超长直埋钢管组装焊接及整体吊装技术

闫伟，蔺斌，齐永志，杨照东，张智鹏

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066002）

0 引言

港口、码头、市政等供水、供热、油气管道常采用埋地敷设方式，主要施工工序有：测量放线、管沟及工作坑开挖、降水排水、管道吊装、管道组装焊接、焊缝探伤、管道试压和回填等。管道在沟槽内进行全位置焊接，特别是在管道下部位置，焊工须在工作坑内仰焊，焊缝成形难度大，且存在一定安全风险。

1 工程概况

曹妃甸集中供热长输管线工程单线长度14 km，城外直埋保温管道埋深大于1.5 m，供回水相邻布设，敷设在农田或道路边缘下方，地表水丰富、地下水位高，施工环境复杂。

主管道直径DN1 200 mm，介质为热水，设计压力1.6 MPa，供、回水温度分别为120℃和60℃，为GB2级压力管道。供、回水主管道壁厚分别为16 mm和14 mm，材质为Q235-B钢，按预热和自然补偿相结合的埋地方式敷设。管道采用改性聚氨酯泡沫保温，高密度聚乙烯塑料外护套。

管道沟槽断面图见图1。

图1 管道沟槽断面图Fig.1 Cross section of pipeline trench

2 施工特点难点分析

2.1 环境复杂

工程地点属沿海地区，泥沙土质，地下水位高，穿越农田、滩涂等区域，管沟成槽需要降水和支护。

2.2 工期压力大

根据项目总体安排及现场条件，在材料入场后，后续多道工序依次进行，系统必须在供暖期投入使用，工期紧、工程量大，施工组织难度和压力大。

2.3 焊接质量要求严

管道焊接要求焊工的环境适应能力强，具有全位置焊接能力，掌握单面焊双面成形技术，确保焊缝全熔透。确定焊接工艺参数后，焊工在操作中还必须选择合适的焊条角度、观熔池、听弧音、控制熔池温度，采用正确的运条手法，方能使焊缝成形满足要求。

2.4 确定基本安装工艺

针对工程状况，结合相关资料和文献[1-2]，制定了“沟槽外组装管道、下向焊、整体吊装就位和无补偿电预热”的工艺方案。主要施工流程为：材料及设备进场验收→测量放线→管道组装、焊接→管沟开挖及垫层施工→整体吊装→强度及严密性试验→吹扫→电预热→管沟回填。

3 管道组装焊接

3.1 管道组装

管道焊接采用Y形坡口，见图2。管道组对前，清除管道坡口附近的污物、氧化皮等，用角磨机磨光坡口。

图2 管道坡口图（mm）Fig.2 Pipe groove(mm)

制作工装卡具，管道组对采用卡箍式对管器，确保装配准确[3]。该对管器由2个半圆环式钢卡箍和千斤顶组成，依靠千斤顶的压力使钢卡箍闭合，调整管口的错边量和间隙，使对接的2根管道内外壁平齐，作业效率高，对口质量好，是保证焊缝质量的重要措施，见图3。

图3 对管器Fig.3 Pipe butt joint device

3.2 管道焊接工艺选择

传统压力管道焊接一般采用钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊或二氧化碳气体保护焊填充和罩面。

钨极氩弧焊打底过程中，在氩气保护下，利用电弧热熔化母材和填充丝形成接头，电弧和熔池可见，操作方便，但抗风能力差，对焊件清理要求非常严格，容易产生气孔。

手工下向焊接是一种先进的技术，可以避免钨极氩弧焊打底工艺的缺点，经过不断发展，全纤维素下向焊、纤维素+药芯焊丝半自动下向焊技术已经走向成熟[4]。主要工艺特点为：

1）环境适应力强

纤维素焊条根焊时，药皮中的有机物分解成大量气体，维持电弧稳定，保护熔池；药芯焊丝半自动焊接时不需气体保护，抗风能力强，可适用于施工环境较为复杂的地带，对焊工的操作水平要求相对降低。

2）焊接质量好

纤维素焊条下向打底焊时，焊缝处于短路过渡伴随着小熔滴颗粒过渡，成形的焊缝熔深大、敏感性小，焊缝背侧成形美观、饱满，焊缝探伤一次合格率较高，减少焊缝返修工作量。

3）焊接效率高

纤维素下向焊与传统手工电弧焊操作基本一致，焊接手法易掌握，难度较小、焊接速度快；药芯焊丝半自动填充时设备送丝连续，金属熔敷量大，填充层数少，焊接接头少，焊接效率高，约为手工电弧焊的2～4倍[5]。

4）焊条损耗低

纤维素焊条下向焊与传统的由下向上焊接方法相比，焊条消耗量减少20%～30%。

综上，虽然下向焊条价格高，需要专用焊机，但施工成本、生产效率和质量控制方面更有优势，适宜在本工程应用。

3.3 可焊性分析

根据钢管取样化学成分检测报告（表1），纤维素焊条选用E6010（AWS A5.1），φ3.2 mm，药芯焊丝选用E71T8-K6（AWS A5.29），焊缝中熔敷金属化学成分见表2。

表1 钢管化学成分Table 1 Chemical composition of steel pipe material%

表2 熔敷金属化学成分Table 2 Chemical composition of deposited metal%

根据国际焊接学会推荐的碳当量Ce计算公式，该管道具有较好的可焊性，选择的焊条、焊丝与母材匹配。

3.4 管道焊接

3.4.1 焊接材料及设备

焊接设备采用DC-400直流电焊机和LN-23P送丝机，通过工艺试验确定相关焊接参数。

3.4.2 打底焊（根焊）

焊接时由2名焊工在管道两侧4个点位同步自上而下定位焊，焊缝长度15 cm。完成定位焊后，2名焊工再从管道顶部12点钟和4点钟方向，自上而下对称施焊，见图4。

图4 焊接次序图Fig.4 Welding sequence

3.4.3 药芯半自动填充、盖面

填充及盖面由底部向上部施焊。填充时，每相邻焊道间的焊接接头应错开30 mm以上[6]；焊药填充高度不宜过高，一般宜低于母材高度1 mm左右。盖面时根据母材间隙适当调整摆动幅度，以保证母材充分熔合，焊缝美观，余高0～2 mm。

