水电站压力钢管洞内组圆及安装技术

汪义桥 焦凯

摘要：随着我国大型水电站项目不断增加和深度开发，引水发电系统压力钢管工程规模日益增大，传统压力钢管施工技术存在诸多局限，已无法满足大型水电工程的开发需求。压力钢管洞内组圆及安装新技术，旨在快速、安全、优质地完成压力钢管施工，适应安全、环保、健康要求，减少劳动力数量、降低劳动强度，从而提高工期可控性、工程质量、安全性和环保程度。

关键词：压力钢管;洞内组圆;安装;新技术;应用

中图分类号：TV547文献标识码：A文章编号：2096-6903（2021）12-0046-03

0前言

传统压力钢管施工存在，需建设用于压力钢管制造与储存的专用压力钢管厂、存储厂;需建设用于钢管运输的专用通道;大量纯手工作业，施工效率低、质量可控性差;施工风险大、劳动强度大且安全风险高;运输压力钢管严重挤占道路，竖向翻转需专用大型吊装设备;不符合绿色、环保、人性化的发展需求等突出问题[1]。

苏洼龙水电站位于金沙江上游河段，布置4台水轮发电机组，总装机容量1200MW，为一等大（1）型工程，采用一管一机供水方式，4条引水隧洞平行布置，间距31m，压力钢管段洞径10.0m。本工程地处青藏高原深切河谷地带，工程区地质条件复杂，征地协调、施工场地开辟和专用运输通道建设困难;同时，劳动者对工作地点、条件、环境以及安全环保的要求越来越高，常规压力钢管施工高度依赖劳动者主观能动性、自觉性的传统劳动密集、技术密集、不良环境中高强度危险工作越来越难以实施。

1洞内组圆及安装新技术

在苏洼龙水电站压力钢管制作中，成功引入了“智能化组焊”生产技术，避免了传统上现场建钢管制作厂及堆存场、设置专门的压力钢管运输通道和洞顶布置钢管吊装天锚，解决了大面积施工场地占用问题。同时，采用2台套设备和相应的工艺在隧洞内进行压力钢管施工，显著缩短了传统焊接需求时间，提前工期约7个月;100%的纵缝、90%的加劲环角焊缝、50%的环缝实现了埋弧自动焊，焊道饱满、无飞溅，较传统工艺具有更优的施工质量及外观;施工安全受控、现场整洁有序，显著提升工程施工形象[2]。

1.1快速组圆

采用压力钢管智能组焊专机及洞内自动化组焊工艺，实现了瓦片卸车、组对、回转驱动、钢管自动调圆、组焊设备的主机升降回转及双向移动等快速组装。

（1）依托现代机电系统设计、三维仿真设计技术和有限元分析工具，结合压力钢管智能化施工需求，采用压力钢管智能组焊专机，主要由立柱、横梁和主机体等组成。横梁端部与立柱连接，主机体转轴连有回转支撑架，主机体设置在横梁上方，主机体下部连接有水平回转装置，横梁与立柱连接部位具有定位夹紧和升降的设置;新型机械结构和系统方法，实现了组焊专机的快速安装、移动以及多种方位、管径大型压力钢管焊接施工需求，苏洼龙水电站使用ZH135型智能组焊专机主要设计参数见表1。

（2）采用一种大型压力钢管隧洞内智能化组焊工艺流程（图1），将先进的流水化作业理念应用于施工现场，创新了一种全新的压力钢管施工工法—“单节组焊-多节组焊-钢管安装“三工位法（图2），实现了在洞内进行（超）大型钢管的现场单节制造、大节制造，探索出了一条适应环境恶劣、生态脆弱地区压力钢管生产的新道路。

1.2自动化运输及调整

采用多功能滚焊台车，实现了钢管洞内自动化运输及调整，突破了洞内多节直管及弯管组焊施工技术瓶颈，实现了单次组焊三节压力钢管[3]。

（1）适用于弯/直管行走、转动等的多功能滚焊台车，创新性地采用了绕台车底座偏转的滚轮装置，降低了钢管运输高度要求。台车液压千斤顶及其液压泵站、电磁阀都放在中空的台车支座内部，不仅能够调整滚轮的高度和中心距，而且结构整体紧凑、占用空间小、安全性高，实现了狭小空间压力钢管的转动、升降以及运输，突破了在隧道内等类似空间限制场所的压力钢管自动化焊接施工。

（2）适用于大型压力钢管弯段运输的工艺，该工艺以两个多功能滚焊台车为基础，结合用于在过弯时支撑钢管的转盘，通过在其中一个多功能滚焊台车的底座上设置转盘，或者每个多功能滚焊台车的底座上均设置转盘的创新方法，转盘由底座、车轮、连接件、滚轮、车轮电机、旋转电机、顶盘、底盘、转盘轴承、千斤顶等部件组成，通过轨道不仅能够保证钢管在直线道路上运输过程中的稳定性，还能保证钢管运输车顺利通过弯道，减小弯道对钢管运输的限制，加快钢管运输进度，缩短施工工期。

（3）采取无吊具转运大型压力钢管的方法，包括以下步骤：①多功能滚焊台车将钢管运到横向转运车处，在该位置钢管与横向转运车重合;②多功能滚焊台车的升降装置降低，将钢管放置在横向转运车上;③多功能滚焊台车退出横向转运车位置，由横向转运车将钢管运走。本方法采用横向转运车与多功能滚焊台车的配合完成钢管运输，不需要吊点和吊车配合，即可实现大吨位或狭小空间的钢管及类似构件的搬运，简单方便实用，成本低，安全性好。

