大型压力钢管环缝加热装置研究及应用

殷明杰

（中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州310004）

1 前言

1.1 研究背景

随着清洁能源利用的不断发展，目前国内新建抽水蓄能电站和水电站的占比逐渐加大，这两类电站均需要采用压力管道引水。

引水压力钢管的特点是直径大、管壁厚，多采用国内外600～800MPa 高强钢板制造。因此，引水压力钢管的焊接工艺复杂，施焊过程中需严格控制层间温度和输入线能量，要采用焊前预热和焊后消氢等措施，以保证压力钢管焊接质量。

大型压力钢管环缝加热的常规做法是直接将单片履带式加热板贴在钢管上或采用多个固定架分别固定多片履带式加热板的方法进行加热。这种加热方法对于大型压力钢管加热需要吊机的配合，同时人工投入大、耗时长，并且存在较大安全隐患，容易造成起重伤害、灼烫、触电等事故。

1.2 研究目的

通过对加热装置研究，让它真正能够解决大型压力钢管环缝加热施工中遇到的安全难题。避免频繁使用吊机、使施工用电规范化、使用灵活、方便和高效，并且安全环保。

1.3 研究意义

本研究成果实现设备的集成，从安全角度和经济角度体现突出优势。研究成果为大型压力钢管环缝加热提供参考依据和经验。

2 研究方法和过程

2.1 研究设计和思路

研究安全技术，采取安全技术装置，提升本质安全水平，确保施工过程安全。对大型压力钢管环缝加热常规采用直接将单片履带式加热板贴在钢管上或采用多个固定架分别固定多片履带式加热板的方法进行研究。本研究成果以克服常规压力钢管环缝加热施工工艺的不足，采用集成化实现的装置不仅使用灵活、方便和高效，而且安全环保。

2.2 技术方案与实施步骤

2.2.1 技术方案

本加热装置主要用于钢管环缝加热，包括移动装置、温控设备、固定支架、履带式加热板支架和履带加热板等结构。如图1所示。

移动装置用于承载整个加热装置，满足工序间转换要求。其结构包括一块置物平板以及设置在置物平板下方用于移动的轮子，例如台车等移动机构。

固定支架固定在移动装置上，连接履带式加热板支架。固定支架主要用于连接移动装置和履带式加热板支架。

图1 加热安全装置

履带式加热板支架上设置有履带式加热板，履带式加热板支架的形状与钢管的直径相匹配，确切地说，其工作端的弧度与钢管直径相吻合，工作时，履带式加热板支架靠近待加热钢管的表面并与其贴合，通过履带式加热板对钢管进行加热。

温控设备与履带式加热板电连接，用于控制履带式加热板的加热温度。温控设备与履带式加热板连接的电缆线从各支架的内部通过，整齐排放。

工作时，钢管吊放到滚轮架上，然后将2套加热装置（左右各1套）移至与钢管的管壁贴合。

履带式加热板支架与固定支架之间通过转轴或其他结构转动连接，以实现根据具体钢管的方位调整履带式加热板支架的位置。

本加热装置还包括螺旋调整装置。螺旋调整装置设置在固定支架与履带式加热板支架之间，用于调整履带式加热板支架的位置，使其工作时能够与待加热钢管的管壁完全贴合。通过螺旋调整装置的设置，大大增加了加热装置使用的灵活性。

本加热装置的履带式加热板支架，根据钢管的结构特性，其轮廓设置为半圆型，这样在使用时可以同时采用2组加热装置实现对钢管环缝的完全包裹，加热效率高。

履带式加热板支架与履带式加热板通过压板、螺栓、螺母以及垫圈组成的固定装置连接，履带式加热板镶嵌在履带式加热板支架的内部，并通过螺栓、螺母以及垫圈与履带式加热板支架固定。固定时，压板与相邻2个履带式加热板的连接端相贴合，两端通过螺栓、螺母以及垫圈与履带式加热板支架固定，若履带式加热板损坏，则通过拆除压板、螺栓、螺母以及垫圈就可以更换履带式加热板，使用方便快捷。如图2所示。

