抽蓄电站管道预制解决措施及预制厂规划建议

施小雷

（中国水利水电第七工程局有限公司安装分局，四川 彭山 620860）

1 工程建设面对的问题及趋势

根据国家能源局抽水蓄能中长期发展规划，2021 年至2035 年，全国规划抽水蓄能总装机规模7.26 亿kW。其中“十四五”计划核准项目214 个，重点实施项目规模2.71 亿kW，计划开工1.6 亿kW，投产总规模在6200万kW 以上；“十五五”重点实施项目规模1.2 亿kW，计划开工8000 万kW，投产规模1.2 亿kW 左右。结合国家碳达峰、碳中和的政策目标，到2035 年，形成能够配套新能源高比例大规模发展需求，技术质量先进、管理效益优质、国际竞争力强的抽水蓄能现代化产业，培育形成一大批抽水蓄能大型骨干企业。抽水蓄能电站在建设过程中，全厂辅助油、水、气系统管道型号多（DN15mm～DN650mm），管件种类杂（包含变径、三通、弯头、变径三通、四通等），布置范围广，再加上配装受施工环境、施工方法、交叉作业等因素限制，使得作业人员劳动强度高、管路安装进度慢、现场焊缝质量优良率低、外观成形不美观，主要施工方法与20 年前施工方法基本相同，主要表现在以下5 个方面。

（1）抽水蓄能机组各层水力机械辅助管路系统管径种类多，管路介质种类包含技术供排水系统、渗漏排水系统、检修排水系统、供排油系统、中低压气系统、主机附属管路等，管路布置方向横纵交叉，且管路表现在多份不同的二维施工蓝图中，二维模型不直观、图纸供应不及时、图上管路布置分散，很容易造成管路漏埋、错埋。其次现场按照图纸分段安装，无法整体性考虑管路布置，不能对现场管路安装做出整体性规划，安装耗费不必要的人力及物力[1]。

（2）蓄能电站管路承压高（0.4MPa～20MPa），管壁类型多（1～18mm）。传统施工现场多采用切割机、角磨机、气枪等设备进行管路的切割和坡口加工，效率低。切口扭斜，垂直度差，毛刺多，角度不一，多数要采用二次打磨勉强满足现场对缝要求，增加了后续焊缝组对、焊接的困难度。现场作业危险源多，现场角磨机保护外壳丢失，设备接地不可靠，电源设备老化、保护装置不全，作业人员不带护目镜作业等安全问题突出。目前现场焊接大多仍旧采用手工电弧焊和氩弧焊两种焊接方式，效率低且焊接质量缺陷率高，焊缝内外易出现焊瘤、毛刺，给后续管路清洁和涂装增加了较大的工作量[2-3]。

（3）目前在水电站机组水力机械辅助管路系统进行分段管路管口错牙调整时，一般通过人力配合起重设备调整或在管壁外侧焊接楔形压缝块进行调整。这两种管口错牙调整方法存在的主要缺点：①电站机组辅助系统中压管路壁较厚，技术供排水管路管径大，管路重量大，因此人工调整效率低费时费力，作业人员紧靠管路调整容易受到挤压，安全风险大。②拉拽安装后管路始终受到外力，在运行过程中存在安全隐患。③管路焊接楔形压缝块的高温对管路母材影响大，拆除压缝块时容易造成焊缝撕裂母材的情况，影响管路质量及承压等级。

（4）为保证机组轴承运行稳定，机组油系统管路内部清洁度要求较高，不锈钢管路现场制作焊接完成后，需要进行酸洗钝化，去除管路的焊斑、药皮、油脂等污垢，一般在现场制作一个耐腐蚀的酸洗钝化池，使用硝酸或其他无机酸液在现场进行调配，酸洗液的浓度和成分的比例根据管道的锈蚀程度和酸洗用水的水质确定，将待酸洗钝化的管路运输到位后，依次吊入配置好的酸洗钝化池内浸泡酸洗，浸泡时间一般为5～20min直至管路焊缝及外表呈现白色腐蚀光洁度为止，作业人员佩戴好安全防护用品，将管路依次吊出冲洗，管道冲洗用水必须干净，使用高压水枪对管道内外全面冲洗，冲洗完成后，用压缩空气吹干管路，压缩空气必须干燥、洁净，最后使用洁净布对管路两端管口可靠封堵保护。水电站油系统管路酸洗量大，人工酸洗效率低，且作业人员需直接与酸洗钝化液接触，酸洗钝化液腐蚀性极强，安全风险大。