（4）采用适用于直管、锥管及弯管环缝焊接的多功能滚焊台车，多功能滚焊台车由滚轮架、行走小车等部件组成。滚轮架包括支架以及至少两个滚轮，滚轮上均沿周向设有环槽。钢管焊接时，将钢管加劲环置于滚轮上的环槽内，通过环槽起到对管道的定位作用，避免了管道轴向窜动带来的焊接质量问题。

1.3智能焊接

采用焊缝激光自动识别、跟踪和埋弧焊小车自动纠偏的钢管智能焊接系统，实现了双丝埋弧焊现场规模化应用，降低劳动强度、提升焊接效率及质量、缩短工期。

（1）采用了适用于直管、锥管及弯管环形焊缝焊接的自动焊接小车，小车由行走、转向、焊缝检测和焊接等部件组成。焊缝检测部件由工业相机、一字激光器、工业计算机组成，利用激光三角测量原理对焊缝信息进行测量检测，为转向机构和焊接工调整提供依据。焊接部件的焊接控制器与焊缝检测部件通信連接，并通过接收的焊缝信息控制转向和行走部件，使自动焊接小车沿焊缝行走、跟踪，并完成自动焊接。自动焊接小车能对焊缝进行长距离焊接，不受跟踪装置行程影响，具有灵活方便、适应性强及控制精度高的优点。

（2）基于行業现行规范及苏洼龙水电站压力钢管制作安装技术要求，编制了压力钢管双丝埋弧焊焊接工艺指导书及相关操作规程，指导了现场钢管施工，将苏洼龙水电站压力钢管纵缝焊接自动化比例提高至100%，环缝焊接自动化比例提高至50%以上，加劲环焊接自动化比例提高至90%以上，总体一次焊接合格率大于99%，苏洼龙电站焊缝构成及焊接方法见表2。

1.4与国内外同类技术比较

我国水电工程压力钢管施工技术已经达到世界领先水平，迄今为止，国内外还没有使用高达90%的埋弧自动焊制作大型压力钢管，也没有成套的智能化施工技术。洞内组圆及安装新技术与国内外同类技术相比有显著提高和突破，主要体现在：

（1）系统集成度更高。苏洼龙水电站压力钢管施工是目前智能化程度最高的大型压力钢管施工，达到了90%的焊缝采用埋弧自动焊。钢管滚焊接长规模远远超过黄金坪水电站和涔天河水库扩建施工。智能化双丝埋弧焊第一次用于水电站压力钢管制作，第一次实现3节弯管滚焊成大节，第一次采用瓦片翻转平台加装加劲环。第一次在一个工程同时使用2台套组焊设备进行压力钢管制作和滚焊，并实现了两台设备在洞群内转移使用。

（2）应用规模更大、施工质量更好。苏洼龙水电站采用2台套设备完成了4条洞161节压力钢管、4071t的单节制作，组对成76个大节，压力钢管的制作应用规模更为宏大和复杂洞内纵缝焊接一次合格率99.89%，大节环缝焊接一次合格率99.11%。

（3）技术探索更显著。苏洼龙水电站大胆创新，采用瓦片翻转平台加装加劲环、90%的加劲环角焊缝采用埋弧自动焊、焊缝自动识别和跟踪、在水电站压力钢管制作中应用智能化双丝埋弧自动焊工艺、3节弯管滚焊等设想和探索都取得了成功。

2结语

在高山峡谷地区压力钢管施工采用的常规施工方案相比，减少了征地面积，节省了工程投资，且钢管运输通道上的施工支洞断面缩小，洞内制作环境稳定，避免了明厂房里的高温和日温差大对工人、施工作业及钢管制作质量的不利影响。80%的焊缝采用无烟无尘无弧光的埋弧自动焊，解决了长期困扰压力钢管施工的环境难题。成套设备的运用，提高了钢管制安的机械化和自动化水平，降低了工人的劳动强度，提升了科技含量，安全、质量、进度、成本可控性大为提高，有利于推动压力钢管制安从劳动密集型、资源密集型、进度质量安全成本控制性工期向科技密集型、施工受控型转变，提升了中国水电施工水平，具有长远的社会效益和经济价值。

参考文献

[1]王琦，吴鹏，高升，等.大型压力钢管纵缝气电立焊技术应用[J].焊接技术，2016，45（9）：103-105.

[2]孙文，侯明.向家坝电站超大直径引水隧洞压力钢管制作与安装[J].水电站机电技术，2011，34（4）：40-42+50.

[3]汪剑国，伍鹤皋，石长征，等.地下埋藏式压力钢管无内支撑安装变形分析[J].水力发电，2016，42（12）：50-55.

CircleAssemblyandInstallationTechnologyinPenstockTunnelsofHydropowerStation

WANGYiqiao，JIAOKai

（ChinaWaterResourcesandHydropowerThirdEngineeringBureauCo.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi710024）Abstract：Withthecontinuousincreaseandin-depthdevelopmentoflarge-scalehydropowerprojectsinmycountry，thescaleofpenstockprojectsinthewaterdiversionandpowergenerationsystemisincreasing.Thetraditionalpenstockconstructiontechnologyhasmanylimitationsandcannotmeetthedevelopmentneedsoflarge-scalehydropowerprojects.Theconstructionofthepenstockholeandtheinstallationofnewtechnologiesaimtocompletetheconstructionofthepenstockquickly，safelyandwithhighquality，adapttotherequirementsofsafety，environmentalprotection，andhealth，reducethenumberoflabor，andreducelaborintensity，therebyimprovingthecontrollabilityoftheconstructionperiod，thequalityoftheproject，andtheSafetyandenvironmentalprotection.

Keywords：penstock;circleassemblyintunnel;installation;newtechnology;application