百万机组中低压管道工厂化预制施工工法

王殿波

中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司  山东 济南 250102

摘要：随着现代火力发电厂机组参数、容量不断提高，中低压管道现场安装焊接工作量大幅增加，以及对焊接质量越来越重视，百万机组中低压管道实现工厂化预制越来越迫切。为达到工厂化预制水平，焊接生产过程的机械化和自动化，在火力发电厂中低压管道焊接中显得尤为重要。传统手工焊接方法效率低、成本高、耗时长、易产生缺陷，严重制约现场施工进度。因此，公司组织研发人员开展了百万机组中低压管道实现工厂化预制技术研究；通过运用BIM三维技术对焊口自动焊过程、焊接参数、环境因素进行模拟，专用装置的研制，工艺、性能实验，控制各项参数，优化施工工序，在保证焊接质量的同时，加快了管道焊接速度，实现了百万机组中低压管道工厂化预制，经过研发人员的归纳总结形成本工法。本工法已在深能（河源）电厂2×1000MW燃煤发电机组工程4号机组、内蒙古长城发电有限公司上海庙煤电项目2×1000MW超超临界空冷机组发电工程2号机组工程施工中成功应用，显著缩短了工期，提高了施工效率，保证焊接质量，节约了工程成本，同时也为自动焊技术在火力发电厂中低压管道焊接应用领域提供了技术支持、积累了施工经验，顺应科技发展趋势，具有显著的经济社会效益。

关键词：百万机组；低压管道；工厂化预制施工工法

基于该项目，本工法应用专利 “一种厚壁管道专用对口器”（专利号ZL201721327051.0）、“管道埋弧焊防焊剂脱落装置”（专利号ZL201610324818.8）、“一种管道埋弧焊测温装置”（专利号ZL201720525020.X）、“大径厚壁合金钢管道层间温度自动控制装置”（专利号CN201821578729.7）、“管道对接错折口焊缝检验尺”（专利号ZL201720567077.6）。

1工法特点

1.1百万机组中低压管道实现工厂化预制技术将BIM三维技术应用在电站大口径管道焊接施工中，实现了大口径中低压管道焊接施工的数字化、信息化，进一步提高焊接施工质量和效率。

1.2在电厂施工预制现场采用全自动焊接技术，形成了一套适应性强的自动焊流水线施工工艺，提高了施工效率及焊接质量，缩短了施工工期，节约了施工成本。

1.3 设计制作了一款小型可移动龙门吊装置，便于管道在自动焊支座的吊装，实现了机械化装卸要求，显著提高了施工效率，减少了人工消耗。

2 适用范围

本工法适用于电站、石油化工中大径管道现场组合及安装施工。

3工艺原理

3.1BIM三维技术模型的使用

本项目在实际研究过程中引用BIM三维建模技术，以焊件材质，规格（管径壁厚），管道转动速度，焊接电压、电流、线能量、速度、热输入等工艺参数，环境影响因素（风速）等各种对自动焊接过程起主要影响因素的参数为模型基础，建立中大径管道自动焊接模型，模拟管道自动焊接全过程。焊接时，操作人员只需改编参数的值，计算机会自动产生新的3D图，不需要手动去做修正。通过输入各种影响因素不同参数来进行模拟，建立本项目研究大数据库，以此来实现本项目研究的数据化、信息化。

3.2GTAW+SAW组合的固定位置自动焊接工艺

埋弧自动焊技术（SAW）是一种电弧在焊剂层之下进行燃烧从而进行机械焊接的技术，其焊接时，引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程完全由机械来完成，同时埋弧自动焊具有焊接质量稳定、焊接生产率高、弧光及烟尘极少特点。

