大直径电站钢管整体卷制新技术的研究与应用

摘要：通过对大直径电站钢管整体卷制技术研究，针对制造过程中超长钢板组对、翻身、输送、焊接、整体卷制、钢管抓取等工序过程，研制了一组辅助成套设备。在无需起吊设备辅助情况下，该成套设备实现了电站大直径钢管从钢板组对、翻身输送、纵缝焊接、整体卷制到校圆等各工序的一次性整体卷制成型，实现机械化流水线作业。经积石峡水电站压力钢管制造工程应用证明，整体卷制新技术高效、安全、可靠，适宜多种规格钢管电站压力钢管制造生产。
Abstract: A set of auxiliary equipment has been developed, through technical research of integrated rolling of the large-diameter penstockfor powerplant, aimed to assembly steel plate with overlength and working procedure, such as steel pipe turning over, convey, welding, integrated rolling, grabbing and so on, in order to solve the issues, such as simple workmanship process for traditional hydropower penstock, inconvenient safety production with large scale. The complete set of equipment may achieve large diameter steel pipe one-time rolling and forming, from steel pipe assembly, turning over, longitudinal joint welding, integrated rolling to alignment eventually, without the assistant of lifting equipment, and therefore realize mechanized assembly line operations. JishixiaHydropower station witnessespenstock manufacturing of integrated rolling with high efficiency, safety and stability; and suitable for penstock manufacturing for hydropower plant with a variety of specification steel pipes.
关键词：电站钢管；整体卷制；成套设备；研制
Keywords: penstock;integrated rolling; complete set of equipment; development
中图分类号：TV547.2    文献标志码：A  
0 引言
积石峡水电站(见图1)位于青海省循化县，水库正常蓄水位位1 856 m，最大坝高103 m，总库容2.94×10⁸ m³，最大发电水头73 m，总装机1 020 MW，保证出力332.3 MW，多年平均发电量33.63×10⁸ kW•h。电站压力钢管采用一机一管的布置方式，为直接敷设在地基上的钢衬钢筋混凝土管道，单机应用流量579.76 m³/s，钢管直径11.5 m，外包混凝土厚2 m，混凝土标号C25。三条钢管呈放射形布置，长度分别为253.4 m、250.5 m、248.7 m。钢管由上平段、上弯段、斜直段、下弯段和下平段组成。正常蓄水位包括水锤压力在内的作用水头约105 m，HD值1 207.5 m²。钢管大部分采用Q345C低合金钢，厚度为24 mm~30 mm，在垫层管部位采用了国产WDB620C高强度钢材，厚度为30 mm。
基于电站压力钢管整体卷制工艺^[1]，我们研究开发了一组整体卷制成套辅助设备，并在其支持下实现了电站压力钢管整体卷制生产线作业，该电站钢管整体卷制新技术的应用在国内尚属首次。在该成套设备新技术辅助下，大大提高了大直径电站引水钢管现场生产的机械自动化操作程度，降低了工人劳动强度，降低了安全生产风险，提高了钢管厂单位产能。
1 钢管整体卷制工艺比较与分析
传统电站钢管制造流程为瓦片两端预弯、单块瓦片卷制成型、瓦片组圆、钢管纵缝焊接、纵缝焊接变形机械矫正、钢管调圆，每道工序环节都得起重设备配合作业，效率低下。
电站钢管整体卷制工艺技术就是将钢管节展开长度所需的若干张钢板在平台上平面对接，焊接成型后，通过卷板机一次卷圆成型。通过改纵缝立焊为平焊，管口平面度控制为钢板对接直线度控制等有效提高了电站钢管制造效率和质量。在李家峡水电站工程中，开发的“钢管整体卷制工艺”成果，从工艺方法上取得了重大突破，但在辅助设备手段上还存在很大欠缺，工装设备简陋，稳定性较差，不利于规模安全生产。
卷制新技术的研究与应用正是基于电站压力钢管整体卷制工艺，针对制造过程中超长钢板组对、翻身、输送、焊接、整体卷制、钢管抓取等工序过程难点开展研究与应用，通过成套辅助设备的支持实现电站大型钢管整体卷制机械化流水线作业，并对钢管纵缝卷制前后的压力状态作了深入研究。
