施小雷

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司安裝分局，四川 彭山 620860）

1 工程建設(shè)面對(duì)的問題及趨勢(shì)

根據(jù)國(guó)家能源局抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，2021 年至2035 年，全國(guó)規(guī)劃抽水蓄能總裝機(jī)規(guī)模7.26 億kW。其中“十四五”計(jì)劃核準(zhǔn)項(xiàng)目214 個(gè)，重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目規(guī)模2.71 億kW，計(jì)劃開工1.6 億kW，投產(chǎn)總規(guī)模在6200萬kW 以上；“十五五”重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目規(guī)模1.2 億kW，計(jì)劃開工8000 萬kW，投產(chǎn)規(guī)模1.2 億kW 左右。結(jié)合國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的政策目標(biāo)，到2035 年，形成能夠配套新能源高比例大規(guī)模發(fā)展需求，技術(shù)質(zhì)量先進(jìn)、管理效益優(yōu)質(zhì)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的抽水蓄能現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)，培育形成一大批抽水蓄能大型骨干企業(yè)。抽水蓄能電站在建設(shè)過程中，全廠輔助油、水、氣系統(tǒng)管道型號(hào)多（DN15mm～DN650mm），管件種類雜（包含變徑、三通、彎頭、變徑三通、四通等），布置范圍廣，再加上配裝受施工環(huán)境、施工方法、交叉作業(yè)等因素限制，使得作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度高、管路安裝進(jìn)度慢、現(xiàn)場(chǎng)焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良率低、外觀成形不美觀，主要施工方法與20 年前施工方法基本相同，主要表現(xiàn)在以下5 個(gè)方面。

（1）抽水蓄能機(jī)組各層水力機(jī)械輔助管路系統(tǒng)管徑種類多，管路介質(zhì)種類包含技術(shù)供排水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)、檢修排水系統(tǒng)、供排油系統(tǒng)、中低壓氣系統(tǒng)、主機(jī)附屬管路等，管路布置方向橫縱交叉，且管路表現(xiàn)在多份不同的二維施工藍(lán)圖中，二維模型不直觀、圖紙供應(yīng)不及時(shí)、圖上管路布置分散，很容易造成管路漏埋、錯(cuò)埋。其次現(xiàn)場(chǎng)按照?qǐng)D紙分段安裝，無法整體性考慮管路布置，不能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管路安裝做出整體性規(guī)劃，安裝耗費(fèi)不必要的人力及物力[1]。

（2）蓄能電站管路承壓高（0.4MPa～20MPa），管壁類型多（1～18mm）。傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)多采用切割機(jī)、角磨機(jī)、氣槍等設(shè)備進(jìn)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，多數(shù)要采用二次打磨勉強(qiáng)滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)縫要求，增加了后續(xù)焊縫組對(duì)、焊接的困難度?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)危險(xiǎn)源多，現(xiàn)場(chǎng)角磨機(jī)保護(hù)外殼丟失，設(shè)備接地不可靠，電源設(shè)備老化、保護(hù)裝置不全，作業(yè)人員不帶護(hù)目鏡作業(yè)等安全問題突出。目前現(xiàn)場(chǎng)焊接大多仍舊采用手工電弧焊和氬弧焊兩種焊接方式，效率低且焊接質(zhì)量缺陷率高，焊縫內(nèi)外易出現(xiàn)焊瘤、毛刺，給后續(xù)管路清潔和涂裝增加了較大的工作量[2-3]。

（3）目前在水電站機(jī)組水力機(jī)械輔助管路系統(tǒng)進(jìn)行分段管路管口錯(cuò)牙調(diào)整時(shí)，一般通過人力配合起重設(shè)備調(diào)整或在管壁外側(cè)焊接楔形壓縫塊進(jìn)行調(diào)整。這兩種管口錯(cuò)牙調(diào)整方法存在的主要缺點(diǎn)：①電站機(jī)組輔助系統(tǒng)中壓管路壁較厚，技術(shù)供排水管路管徑大，管路重量大，因此人工調(diào)整效率低費(fèi)時(shí)費(fèi)力，作業(yè)人員緊靠管路調(diào)整容易受到擠壓，安全風(fēng)險(xiǎn)大。②拉拽安裝后管路始終受到外力，在運(yùn)行過程中存在安全隱患。③管路焊接楔形壓縫塊的高溫對(duì)管路母材影響大，拆除壓縫塊時(shí)容易造成焊縫撕裂母材的情況，影響管路質(zhì)量及承壓等級(jí)。