3.3 GTAW+GMAW组合的全位置自动焊接工艺

全位置自动焊接技术-CO2气体保护自动焊接是一种熔化极气体保护电弧焊接方法，它利用焊丝与工件之间产生的电弧来熔化金属，由CO2气体作为保护气体。CO2气体保护自动焊接是其送丝、气体保护、引弧、焊接、摆动过程完全机械化完成，其具有成本低、效率高、热输入小、抗锈能力强等特点，且引起明弧燃烧宜与观察调整，操作简单；但由于其焊接时热输入小熔深浅、飞溅大等特点，进行根部打底时宜产生缺陷，因此对于火力发电厂中低压管道对根部焊接质量及洁净化施工要求严格情况下，CO2气体保护自动焊接技术不适用于根部打底焊接，因此采用GTAW+GMAW组合的全位置自动焊接工艺。在使用CO2气体保护自动焊接技术前管道根部采用手工钨极氩弧焊进行根部打底封口焊接，然后用其进行填充盖面，在获得高质量焊接接头同时又提高效率。

4施工工艺流程及操作要点

4.1操作要点

4.1.1施工前准备

1  专用装置的制作

1） 为减少焊口组对给自动焊施工时带来的影响，对施工中所用中大径管道专用对口器进行调制，确保其精度。

设计制作自动焊专用小型施工车间及防风防雨棚，减少外界环境影响。

3）  制作管道自动焊电加热预热装置，能够在焊接持续进行加热及测温，确保管道焊接所需预热温度。

4）  设计制作小型可移动龙门吊装置，便于管道自行吊装运输。

5）  根据自动焊施工工序，将涉及到设备设施集中摆放，优化摆放，一套适应性强的自动焊施工流水线。

2  焊接工艺卡制作

根据焊接工艺评定，结合现场焊接方法、管道规格尺寸、材质等制作焊接工艺卡。

3  施工方案编制

通过搜集、查阅、整理国内外相关资料以及施工设计图纸等，编制完善电站中大径管道自动焊焊接施工方案并经过审批后执行。

4  技术交底

管理人员具有丰富的焊接施工管理经验；焊工都必须具有合格有效的资质证件，并经培训、模拟练习合格后方可上岗；施工前所有人员必须经过安全技术交底。

4.1.2焊前准备

1  做好焊前工器具准备，焊接选用性能良好的逆变式焊机、埋弧自动焊机、CO2气体保护自动焊机，布置好焊接机具、集中布线和供保护气体装置，便于集约高效的利用机具、保护气体，测量器具经校验合格并在有效期内。

2  埋弧自动焊机、CO2气体保护自动焊机因涉及部件、机构复杂，焊前需进行调试，确保自动焊机性能稳定，调试时严禁在待焊管件实验。

3  焊剂使用前按照材质证明书要求进行烘焙；焊丝使用前进行检查确保其表面无油、锈、漆、垢等。

4  氩弧焊打底使用的氩气、二氧化碳气体保护自动焊机所使用的混合气体（80%CO2+20%Ar）需经过测试，确保气体纯度满足焊接要求，且二氧化碳气体保护自动焊机所使用的混合气体使用时其出口处需加装气体加热器。

5  具有相应项目合格证的焊工到位，进行岗前考试，经无损检测合格后，方可持证上岗。

6  根据工艺评定选择合适焊接工艺参数，并制作焊接工艺卡张贴现场用于指导现场施工，本工法以碳钢(20G)GTAW+GMAW焊接工艺、低合金钢(12Cr1MoVG)GTAW+SAW焊接工艺、不锈钢(06Cr19Ni10)GTAW+SAW焊接工艺为例。

7  埋弧焊机机头偏移量调节。管道进行埋弧自动焊时，其焊机机头位于为平焊位置，由于管子的不断旋转所产生的离心力，会使熔化的焊剂和熔池金属有离开电弧燃烧区的倾向，因此管道埋弧自动焊时，焊丝的位置应设置偏离平焊中心30mm～50mm偏移量，使熔池旋转到中心位置时正好凝固，达到最佳的焊接效果。