4 整体吊装

4.1 管道吊装工艺选择

管道安装工程中，一般是将管道逐根吊装到管沟就位，在沟内组装管道、焊接，连接成系统，边坡支护时间长，沟槽排水降水时间较长，潮湿环境对焊缝成形造成不良影响，管道基础易受扰动，施工效率降低，基坑作业存在安全风险。

将管道在沟顶附近组对、焊接，连接成数百米的管段，大大减少地下水的影响，保证焊缝质量，提高焊接效率，减少触电风险，缩短沟槽晾晒时间、保证回填质量。利用管道的弹性变形，将连接成整体的管道用多台起重设备分段依次吊装，直到管道整体落到沟槽就位。

由于工程所在地无专用吊管机，调遣费和租赁费高，组织难度很大。经过研究和论证，决定采用多台履带吊联合吊装管道，以满足现场作业需求。

4.2 整体吊装分析

由于整体吊装过程管道状态较复杂，国内外文献未见更详细的计算方法，采用简化计算和现场吊装试验的方法，确定具体施工方案。

简化计算方法中，许用应力[σ]=σ/2（σ为屈服强度），计算管道弯曲半径和允许最大移动距离。通过计算，管道的允许最大移动距离满足变形要求。

考虑吊车和管道处于最不利位置，吊装过程管道处于弯曲状态。根据计算结果，使用50 t履带吊（或50 t汽车吊），作业半径10 m，方案具有可行性。

另外，管道向沟内吊装移动时，管道水平方向对吊机施加的弹性阻力力矩，与管道重力作用于吊机的倾覆力矩方向相反，一定程度上增加了吊车的稳定性和可靠性。吊装过程中，同样也要观察管道产生的反向水平弹力，防止反向倾覆力矩过大。

4.3 管道整体吊装

4.3.1 现场布置

根据施工现场管道组装和就位位置，布置吊装设备和管道移动量，见图5。

图5 管道吊装图Fig.5 Drawing of pipeline hoisting

使用8台吊机起吊，另备用1台，单次吊装管道长度120 m，吊车间距15 m，见图6。

图6 管道吊装吊车布置图（m）Fig.6 Overall layout of crane for pipeline hoisting（m）

4.3.2 现场准备

路面处理平整坚实，保证车辆安全行驶和顺畅移动；清理平整沟底，测量复核标高，确保管道安装位置和标高准确。

4.3.3 锁固直管段

管道吊装时，120 m以外的直管段受吊装管道弹性变形力影响具有向沟槽滑动的趋向，布置3台挖掘机锁固直管段，避免产生滑动失稳。

4.3.4 管道外护层保护

使用宽度为300 mm、承载力20 t吊带吊装，减少单位面积上的压力，禁止使用钢丝绳吊装直接接触管道保护层。

在吊装过程中，与沟槽边缘钢板桩接触部位设置木板作为保护垫。

4.3.5 吊装

吊车与挖掘机全部驻位之后，吊装管道抬起20 cm，稳定30 s，检查管道、挖掘机与吊车是否有异常。

水平位移管道，将端头管道的轴线逐步吊装至安装中心线正上方。吊装过程中，相邻两吊点间轴线水平方向偏离距离小于0.64 m。

管道缓慢下降，相邻两吊点间轴线竖直偏离高度小于0.71 m。

管道起始段着地调整至设计位置，第1台吊车可以松开吊具，向后移车120 m至距第8台吊车15 m的位置吊装管道。吊车承重后，挖掘机陆续向后移动15 m到新位置，继续整体吊装管道，见图7。

图7 整体吊装现场施工Fig.7 Site construction photo of overall hoisting

5 管道电预热

5.1 管道预热方式

管口焊缝经探伤合格、完成接头保温，进行管道预热。管道预热处理的方法常用水预热或风预热，本次施工采用了电预热技术，把钢管母材直接作为负载电阻，通入电流进行加热钢管到设计温度。

5.2 管道电预热

电预热设备有1 200 kW发电机、高频开关电加热整流单台电源设备和电缆等。

单次预热管道960 m，在预热段的始端和末端上半圆弧均匀地焊接螺栓M16×50，螺栓间距50 mm，用于连接电缆，见图8。

图8 电预热接线图Fig.8 Wiring diagram of electric preheating

加热输出电压控制在36 V以下，控制温升速度小于5℃/h，管道整体温度达到65℃时保持恒温状态，开始分层回填，分层夯实，将管道受热工作状态产生的膨胀变形提前部分释放，降低管道的轴向力，减少管道滑动位移量。

6 结语

工程采用下向焊焊接的焊缝共计656道，焊缝经射线探伤检测，一次合格642道，合格率为97.9%，Ⅰ级片率在96%以上。

管道经过2.4 MPa压力试验，试验过程管道稳定无泄漏；试运行期间工作状态稳定，管道随即投入使用。

通过工程分析和实践表明，采用管道沟外连接、纤维素焊条下向焊、药芯焊丝半自动下向焊接、超长段整体吊装和电预热技术，为操作工人改善了作业环境，加快了工程进度，保证了工程质量，达到预期目标，满足供热系统按时投入使用的要求，在类似的工程中具有推广价值。