（5）电站系统中辅机管路既有预埋管路，又有明装管路，管路布置复杂、安装施工时段贯穿整个建设周期，施工作业点多面广，人力及物力资源分散投入。随着抽蓄电站发展提速，管道安装施工工期不断缩小，为了提高管路制作焊接质量及进度，要求焊接实现机械化和自动化显得非常迫切。

2 解决措施

2.1 设计管理方面

针对抽水蓄能机组各层水力机械辅助管路系统管径种类多，采用三维管道预制设计软件，改变常规使用的二维设计方法，能快速轻松的创建3D 管路模型图或导入3D 管路图，3D 模型美观和直观感觉较好，建立电站常用管路、管件模型数据库，需要装配调用时，只需要输入相应的规格尺寸，便可自动生成一比一的三维模型，通过软件功能能够自动生成所有管道安装施工图及材料表的三维设计方法。通过自动焊接、切割设备限制尺寸、运输条件、现场安装条件、吊物孔尺寸等进行管路优化分解，以最优的方式形成管路材料表。管路模型与厂房及其他专业深度融合，根据管路安装部位、管路的走向、检查与其他设备安装位置、土建混凝土分仓结构等的干涉情况提前进行修改调整。通过3D 模型能够快速出具具体施工部位的管路安装图，工人按照三维安装图施工，快速明了，能够有效地节省大量的时间，以提升效率。从源头上提高了设计质量的一个非常有效的手段。

2.2 设备选型管理

管道工厂化预制和成套自动焊接生产线技术，以其施工周期短、劳动生产效率高、焊接合格率高的优势，已受到国内同行业的充分重视。管道工厂化预制是运用现代化、机械化的加工将管道施工中的下料、坡口制备、对口、焊接等大部分工作通过工厂化批量预制来满足越来越高的施工质量要求、进度要求，并降低人工成本，将机械使用率最大化、最合理化，根据抽蓄电站辅机管路的特性，管路预制生产线管径使用范围在DN50mm～DN650mm，系统设备主要包括以下四大部分：自动定长下料设备1 套、自动坡口机1 套、多功能快速组队机2 套、全位置自动焊接设备设备2 套、设备间流水线运输系统1 套，在具体数量选择过程中，可根据项目管道工程量进行增减，具体设备选型如下。

2.2.1 管道切割带锯床

带锯床采用PLC 控制，主要部件包括床身、底座、立柱；锯梁和传动机构；导向装置；张紧装置；工件夹紧；送料系统；液压传动系统；电气控制系统；润滑及冷却系统。液压传动系统由泵、阀、油缸、油箱、管路等元件组成的液压回路，在电气控制下完成锯梁的升降，工件的夹紧，通过调速阀可实行进给速度的无级调速，达到对不同材质工件的锯切需要。

2.2.2 RGV 物流小车

四轴RGV 物流输送小车共有四轴方式，分别是往返行走（轨道上）、数控托举、滚动和回转。承载5t，配备上料缓存区、小料缓冲区。物流小车到上料缓存区实现上升托举接料，物流小车到下料缓存区实现上升托举卸料。物流小车利用交、直流伺服电动机驱动，小车在厂房铺设的轨道上进行往复运动。

2.2.3 数控端面自动坡口机

坡口机机通过数控系统对设备进行控制，应用差动径向自动进刀和轴向电动自动进刀原理相配合的管子端面坡口加工机床。加工时管材通过液压马达及丝杆左右同步对中夹紧管子，利用铣削动力头带动刀具旋转进行坡口加工，径向差进刀电动退刀和轴向伺服电机进刀、退刀，实现加工过程的全自动控制。

2.2.4 多功能快速组对机

主要由多功能组对机、法兰组对机、管道支撑接料车、导轨等组成。组对工装能够实现管子与法兰、弯头、三通等管件的快速组对功能，通过工装的各方位的调整能够保证管子与管件的相对位置（间隙、错牙）符合要求。组对系统上下升降机构主要通过蜗轮蜗杆升降机、T 型丝杆、电机、减速机搭配组成，前后移动通过电动丝杆丝母及滑板组成。管子上料通过缓存物流辊道线自动上料到管道支撑接料车上（管子≥1500mm）或通过行起重机将管子吊装到管道支撑接料车上，管件放在组对平台上，即可以进行组对作业。