8  CO2气体保护自动焊机机头需调整至坡口正中心位置，且提前对机头摆动幅度设置进行试验（控制在坡口宽度加2mm），因CO2气体保护自动焊机为全位置焊接，其机头设备固定在爬动小车上，使用时必须加装防坠锁链，且保证锁链不影响小车移动。

4.2坡口制备及焊件组对

1  焊缝坡口应该按照设计文件和图纸的规定进行加工，如无规定时，焊缝坡口尺寸应该按照能保证焊接质量、填充金属量少、减少焊接应力和变形；坡口加工制备宜采用机械加工，如采用等离子或热切割加工时应预留出5mm加工余量，切割完成后应将表面氧化皮、熔渣等清理干净。

2  坡口内外及母材20mm范围内应无重皮、撕裂、气孔、砂眼、坡口破损及毛刺等缺陷，如果发现重大缺陷应逐级上报，采取有效措施进行处理。

3  焊件组对前将坡口表面及附近母材油、垢、漆、锈清理干净，直至发出金属光泽，清理范围为：坡口每侧各为15mm~20mm。

4  采用专用对口器进行组对，管子组对时要做到内壁齐平，局部错口值不超过壁厚10%，且不大于1mm。

5  定位焊必须由合格焊工施工，焊接材料、焊接工艺等与正式施焊时相同；定位焊时夹具应固定牢靠，以防定位焊时夹具松动出现错口、折口现象。

6  定位焊过程中或焊后严禁采取锤击、敲打等强外力进行校正，以防出现裂纹；且定位焊完成后应仔细检查各个定位点质量，如有缺陷及时清除，重新进行定位点固。

4.3焊前预热

1  按照规程规范要求，对需要进行焊前预热管道进行火焰预热或电加热预热.

焊缝为中心两侧不少于50mm,使用测温笔或红外线测温仪进行测温、控温。

3  采用电加热器方法进行预热时，使用连续电加热预热及测温装置进行加热及测温，将电阻陶瓷加热器及热电偶与热处理机连接。

4.4氩弧焊打底（GTAW）焊接

焊件打底采用钨极氩弧焊（GTAW）打底，打底时根部焊道厚度不小于3mm，氩弧焊打底应确保根部熔透,与坡口边缘熔合良好圆滑过渡；通过坡口间隙，相互观察背面焊缝质量，发现问题应立即停止焊接，去除缺陷，确认无缺陷后再进行施焊；根部焊缝接头时，为防止出现未熔合，宜用磨光机将接头处打磨出斜坡。

4.5埋弧自动焊（SAW）填充、盖面

1  按启动按扭，此时焊丝上抽，接着焊丝自动变为下送与工件接触摩擦并引

起电弧，以保证电弧正常燃烧，焊接工作正常进行。

2  埋弧焊填充前，对钨极氩弧焊打底层进行仔细检查清理，必要时采用机械打磨，确保无缺陷。

3  埋弧焊机头固定牢固，以防在焊接过程中焊道走偏；因管道是靠上下滚轮夹持转动，管道在放入埋弧焊机操作台时确保其不偏斜。

4  根据BIM三维模拟技术及工艺评定报告焊接参数，严格控制焊接热输入；多层多道焊接时严格控制每层宽度及厚度（宽度小于焊丝直径5倍，其厚度小于焊丝直径加2mm）。

5  引弧时，焊丝紧密接触待焊处表面，熄弧时，与起弧部位交叉15mm～20mm后再熄弧，接头部位应提前清除焊渣，焊剂堆积高度以30mm左右为宜，有利于焊缝热量散失。

6  埋弧焊分层分道焊接时，调整焊机偏转角度的同时还应调整焊丝间距，焊接1焊道时，焊丝距离坡口壁以焊丝直径为最佳2.5mm；焊接2焊道时焊丝距焊道1的距离为8mm～10mm为最宜，焊接3焊道时同焊道2一致，以此类推直至焊接另一侧坡口壁焊道时，重复焊道1操作。