整卷工艺流程如下：
①钢板在专用刚平台对接→②钢板正面埋弧自动焊接→③采用组合翻板机翻身→④钢板反面埋弧自动焊焊接→⑤钢板平移输送（通过组合平移输送机）→⑥钢管卷制输送系统（3组主驱动+4组从动输送辊组）→⑦钢管卷制（采用专用辅助支撑装置配合卷板机作业）→⑧在卷板机上合拢对缝→⑨完成合拢纵缝焊接→⑩机上校圆→⑾抓梁提取钢管并翻身平置→后续工序。其主要创新在于实现了从工序①到工序⑩在成套设备支持下，全过程无需起吊设备实现机械化流水线作业，生产过程安全可靠性高、效率高、个人劳动强度低、产品质量有保障。
2 成套辅助设备的研制
以“巨型钢管整体卷制工艺”为理论基础，结合巨型钢管整体卷制过程控制中需要解决的支撑、翻身、吊装、变形等结构控制、安全控制、生产连续性等问题，研制了一组成套辅助设备用以辅助大型钢管整体卷制工作，并使之衔接连续生产。
2.1 项目基础条件
积石峡水电站压力钢管制造工程，单节钢管节长2 m，管径11.5 m，每节钢管采用3张钢板对接组成，总工程量达6 500 t余，预计安装最高峰月计划700 t~800 t。但现场制造场地小、不容许大量存放。按照传统瓦片组圆工艺生产则难以满足电站建设需求。大直径钢管制造自动化生产线成套设备的研制，将更好地改善上述情况，该成套设备必须满足下列要求：
a) 满足最大翻板规格：板厚16 mm～50 mm，2.5 m×36 m的超长钢板翻身；
b) 整体卷制钢管规格：成套设备适用卷制钢管直径φ7 m ～φ14 m，节长≤3 m钢管整体卷制成型；
c) 最大卷制单节钢管重量：30 000 kg。
2.2 成套辅助设备组成
基于整体卷制工艺流程设计，钢管整体卷制成套辅助设备由钢板对接组焊平台、组合钢板翻身机构、组合顶升横向输送机构、纵向输送机构、整体卷制支撑机构、钢管抓梁、液压控制系统等主要部分组成
a) 钢板对接组焊平台。该平台做为钢管展开所需若干张钢板长度对接、纵缝埋弧自动焊焊接等作业。在焊接位置设置回转遮阳篷及焊接工作台；
b) 组合钢板翻身机构，实现各种规格超长钢板的翻身工作。翻身后的钢板位于横向顶升机构上方；钢板翻身机构可以根据对接钢板长度调整；
c) 组合顶升横向输送机构，在钢板翻身焊接完成后整体抬升钢板实现超长钢板的横向输送，横向输送到纵向进给装置上。纵向输送机构向卷板机进给组队焊接好的待卷制钢板；
d) 整体卷制支撑机构，配合卷板机作业实现大直径钢管的整体卷制成型。整体支撑结构根据钢管整体卷制各个阶段的重心位移、自重变形情况，通过液压控制的四连杆滚轮支撑装置辅助卷制，防止钢管重力下塌变形。并在该支撑钢架上设置回转式悬臂吊辅助完成合龙纵缝的对接，在钢架上方设置一电动可升降焊接平台，以满足合龙纵缝的埋弧自动焊接需要。该支撑机构，使大型钢管在卷制的各个阶段均处于支撑状态，不因钢板重力作用发生变形、失圆现象。并在钢架的支撑作用下实现钢管纵缝的合拢、焊接及机上校圆工序。改变传统工艺主要依靠门机设备在卷制过程中简易支撑形式；
e) 钢管抓梁，通过起吊设备配合起吊，实现将钢管从卷板机取出放平置。保证大型钢管在调运、放倒过程中不因重力、起吊、翻身动作不平稳等因素产生失圆、变形。同时在钢管焊接加紧环中能轻易实现钢管的翻身动作，将加紧环的仰角焊缝转为平角焊缝，从而易于实现全自动焊接小车的应用；
f)液压控制系统。该成套设备钢板翻身机构、横向顶升结构及卷制支撑机构均采用液压系统控制，实现各机械辅助设备的自动化控制。
通过上述成套辅助设备的组合支持实现了电站大直径钢管的一次性整体卷制成型(见图2)：大直径钢管制作工序中钢板组对、翻身输送、纵缝焊接、整体卷制、校圆等工序过程在成套辅助设备支持下，全工序过程中采用液压操作台集中控制,无需起吊设备实现机械化流水线作业。
3 焊接变形与应力
通过对Q345-C对接钢板在整体卷制前后的焊缝、热影响区及母材的机械性能进行对比试验，对其微观组织以及残余应力进行测试分析。电站大直径引水压力钢管由钢板采用埋弧自动焊焊接组对后再进行整体卷制成型的焊缝机械性能满足相关规范要求，焊缝卷制前后的微观组织无明显区别，残余应力分布状态在卷制后得到改善^[2]。
4 结论
整体卷制新技术的应用最大限度实现大直径压力钢管的自动化焊接，提高了焊接效率，压缩了单节钢管制造的直线工期。使大批量钢管制造自动化操作程度得到大大提高，安全系数提高，节约了设备资源。大幅提高了电站钢管制造的机械化程度，降低工人劳动强度，提高钢管厂产能和机械设备利用率，形成高效的大直径钢管自动化流水生产线，真正实现了压力钢管制造从钢板组对、卷制、焊接等流水线工序的全自动化操作。该技术的应用打破了传统的工艺技术辅助手段的制约，节约大量的人力、物力资源，大大降低了工人的劳动强度，提高了工效，并大大提高了安全作业系数。
该成套设备在黄河积石峡水电站钢管制造工程中的应用，填补了国内大型压力钢管现场整体卷制机械自动化生产线的空白，取得了良好的社会效益和经济效益，为同类型电站大直径钢管的现场生产提供了参考借鉴，在同类型工程中应用前景广阔。
参考文献：
[1]李忠保,田满宏,陈怡勇.李家峡水电站压力钢管整体卷制的新工艺[J].水力发电,1997,06:59-60.
[2]谢小平,席  浩,张阳勇.电站引水压力钢管整体卷制对焊接接头性能的影响[J].焊接技术,2008,37(04):63-65.


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