2.2.5 管道自动打底填充盖面焊机

焊机主要由管钳系统、自动焊接操作架、多功能焊接电源、高频引弧器、弧长横摆电动滑架、自动焊接控制系统、电缆总成、水冷焊枪、自动送丝机等组成，管道焊接时管钳系统夹持着工件按设定的转速旋转，夹持部分能够保证工件和卡盘的同轴，较大程度地缓解了管件的椭圆度及被焊工件轴向窜动对焊接效果的影响，操作架是安装焊枪位置控制装置的主体部件，能够实现上下、前后平稳移动，定位准确。弧长横摆电动滑架与电源和控制系统配套使用，可实现对电弧垂直和水平位置的精密控制，滑架由两件互成十字相连的滑板组成，滑架的调整移动由步进电机带动丝杠旋转，再由螺母带动滑板移动，在外层十字滑架的移动块上固定支承板、焊枪座、焊枪以及送丝支架等零部件，弧长滑架和横摆滑架分开单独安装和应用，在焊接过程中可通过控制按钮点动调节焊枪水平和垂直位置。焊枪采用内置水冷方式，集水、电、气管于一体，主要由枪体、钨极夹、分流器、陶瓷喷嘴、钨极等组成。该系统可对焊接速度，焊枪摆动宽度、摆动速度，焊接行程等焊接参数进行系统化、数字化的设定，在焊接过程中，可适时对整个系统参数进行全面掌握。

3 管路工厂化预制系统平面规划

参考化工等行业管道工厂化预制系统成功的经验，选用工厂型管道预制模式。管道预制工艺如下：管子吊到定长系统辊道上→定长进料→锯床切断管子→物流RGV 小车运载管子到坡口机→高速坡口机夹紧工件→进行数控CNC 坡口端面加工→坡口机松开工件→管子经RGV 运载小车将管子输送到缓存辊道上（多根可以放到缓存辊道上）→缓存辊道自动上管到快速组对机上进行组对→将组对好的工件吊装到中转料架上（或料框中）→人工将中转料架上组对好的工件吊装到自动焊接系统上进行焊接→将焊完的工件吊至成品货架上。

根据上述工艺对管路预制工厂进行规划。预制化工厂建设场地为考虑降低成本，在电站建设过程中在工期避开的情况下，可考虑使用电站钢管制造厂或仓库等其他建筑进行相应改建，工厂规划具体要点如下：

生产区域四周预留通道，预制化工厂的生产区、成品暂存区、原材料仓储区等工厂内分区布置，具体如下。

（1）生产区面积可建设在1000～1200m2，生产区包括设备区（定长下料区、坡口加工区、组对区、焊接区）、材料暂存区、多媒体展示区、成品展示区、工具摆放区、消耗材料区、氩气暂存区、成品暂存区、休息及办公室。工厂生产区（除龙门吊行走区域）地面采用环氧自流平。

（2）成品堆放区面积为847m2（38.5m×22m），共分5 排布置，每排6.5m 宽，排与排间距1m，中间留出4m宽通道供运输车进入。材料仓储区面积为990m2（45m×22m），分为材料及成品装卸区、材料存放区。材料及成品装卸区为15m×5m，仅做为装、卸车使用，不作为材料存放场地，中间留出4m 宽通道供大车进入；材料存放区面积分别为735m2。

（3）工厂内设置1 个尺寸为5.7m×2.1m×2.2m 集装箱做为休息、办公室。工厂内布置起重机及手动液压叉车等设备。在厂房外设置管件仓库、氩气库、设备及消耗性材料仓库等，面积为100m2/间。冬季寒冷地区预制化工厂内安装采暖系统确保环境温度在5℃以上，满足管路焊接对环境温度的需求。

（4）预制工厂的布置必要的二氧化碳及干粉灭火器，并按照要求配置工艺、安全警示等标识标牌。

（5）工厂预制生产线设备应布局合理，工厂内主要设备有：定长下料坡口加工生产线、多功能快速组对机、管道自动打底填充盖面焊接系统、控制软件系统及其他辅助设施[4-5]。

4 结语

管路预制工厂化的实质是实现管路制作与现场安装工序互不干扰并行施工，并且提高管路制作焊接质量，把该在现场的施工内容提前转移到管路预制工厂内或同时预制完成，利用不同的高效率的机械设备之间的配合来完成管路预制流水线生产。在抽蓄电站辅机管路制作及安装时可参照采用上述技术及设备布置，该布置自动化程度高，预制效率高、质量和安全能够保证。