（4）為保證機(jī)組軸承運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組油系統(tǒng)管路內(nèi)部清潔度要求較高，不銹鋼管路現(xiàn)場(chǎng)制作焊接完成后，需要進(jìn)行酸洗鈍化，去除管路的焊斑、藥皮、油脂等污垢，一般在現(xiàn)場(chǎng)制作一個(gè)耐腐蝕的酸洗鈍化池，使用硝酸或其他無機(jī)酸液在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)配，酸洗液的濃度和成分的比例根據(jù)管道的銹蝕程度和酸洗用水的水質(zhì)確定，將待酸洗鈍化的管路運(yùn)輸?shù)轿缓?，依次吊入配置好的酸洗鈍化池內(nèi)浸泡酸洗，浸泡時(shí)間一般為5～20min直至管路焊縫及外表呈現(xiàn)白色腐蝕光潔度為止，作業(yè)人員佩戴好安全防護(hù)用品，將管路依次吊出沖洗，管道沖洗用水必須干凈，使用高壓水槍對(duì)管道內(nèi)外全面沖洗，沖洗完成后，用壓縮空氣吹干管路，壓縮空氣必須干燥、潔凈，最后使用潔凈布對(duì)管路兩端管口可靠封堵保護(hù)。水電站油系統(tǒng)管路酸洗量大，人工酸洗效率低，且作業(yè)人員需直接與酸洗鈍化液接觸，酸洗鈍化液腐蝕性極強(qiáng)，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

（5）電站系統(tǒng)中輔機(jī)管路既有預(yù)埋管路，又有明裝管路，管路布置復(fù)雜、安裝施工時(shí)段貫穿整個(gè)建設(shè)周期，施工作業(yè)點(diǎn)多面廣，人力及物力資源分散投入。隨著抽蓄電站發(fā)展提速，管道安裝施工工期不斷縮小，為了提高管路制作焊接質(zhì)量及進(jìn)度，要求焊接實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化顯得非常迫切。

2 解決措施

2.1 設(shè)計(jì)管理方面

針對(duì)抽水蓄能機(jī)組各層水力機(jī)械輔助管路系統(tǒng)管徑種類多，采用三維管道預(yù)制設(shè)計(jì)軟件，改變常規(guī)使用的二維設(shè)計(jì)方法，能快速輕松的創(chuàng)建3D 管路模型圖或?qū)?D 管路圖，3D 模型美觀和直觀感覺較好，建立電站常用管路、管件模型數(shù)據(jù)庫，需要裝配調(diào)用時(shí)，只需要輸入相應(yīng)的規(guī)格尺寸，便可自動(dòng)生成一比一的三維模型，通過軟件功能能夠自動(dòng)生成所有管道安裝施工圖及材料表的三維設(shè)計(jì)方法。通過自動(dòng)焊接、切割設(shè)備限制尺寸、運(yùn)輸條件、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、吊物孔尺寸等進(jìn)行管路優(yōu)化分解，以最優(yōu)的方式形成管路材料表。管路模型與廠房及其他專業(yè)深度融合，根據(jù)管路安裝部位、管路的走向、檢查與其他設(shè)備安裝位置、土建混凝土分倉結(jié)構(gòu)等的干涉情況提前進(jìn)行修改調(diào)整。通過3D 模型能夠快速出具具體施工部位的管路安裝圖，工人按照三維安裝圖施工，快速明了，能夠有效地節(jié)省大量的時(shí)間，以提升效率。從源頭上提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量的一個(gè)非常有效的手段。

2.2 設(shè)備選型管理

管道工廠化預(yù)制和成套自動(dòng)焊接生產(chǎn)線技術(shù)，以其施工周期短、勞動(dòng)生產(chǎn)效率高、焊接合格率高的優(yōu)勢(shì)，已受到國(guó)內(nèi)同行業(yè)的充分重視。管道工廠化預(yù)制是運(yùn)用現(xiàn)代化、機(jī)械化的加工將管道施工中的下料、坡口制備、對(duì)口、焊接等大部分工作通過工廠化批量預(yù)制來滿足越來越高的施工質(zhì)量要求、進(jìn)度要求，并降低人工成本，將機(jī)械使用率最大化、最合理化，根據(jù)抽蓄電站輔機(jī)管路的特性，管路預(yù)制生產(chǎn)線管徑使用范圍在DN50mm～DN650mm，系統(tǒng)設(shè)備主要包括以下四大部分：自動(dòng)定長(zhǎng)下料設(shè)備1 套、自動(dòng)坡口機(jī)1 套、多功能快速組隊(duì)機(jī)2 套、全位置自動(dòng)焊接設(shè)備設(shè)備2 套、設(shè)備間流水線運(yùn)輸系統(tǒng)1 套，在具體數(shù)量選擇過程中，可根據(jù)項(xiàng)目管道工程量進(jìn)行增減，具體設(shè)備選型如下。