7  焊接过程中注意观察焊丝是否对准焊缝中心，以防止焊偏，焊工观察的位置应与引弧的调整焊丝时的位置一样，以减少视线误差。

4.6 CO2气体保护自动焊（GMAW）填充、盖面

1  CO2气体保护自动焊填充前，对钨极氩弧焊打底层进行仔细检查清理，必要时采用机械打磨，确保无缺陷。

2  施焊前打开气瓶高压阀，将预热器打开，预热10—15分钟，预热后打开低压阀，调到所需气体流量后焊接。

3  小电流时，气体流量通常为6～15L/min；大电流时，气体流量通常为10～20L/min，并不是流量越大保护效果越好。气体流量过大时，由于保护气流的紊流度增大，反而会把外界空气卷入焊接区。

4  CO2气体保护自动焊受其熔滴过渡方式影响熔深较浅，因此焊接过程中严格控制热输入及焊接速度，每层焊道宽度及厚度（每层焊道宽度为焊丝直径5-10倍，厚度为焊丝直径3-4倍）。

5  多层多道焊接时，接头应多开10-15mm,严禁一接触起弧点时收弧。

6  焊接过程中必须随时观察电流表和电压表，并及时调整有关调节器（或按扭），使其符合所要求的焊接规范。

7  CO2气体保护自动焊盖面时，焊枪摆动宽度应由坡口边缘向外延伸1-2mm,防止摆幅较小造成咬边。

4.7 外观检查

焊接完毕后，焊工应及时进行100%自检，焊缝表面不允许出现气孔、夹渣、裂纹、咬边、飞溅等缺陷，发现缺陷及时进行打磨和修补。

4.8 焊后热处理

1  需进行焊后热处理的焊口，应在外观检查合格后进行。

2  热处理前仔细检查，禁止热处理焊缝承载外力，热处理时吊挂装置不能移动、松开或撤除。

3  热处理人员应严格按照施工方案及热处理工艺卡要求进行。

4  热处理过程中要做好相应记录。

4.9无损检验与返修

外观清理检查合格后，应按照相关规范要求进行各项检测，并及时跟踪检测结果。如有超标缺陷，采用机械方式清除缺陷后，执行返修工艺，碳钢管道同一位置的返修不能超过三次，耐热合金钢管道不能超过两次。

5材料与设备

本工法所使用的设备及工器具均检验合格，而且在检验周期内，所有材料均有质量证书。

6质量控制

为确保中低压管道自动焊焊接质量，实现高效率、高质量完成施工任务，严格执行标准规范，做好焊接施工过程控制，做到“凡事有章可循，凡事有据可查，凡事有人负责，凡事有人监督”，及时控制影响焊接质量的诸多因素，使质量管控落实到全过程之中。

6.1  质量控制标准

严格执行以下标准规范：

《火力发电厂焊接技术规程》DL/T 869-2021

《火力发电厂焊接热处理技术规程》DL/T819-2019

《火力发电厂异种钢焊接技术规程》DL/T 752-2010

《电力建设施工质量验收规程 第5部分：焊接》DL/T 5210.5-2018

《火力发电厂金属技术监督规程》DL/T438-2016

《施焊人员技术考核规程》DL/T679-2012

《承压设备焊接工艺评定 》NB/T 47014-2011

《特种设备焊接操作人员考核细则》TSG Z6002-2010

《特种设备作业人员考核规则》TSG Z6001-2019

《电力建设安全工作规程》（第1部分：火力发电厂）DL 5009.1-2014

《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ 46-2005

《焊接材料质量管理规程》JB/T 3223-2017

《火电建设项目文件收集及档案整理规范》DL/T 241-2012

《建筑工程绿色施工规范》GB/T50905-2014

6.2  质量控制措施

6.2.1  焊接前各项设备、装置调整到最佳状态。

6.2.2  所用计量仪器、仪表都必须经校验合格，并在有效期内方可使用。

6.2.3  焊材必须在经过评查合格的供应商处采购，具有相应的焊材质量证明书，质量符合国家标准或ASME标准，并按规定进行自检、复验，不合格的焊材入库。焊材保管、烘培、发放应符合管理规定要求。

