在投影直线上。这时可以根据现场的管道不同部件的质量分布情况划分出3 对或4 对吊点，再采取不同于两对吊点静定结构的超静定结构方式，对吊点的选择位置进行估算。

3.2 管道运输方面的改造

在制管厂房内，以长度为17.5 m 的半挂车对其进行试验。试验过程中发现以下3 个问题：①半挂车后轴称重点与24 m管道尾部的距离8.5 m，管道前后失衡，重心基本上压在了半挂后桥上，造成了车辆的前轻后重；②预制模块管道在半挂车上固定方式不到位，前后固定仅仅使用吊带捆绑，对于26 t 的重量所产生的惯性来说，由几根吊带的捆绑产生的力基本上可以忽略不计；③在宽度和载重量允许的情况下，每次只能运输一根，效率较低。

针对这些情况，将采取以下的措施进行改造。

3.2.1 车辆改造

以普通半挂牵引车为基本，通过在12 m 半挂后增加1～2节拖车的方式，满足24 m 大管径管道的运输要求。半挂车与拖车之间的不选择硬连接，而采用的是软连接。软连接结构如下：鸭嘴形挂钩的闭口端一侧与连接块，通过转轴铰接，连接块上开有一个垂直方向的通孔，鸭嘴形挂钩的开口端一侧设有销孔，销轴设置在所述销孔内。这样相当于在半挂车与拖车之间加了一个万向节，实现了拖拉机与拖车之间的软连接，使得半挂车和拖车行驶在弯曲或坡度不断的道路上时，拖车也再不会将半挂车撅起，保障了行车安全。即使半挂车牵引拖车拐小弯也不会使半挂车的后轮摩擦到拖车连接器或拖车上，保障车辆的正常行驶。

拖车部分改造。为了在厂区内弯曲不断的厂内道路内，安全平稳行驶，尤其是要避开人员较多的情况。在拖车上加设一组可以自由转向的液压转动托盘装置，这种装置与铁路超长运输、风力发电的叶轮运输车辆的装置作用相近。该装置，主要作用为可以自由转向，相当于将整个半挂车与拖车分割成为3 个联动关键部位，间接地将整车的转弯变径减少了，针对弯曲的厂区道路，有非常好的效果。

拖车与半挂车的距离，应该采取行车两对吊点受力分析的方式，来分配半挂车的后桥与拖车支撑桥之间的间距。

3.2.2 管道固定夹具的设计与安装

针对半挂车的固定夹具改造，从支撑梁方面入手，先将支撑梁改造成为可以装配紧固机构的模式。

在车辆的两侧，增加左侧托架和右侧托架，并在左侧托架和右侧托架之间增加一个托架中央支架，形成一个“w”的样式，用以承载和定位两根长管道，防止其左右方向的错位和移动。在车斗的前方加设围挡和制动钩，防止管道轴向移动并保护好驾驶楼内的司机。

在做好上述准备工作后，在重心位置附近增加一组夹紧固定装置，同时也可以作为整体固定的一种装置。装置包括：安装在车辆支撑梁上、底座下方的保险架，用以防止固定夹具打滑，使定位更加准确；在底座的顶端，设计有两块吊板，在两块吊板之间加装一个同时与吊板连接的吊环，用作连接和固定作用；在底座上连接两个支架。在吊板远离吊环的一端，分别与就近的一个支架相连接。在吊板中，设置有棘轮、棘爪、防反转棘爪，棘轮设置在棘爪和防反转棘爪之间。在防反转棘爪中，增加了防反转棘爪轴，轴的两端穿过防反转棘爪后连接在对应的支架中。同样，在棘爪中设置有棘爪轴，轴的两端穿过棘爪后设置在对应的吊板中，棘轮中设置有棘轮轴。这样可以使固定具备可调节模式，方便固定操作、提升紧固的精度。

通过一系列的改造，可以充分利用半挂车的宽度（2.85 m）将原来只装一根长管道改变为可以装载两根长管道，在载重量允许的情况下可以再增加一根，呈品字形分布。

3.2.3 减振装置

运输过程中，试验用车所使用的减振装置为草垫子和枕木，这主要有两个缺点：一是草垫子和枕木不耐磨，在运输过程中损耗大，更换成本高且承载力不足；二是枕木本身的不平整情况，对于24 m 长钢管运输的影响较大。

改造措施：一在支撑梁固定结构底部增加托架弹性垫，材料为毡；二是将枕木换成包覆保护层的方钢或将小口径的钢管套进PE（Polyethylene，聚乙烯）管道内形成的支撑面。

4 改造效果

通过一系列的技术改造，在试验过程中，驾驶速度为20 km/h，测试的刹车距离为6.5 m 左右，半挂车的前后车轮、拖车的车轮保持同步，整体效果良好。测试转弯时的半径比17.5 m 半挂车的转弯半径减少至1/2，在制管厂场地至防腐场地之间的厂内通道上，畅通无阻，确保了有限空间的合理利用，又减少了安全风险和大量的基建改造成本。

行车在吊装24 m 大口径管道时，通过对预制模块化管道的自由状态和吊装运输状态下受力状态的分析，采取模拟均衡状态的方法，确定出吊装吊点的范围及边界线，确保吊装的安全及吊装效率。

通过对半挂车的紧固装置的改造，使得两根24 m 大口径钢管在运输过程中稳定、不错位，测试在半挂车急刹车的情况下，两根管道的轴向错位和左右两侧方向的位移，效果非常好，确保了管道运输过程中的安全运行。同时，将半挂车的牵引力发挥到一定程度，由原来运输一根变成运输两根，提升一倍的效率缩短工序之间的时间差，，节省了大量时间，从而提升效率、降低预制成本。