2.2.1 管道切割帶鋸床

帶鋸床采用PLC 控制，主要部件包括床身、底座、立柱；鋸梁和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；導(dǎo)向裝置；張緊裝置；工件夾緊；送料系統(tǒng)；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)；潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由泵、閥、油缸、油箱、管路等元件組成的液壓回路，在電氣控制下完成鋸梁的升降，工件的夾緊，通過調(diào)速閥可實(shí)行進(jìn)給速度的無級(jí)調(diào)速，達(dá)到對(duì)不同材質(zhì)工件的鋸切需要。

2.2.2 RGV 物流小車

四軸RGV 物流輸送小車共有四軸方式，分別是往返行走（軌道上）、數(shù)控托舉、滾動(dòng)和回轉(zhuǎn)。承載5t，配備上料緩存區(qū)、小料緩沖區(qū)。物流小車到上料緩存區(qū)實(shí)現(xiàn)上升托舉接料，物流小車到下料緩存區(qū)實(shí)現(xiàn)上升托舉卸料。物流小車?yán)媒弧⒅绷魉欧妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，小車在廠房鋪設(shè)的軌道上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 數(shù)控端面自動(dòng)坡口機(jī)

坡口機(jī)機(jī)通過數(shù)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，應(yīng)用差動(dòng)徑向自動(dòng)進(jìn)刀和軸向電動(dòng)自動(dòng)進(jìn)刀原理相配合的管子端面坡口加工機(jī)床。加工時(shí)管材通過液壓馬達(dá)及絲桿左右同步對(duì)中夾緊管子，利用銑削動(dòng)力頭帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行坡口加工，徑向差進(jìn)刀電動(dòng)退刀和軸向伺服電機(jī)進(jìn)刀、退刀，實(shí)現(xiàn)加工過程的全自動(dòng)控制。

2.2.4 多功能快速組對(duì)機(jī)

主要由多功能組對(duì)機(jī)、法蘭組對(duì)機(jī)、管道支撐接料車、導(dǎo)軌等組成。組對(duì)工裝能夠?qū)崿F(xiàn)管子與法蘭、彎頭、三通等管件的快速組對(duì)功能，通過工裝的各方位的調(diào)整能夠保證管子與管件的相對(duì)位置（間隙、錯(cuò)牙）符合要求。組對(duì)系統(tǒng)上下升降機(jī)構(gòu)主要通過蝸輪蝸桿升降機(jī)、T 型絲桿、電機(jī)、減速機(jī)搭配組成，前后移動(dòng)通過電動(dòng)絲桿絲母及滑板組成。管子上料通過緩存物流輥道線自動(dòng)上料到管道支撐接料車上（管子≥1500mm）或通過行起重機(jī)將管子吊裝到管道支撐接料車上，管件放在組對(duì)平臺(tái)上，即可以進(jìn)行組對(duì)作業(yè)。

2.2.5 管道自動(dòng)打底填充蓋面焊機(jī)

焊機(jī)主要由管鉗系統(tǒng)、自動(dòng)焊接操作架、多功能焊接電源、高頻引弧器、弧長(zhǎng)橫擺電動(dòng)滑架、自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)、電纜總成、水冷焊槍、自動(dòng)送絲機(jī)等組成，管道焊接時(shí)管鉗系統(tǒng)夾持著工件按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，夾持部分能夠保證工件和卡盤的同軸，較大程度地緩解了管件的橢圓度及被焊工件軸向竄動(dòng)對(duì)焊接效果的影響，操作架是安裝焊槍位置控制裝置的主體部件，能夠?qū)崿F(xiàn)上下、前后平穩(wěn)移動(dòng)，定位準(zhǔn)確?；￠L(zhǎng)橫擺電動(dòng)滑架與電源和控制系統(tǒng)配套使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧垂直和水平位置的精密控制，滑架由兩件互成十字相連的滑板組成，滑架的調(diào)整移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，再由螺母帶動(dòng)滑板移動(dòng)，在外層十字滑架的移動(dòng)塊上固定支承板、焊槍座、焊槍以及送絲支架等零部件，弧長(zhǎng)滑架和橫擺滑架分開單獨(dú)安裝和應(yīng)用，在焊接過程中可通過控制按鈕點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)焊槍水平和垂直位置。焊槍采用內(nèi)置水冷方式，集水、電、氣管于一體，主要由槍體、鎢極夾、分流器、陶瓷噴嘴、鎢極等組成。該系統(tǒng)可對(duì)焊接速度，焊槍擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)速度，焊接行程等焊接參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化、數(shù)字化的設(shè)定，在焊接過程中，可適時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行全面掌握。