6.2.4  保护气体使用前试验其保护效果，确保气体纯度符合要求。

6.2.5  钨极氩弧焊、CO2气体保护自动焊时的风速不应超过2m/s，埋弧自动焊不应超过8m/s，否则应有防风措施，如搭设防风棚、建造小型施工车间。

6.2.6  焊工、技术人员、质量检查人员均应持证上岗，焊工证件合格项必须要能覆盖此类焊接施工。

6.2.7  埋弧自动焊、CO2气体保护自动焊填充、盖面时，切忌大电流、小焊速、厚焊道的操作陋习。在满足线能量公式前提下，尽可能地采用薄焊道多层焊接，以减小焊缝的热输入量，抑制焊缝晶粒过大，提高焊缝的机械性能。

6.2.8  焊缝有超过标准的缺陷时，采取挖补的方式返修，返修时必须彻底清除缺陷，必要时委托金属实验室做PT检测，确保缺陷挖除干净。返修焊口焊接执行对应的返修工艺指导书。

7安全措施

7.1  工程安全法律法规

7.1.1  认真贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员以及工地安全用电负责人参加的安全生产管理网络，执行安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好工程的安全生产。

7.1.2  遵守《安全生产法》、《中华人民共和国特种设备安全法》、《特种设备安全监察条例》、《气瓶安全监察规程》、《中华人民共和国职业病防治法》、《电力建设安全健康与环境管理工作规定》、《电力建设安全工作规程 第1部分：火力发电》等国家和地方颁布的一切法律法规。

7.2  安全控制措施

7.2.1  焊工上岗前必须掌握焊接作业安全技术知识，并经培训教育考试合格，熟悉触电急救法、人工呼吸法等应急急救措施。施工前必须进行安全技术交底，并在交底记录上签字，严格按照安全技术交底的要求进行施工。

7.2.2  进入施工现场必须正确佩戴好安全帽，系牢下颌带，不要坐、压、挤安全帽。

7.2.3  焊接作业时，必须使用合格的防护面罩，穿好工作服，戴好电焊手套，穿绝缘鞋（防滑软底），工作服、鞋子、电焊手套等应保持干燥，如果不符合要求应及时更换。

7.2.4  手持电动工器具须经绝缘检测，使用前应检查其外观、性能等，电源接线经漏电保护器。使用人员应熟悉其操作规程，正确操作。使用金属外壳电动工器具时须戴好绝缘手套。

7.2.5  施焊现场 10m范围内应清除易燃、易爆、易腐物品，确实无法清除时，应采取可靠的隔离或防护措施。

7.2.6  用凿子、电动工器具应戴好防护眼镜，并示意他人离开，防止焊渣、飞溅等飞入眼内。

7.2.7  开关焊机要戴好绝缘手套，身体侧对开关。下班时关掉电源，消灭火种，确认无引起火灾的危险后方可离开。

7.2.8  施工区域有充足照度，施工人员要保持精神状态良好。不能到不熟悉的地方、没有安全设施或安全设施不全的区域走动、休息、睡觉、玩手机。

7.2.9  施工现场配备足够有效的消防器材。

8环保措施

8.1  相关法律法规

8.1.1  《中华人民共和国环境噪声污染防治法》

8.1.2  《中华人民共和国大气污染防治法》

8.1.3  《中华人民共和国水污染防治法》

8.1.4  《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》

8.1.5  《中华人民共和国能源法》

8.2  环境保护控制措施

8.2.1  针对本工法施工过程中存在的重要环境因素和确定的环境管理方案及运行控制程序，将相关内容编入施工方案，并对相关的施工操作人员进行技术交底，使其明确本施工过程中要控制的重要环境因素和控制的方法、措施等。

