长距离、大口径给水钢管焊接方法分析研究

长距离、大口径给水钢管焊接方法分析研究

张爱霖1 王浩2

云南建投第二水利水电建设有限公司   云南   昆明 650000

摘要：给水管道安装施工中，焊接是关键节点工作，焊接方法的选择直接影响工程质量、成本、安全，手工焊、自动焊、人机结合-半自动焊等焊接方法中，选择时，需结合项目环境特点、现场施工条件、工程规模等因素进行技术经济分析，本文以新疆博州阿拉山口供水管网复线建设项目为背景，通过技术经济比较，择优采用人机结合-半自动焊焊接方式，提高焊接质量、加快焊接进度、节省焊接成本，对人机结合-半自动焊方法选择及施工技术给出分析论证。

关键词：长距离、大口径给水钢管；人机结合-半自动焊；技术经济分析；施工技术

0引言

焊接连接是金属结构工程、管道安装工程中常用的施工技术，阿拉山口供水管网复线建设项目设计管径1m，长度46.69km，采用涂塑钢管、焊接连接。新疆昼夜温差大，博州常年7级以上大风，施工环境对焊接质量要求高，管道距离长，有效施工周期短，工期紧张，施工期内白天平均气温35度，为此，展开对长距离、大口径管道焊接方法分析研究。

目前，常用的焊接方法主要有常规手工焊、自动焊，通过对施工现场环境、条件调查，结合现场手工焊、自动焊、人机结合-半自动焊的试焊工艺对比，以及技术经济分析，发现采用人机结合-半自动焊工艺能显著提高生产效率，节省人工。采用手工氩弧焊打底、自动焊填充盖面，保障焊接质量的同时，又能提高焊接速度。

1工程概况

  阿拉山口供水管网复线建设项目位于新疆博州，设计管径1m，管材为涂塑钢管、焊接连接，长度46.69km，管道设计流量1.2km3/s、压力2.3MPa。Q235C涂塑钢管，壁厚8~12mm，每根钢管长度12m，出厂前已做内涂塑、外防腐，且管口已做坡口。管线附属有排气阀、排泥阀、弯头、三通等需要焊接。焊接工序不仅是质量控制的主控项目，也是进度控制的关键线路，其质量、进度是整个工程的焦点，如何保障，成为项目部首要考虑的问题。

2焊接施工

2.1焊接工艺流程

管材进场沿沟槽边安全距离外布管，布管时，一要堆放稳固、在边坡安全距离以外，底部用土堆垒高成支座，防止全部接触地面、滑动而破坏防腐层，二要间距得当，减少下一步工序二次搬运。

布管完成后紧接着就是管道对接，对接前用砂轮机打磨坡口，消除坡口上的毛刺、锈蚀等杂物。对接质量直接影响焊接质量中的错变量、咬边、焊瘤，对接时用25吨吊车起吊一根管，与水平放置的另一根管对接，使用对管器对接，反复调整对管器加固螺栓、辅以吊车配合，直至环向间隙均匀、且宽度为3-5，对接完成后，立即施作定位焊，定位焊以临时固定管材、保证对口间隙，定位焊应对称进行，防止在焊接时产生热量及施工碰撞导致间隙增大。

  管道定位焊完成，拆除对管器，用抹布再次清除对接部位杂物，确保焊接位置干净，施焊分三个步骤：打底焊、填充焊、盖面焊。可选择自动焊、手工焊、人机结合-半自动焊三者之一，现场首先进行自动焊试焊打底，打底成形后进行外观检查，发现焊瘤、未焊透和凹陷等缺陷，焊接质量不均匀、质量不合格，显然采用完全自动焊方式不符合质量要求。现场又进行了全部采用手工焊接，为解决热量过高导致管材变形的弊端，打底采用氩弧焊，填充盖面普通焊，焊接质量良好，符合验收标准，但焊接速度较慢，每一焊工一工日打底焊接能完成5道，填充、盖面能完成3道。现场试焊转变思路，采用手工氩弧焊打底，填充和盖面采用自动焊接，得出结论是：自动焊机每一台班能完成填充、盖面焊5道焊缝，自动焊可实现填充、盖面一次成形，既可初步组成一个焊工班组，由一名焊工打底，另一名焊工操作自动焊机，每天能完成5道焊逢，每根管道长度12米，则人机结合-半自动焊方式每天焊接完成72米管道。自动焊机一次投入成本高，是否适用，需进行经济分析。

图3  焊接工艺流程图   

2.2焊接方法分析

我们从2.1中得出适用于本工程的焊接方法主要有手工焊、人机结合-半自动焊两种，手工焊投入焊工较多，对于施工期间日均气温35度的新疆而言，劳动强度大，安全风险增加，因为在酷热的天气下施工，工人容易中暑，增加了遮阳棚、防暑药水等防暑措施成本，劳动条件有限的环境下施工，工人操作技能也受到一定影响，焊工技能水平参差不齐，焊接质量不易把握。采用人机结合-半自动焊方法，明显提高施工进度，施工进度提高、直接成本增加，但间接成本减少，进度之利弊需具体分析，但进度提高，能得到业主部门认可，具有一定的政治意义。