3 管路工廠化預(yù)制系統(tǒng)平面規(guī)劃

參考化工等行業(yè)管道工廠化預(yù)制系統(tǒng)成功的經(jīng)驗(yàn)，選用工廠型管道預(yù)制模式。管道預(yù)制工藝如下：管子吊到定長(zhǎng)系統(tǒng)輥道上→定長(zhǎng)進(jìn)料→鋸床切斷管子→物流RGV 小車運(yùn)載管子到坡口機(jī)→高速坡口機(jī)夾緊工件→進(jìn)行數(shù)控CNC 坡口端面加工→坡口機(jī)松開工件→管子經(jīng)RGV 運(yùn)載小車將管子輸送到緩存輥道上（多根可以放到緩存輥道上）→緩存輥道自動(dòng)上管到快速組對(duì)機(jī)上進(jìn)行組對(duì)→將組對(duì)好的工件吊裝到中轉(zhuǎn)料架上（或料框中）→人工將中轉(zhuǎn)料架上組對(duì)好的工件吊裝到自動(dòng)焊接系統(tǒng)上進(jìn)行焊接→將焊完的工件吊至成品貨架上。

根據(jù)上述工藝對(duì)管路預(yù)制工廠進(jìn)行規(guī)劃。預(yù)制化工廠建設(shè)場(chǎng)地為考慮降低成本，在電站建設(shè)過程中在工期避開的情況下，可考慮使用電站鋼管制造廠或倉庫等其他建筑進(jìn)行相應(yīng)改建，工廠規(guī)劃具體要點(diǎn)如下：

生產(chǎn)區(qū)域四周預(yù)留通道，預(yù)制化工廠的生產(chǎn)區(qū)、成品暫存區(qū)、原材料倉儲(chǔ)區(qū)等工廠內(nèi)分區(qū)布置，具體如下。

（1）生產(chǎn)區(qū)面積可建設(shè)在1000～1200m2，生產(chǎn)區(qū)包括設(shè)備區(qū)（定長(zhǎng)下料區(qū)、坡口加工區(qū)、組對(duì)區(qū)、焊接區(qū)）、材料暫存區(qū)、多媒體展示區(qū)、成品展示區(qū)、工具擺放區(qū)、消耗材料區(qū)、氬氣暫存區(qū)、成品暫存區(qū)、休息及辦公室。工廠生產(chǎn)區(qū)（除龍門吊行走區(qū)域）地面采用環(huán)氧自流平。

（2）成品堆放區(qū)面積為847m2（38.5m×22m），共分5 排布置，每排6.5m 寬，排與排間距1m，中間留出4m寬通道供運(yùn)輸車進(jìn)入。材料倉儲(chǔ)區(qū)面積為990m2（45m×22m），分為材料及成品裝卸區(qū)、材料存放區(qū)。材料及成品裝卸區(qū)為15m×5m，僅做為裝、卸車使用，不作為材料存放場(chǎng)地，中間留出4m 寬通道供大車進(jìn)入；材料存放區(qū)面積分別為735m2。

（3）工廠內(nèi)設(shè)置1 個(gè)尺寸為5.7m×2.1m×2.2m 集裝箱做為休息、辦公室。工廠內(nèi)布置起重機(jī)及手動(dòng)液壓叉車等設(shè)備。在廠房外設(shè)置管件倉庫、氬氣庫、設(shè)備及消耗性材料倉庫等，面積為100m2/間。冬季寒冷地區(qū)預(yù)制化工廠內(nèi)安裝采暖系統(tǒng)確保環(huán)境溫度在5℃以上，滿足管路焊接對(duì)環(huán)境溫度的需求。

（4）預(yù)制工廠的布置必要的二氧化碳及干粉滅火器，并按照要求配置工藝、安全警示等標(biāo)識(shí)標(biāo)牌。

（5）工廠預(yù)制生產(chǎn)線設(shè)備應(yīng)布局合理，工廠內(nèi)主要設(shè)備有：定長(zhǎng)下料坡口加工生產(chǎn)線、多功能快速組對(duì)機(jī)、管道自動(dòng)打底填充蓋面焊接系統(tǒng)、控制軟件系統(tǒng)及其他輔助設(shè)施[4-5]。

4 結(jié)語

管路預(yù)制工廠化的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)管路制作與現(xiàn)場(chǎng)安裝工序互不干擾并行施工，并且提高管路制作焊接質(zhì)量，把該在現(xiàn)場(chǎng)的施工內(nèi)容提前轉(zhuǎn)移到管路預(yù)制工廠內(nèi)或同時(shí)預(yù)制完成，利用不同的高效率的機(jī)械設(shè)備之間的配合來完成管路預(yù)制流水線生產(chǎn)。在抽蓄電站輔機(jī)管路制作及安裝時(shí)可參照采用上述技術(shù)及設(shè)備布置，該布置自動(dòng)化程度高，預(yù)制效率高、質(zhì)量和安全能夠保證。