8.2.2  优先使用国家、行业推荐的节能、高效、环保的施工设备和机具，如选用变频技术的节能施工设备等。

8.2.3  减少废弃物的产生，固态废弃物分类处理，有毒有害固体废弃物进行无公害处置。

8.2.4  严格执行焊接材料管理办法，节约使用焊接材料，杜绝错用焊接材料。

8.2.5  加强焊机、小型电动工器具的保养使用，定期检查。

8.2.6  设备及装置保养得当，装卸方法合适，防止遗失、损坏。

8.2.7  施工过程中做好成品保护，施工完后做到“工完、料尽、场地清”。

8.2.8  焊接过程中产生的弧光，采取有效的遮挡措施，防止光污染影响生态平衡。

9效益分析

9.1  经济效益

9.1.1  直接费用

深能（河源）电厂2×1000MW燃煤发电机组工程、内蒙古长城发电有限公司上海庙煤电项目2×1000MW超超临界空冷机组发电工程为例，应用本工法进行施工的中低压管道焊口共计5800只，其中深能（河源）电厂项目3800只，内蒙古长城电厂项目2000只；其主要成本节约在人工工日上：按照人工施焊每天平均5只焊口，需耗费工日1160天；采用自动焊接技术平均每天施焊20只焊口（自动焊接效率是人工4倍），需耗费工日290天；根据企业定额测算采用本项关键技术施工与采用传统手工焊技术施工相比节约成本：（1160-290）*500*1=435000元

注：人工以8小时/500元为一个工日计算。

由此可见计算出节约人工成本费用为43.5万元，应用本工法施工提高了一次合格率，降低焊口返修率，据统计调查采用本工法施工可减少60只返修口，其成本节约为10万元，故依托的两个项目直接费用可节约为43.5+10=53.5万元。

9.1.2  间接费用

以深能（河源）电厂2×1000MW燃煤发电机组工程、内蒙古长城发电有限公司上海庙煤电项目2×1000MW超超临界空冷机组发电工程项目为例，应用本工法进行施工，深能（河源）电厂2×1000MW燃煤发电机组工程项目缩短工期提前30天，内蒙古长城发电有限公司上海庙煤电项目2×1000MW超超临界空冷机组发电工程项目缩短工期提前15天，按照机组日发电量来测算，其带来的收益为：

45*24*1000000*0.08≈8640万元

按照公司目前在建项目推广实施应用来预算，其直接成本可节约300万元，其间接效益不可估量，长远来看其产生的综合经济效益将非常可观。

9.2  社会效益

该工法在电站行业内起到了技术引领的作用，丰富了相关技术文献与施工经验，为今后机组建设管道施工提供了借鉴依据，改变传统劳动方式，实现自动化施工，大大推进了电站建设的快速、高效发展，保障了机组安全、稳定运行。

利用该工法进行施工，焊接劳动强度低、焊接生产率高、无可见弧光、烟尘少，整个焊接过程污染很小，且质量稳定，减小了返修率，施工过程中所采用的各种装置均能重复利用，其节能减排效果十分显著，符合目前世界绿色科技发展的趋势。

10应用实例

10.1深能（河源）电厂2×1000MW燃煤发电机组工程4号机组中低压管道组合、安装焊接，缩短工期30天，施工效率高、焊缝质量优良，各项检测均100%合格，为机组安全平稳运行奠定了基础。

10.2 内蒙古长城发电有限公司上海庙煤电项目2×1000MW超超临界空冷机组发电工程2号机组中低压管道组合、安装焊接，缩短了15天工期，各项检测指标均符合要求，可见管道规格越大的高合金耐热钢利用本工法进行施工其优越性更加突出。

参考文献

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[2]任献杰.BIM预制化安装技术在度假酒店冷热源热交换机房中的应用[J].安装,2020,No.341(10):20-21+24.

[3]孙玉龙.工业管道安装工厂化预制技术的应用[J].中国室内装饰装修天地,2019,000(017):85-86.