自动焊机底部有滑轮，可根据管径大小灵活调整，需要移动时，由一人推动即可，使用方便，操作自动焊机只需半熟练焊工，加快焊接进度的同时，可节省焊工。自动焊机沿底部轨道匀速滑行，焊接均匀，焊缝外观质量得到提升，焊缝无损探伤检测合格率100%。自动焊焊缝均匀，与手工焊相比，消除了仰焊造成的质量诟病。填充和盖面焊接一次成型，能及早为下一工序提供工作面，减少窝工。

自动焊打破了焊接时焊工紧盯焊口的传统操作，焊工只需偶尔关注或异常关注，也可听声音来辨别焊接是否正常，使用安全，一定程度上减少焊工眼睛灼伤。

钢管每根12m长，重2.4吨，系每米0.2吨，根据《2002版水利工程概预算定额》查得钢管安装每吨消耗27个台时，根据管道安装综合单价拆分得每米安装费为728.79元，因自动焊机节省人工成本，我们可将焊机台班费作为固定成本，人工消耗作为可变成本，对比自动焊和手工焊成本。

手工焊每米固定成本：27*31.9*0.2=172.26元，自动焊每米固定成本：27*43.18*0.2=233.17元。

                  表一  施工机械台时(班)费计算表

根据现场试焊，手工焊组合为打底焊1人、填充和盖面1人，手工焊每2个工日完成3道焊缝（48m），系每米消耗0.33工时。自动焊打底1人、操作焊机1人，每工日完成5道焊缝（72m），系每米消耗0.11工时，拟定工时价50元/小时。人机结合-半自动焊特点主要是固定成本高，变动成本低，我们已拟定固定成本，拟定焊接x米，根据前述，可变成本：手工焊=0.33*50x=16.5x，人机结合-半自动焊=0.11*50x=5.5x。

根据上述条件，我们采用边际成本进行分析，以寻求成本受工程量影响程度，手工焊F1=172.26+16.5x，人机结合-半自动焊F2=233.17+5.5x，当F1=F2时，x解得5.54m，既当工程量为5.54m时，两种焊接方法成本相等，可选用其中之一进行施焊。借助如下函数图进行分析，从图中可得出：

①当工程量小于5.54m时，F2函数大于F1，既选用手动焊接成本小于人机结合-半自动焊，宜选用手动焊；

②当工程量大于5.54m时，F2函数小于F1，既选用手动焊接成本大于人机结合-半自动焊，宜选用人机结合-半自动焊；

③本工程管道长度46.69km，大于5.54m，宜选用人机结合-半自动焊，采用该焊接方法可节省成本：F2减F1，233.17+5.5*46690减172.26+16.5*46690等于102.72万元，成本的减少既利润的增加，既可增加102.72万元利润。

3焊接技术

前述已对人机结合-半自动焊焊接工艺进行技术经济分析，采用该焊接方法，从质量保障、成本节约、加快进度等方面都优于手工焊。

3.1焊接准备

  焊接前进行设备及组件连接，检查电源连接牢固，气瓶安装稳固。根据焊接管道的尺寸选择合适轨道并通过拉紧螺丝固定于焊道 一侧，以安装距轨道一侧坡口边缘150mm为宜，且安装稳固。调整边轮角度，使用夹紧手柄将焊接小车固定在轨道上。控制电缆与焊机、小车、遥控器连接并拧紧，将焊枪固定于焊接小车夹持器上并压紧，同时将焊枪导线通过扎带固定于小车手柄上。通电后通过遥控器摇杆检查焊接方向是否正确，根据焊层调整焊枪与焊接方向夹角。

3.2焊接步骤

  ①手工焊进行打底焊接，打底完成后冷却，随即安装自动焊接；

  ②将焊丝提前装入焊枪，焊丝与焊口夹角45度为宜，于管道一侧安装，摆幅以5mm为宜，通过摆宽旋钮调整；

  ③为达到最佳焊接效果，现场可根据管道坡口、管道角度位置等进行调整，电流、电压、焊接厚度、摆宽等参数进行调整，通过摇杆适时调整电弧每侧摆动宽度直至焊接完成。

3.3焊接要求

焊接坡口间隙要求控制在3-5mm，焊接保护气体为混合气（80%CO2 20%Ar），焊丝直径1.2mm规格的实芯焊丝，焊接电流150A。

焊道预热，由于新疆温差大，上午和下午温差相比较大，焊缝容易产生脆裂现象，脆裂是由于温差大导致焊道受温度应力影响，为消除这一影响，在施焊前进行母材预热。

风速大于8m/s、相对湿度大于90%、雨雪天气时严禁焊接作业，管道焊缝应连续一次焊完，相连两焊缝起点位置应错开。

焊接完成后防腐前，应对焊缝进行外观打磨，清除焊渣、飞溅物，做到表面光滑平整、平滑过度。打磨完成即可对焊缝进行探伤检测，合格后立即进行外防腐施工。

4结语

阿拉山口供水管网复线项目，四十多公里管道焊接，通过采取人机结合-半自动焊接方法，在项目部精心组织下，历时6个月时间管道得以贯通，比合同工期提前3个月，同时节省直接成本100多万，得益于焊接方法的高效组合，本文从技术经济角度分析出人机结合-半自动焊接方法，不仅质量能得到保障，而且可以加快施工进度，节省成本，在分析中，首先满足质量要求，不同方法逐项对比，最后进行经济分析，经济分析中主要进行成本对比，同时兼顾分析了工程量大小对施工方法的影响。从手工焊、自动焊两种焊接方法中找到人机结合-半自动焊的最优组合，在焊接工程量大的建设工程领域具有较高的借鉴意义。

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