2.2.2 实施步骤

利用上述加热安全装置进行钢管环缝加热，钢管吊放到滚轮架上，然后将2套加热装置（左右各1套）移至与钢管的管壁贴合，并使得履带式加热板距管壁＜20mm（图3所示）。启动温控设备，利用履带式加热板对钢管进行加热。主要包括以下步骤：

图2 加热板支架与加热板拆装图

图3 加热安全装置工作状态图

步骤一，将钢管固定在预设的滚轮架上。可以将钢管吊装到滚轮架上，然后旋转钢管2周，以保证钢管稳定。

步骤三，启动温控设备，控制履带式加热板对钢管进行加热。加热过程中，还可以同时用远红外线测温仪及时复测温度情况。待加热完成后，进行环缝的焊接作业。

2.2.3 实施效果本安全装置使用灵活、方便、高效，而且安全环保，已在桐柏抽水蓄能电站、响水涧抽水蓄能电站、黑麋峰抽水蓄能电站等工程压力钢管制造中得到成功应用，经济和社会效益明显，目前在周宁抽水蓄能电站压力钢管制造中得到进一步应用。

3 研究的结果与分析

（1）本课题研究成果提高了压力钢管施工安全、质量和进度，是大型压力钢管环缝加热安全技术的集成创新，经济和社会效益明显。

（2）与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较，有益效果在于：

1）采用大型压力钢管环缝加热装置，不仅解决钢管焊缝加热施工中遇到的难题，且其使用方便快捷、效率高，安全环保。

2）采用大型压力钢管环缝加热装置，避免了常规采用单片履带式加热板的来回搬运等工作，省去了繁重的体力劳动且安全高效。

3）采用大型压力钢管环缝加热安全装置，避免了常规采用多个固定架加热方法所需的起吊设备。

由表5可知：应用纤维微表处养护维修技术后其各测点渗水系数、摆值、构造深度均满足技术要求，渗水系数、摆值和构造深度的平均值为：55.9 ml/min、75.6 BPN和0.63 mm。可见本文选取原材料与施工工艺不仅能够保证施工质量，并且可提升路面使用寿命。

4）温控设备与履带式加热板连接的电缆线从各支架的内部通过，排放整齐，避免触电和损坏，且安全环保。

5）采用自行研制的“加热装置”进行压力钢管预热，保证了压力钢管焊缝焊接质量。

（3）与常规方法对比，经济效益主要体现在以下几个方面：可减少人工搬运工作、可减少起吊设备的使用、可减少加热材料及电缆等材料的损坏，同时增加了每月压力钢管产量。各栏目的计算如下：

1）每个工作面可减少人员4人、每月人工工时投入节约3.6万元。每年按4个工作面考虑可节约人工费172.8万元。

2）每个工作面每年可减少起吊设备使用约120台班，年节约台班费用约8万元。每年按4个工作面考虑可节约设备使用费32.0万元。

3）每个工作面每年可节约加热板及电缆线等材料的损耗费约8万元。每年按4个工作面考虑可节约设备使用费96.0万元。

4）每个工作面每月钢管制造多出产值约200t，每年按4个工作面考虑多完成产量约9600t。

综上计算，研发的“加热装置”技术带来的经济效益突出。

（4）针对所研究的成果，可以进一步地通过远程通信模块实现远程控制，也可以通过设置按键和/或显示屏实现本地控制。用户可以通过按键输入预设的加热温度等信息，对加热过程进行控制；显示屏可以实时显示当前加热温度等信息，便于用户观察加热进度。

4 研究结论

本课题研究目的假设通过实践得到验证，达到预期效果。主要体现在以下几点：

（1）通过将温控设备、固定支架以及履带式加热板支架集中设置在移动装置上，进行集成化。可以达到移动灵活，使用方便，避免频繁使用吊机，从本质上确保了施工安全。

（2）一次性将加热板固定在加热板支架上，避免了常规采用单片履带式加热板的来回搬运等工作，实现了机械化减人。

（3）温控设备与履带式加热板连接的电缆线从各支架的内部通过，排放整齐，避免触电和损坏，且安全环保。

（4）采用自行研制的“加热装置”进行钢管加热，保证了焊缝焊接质量。

5 结束语

本研究成果克服了常规压力钢管环缝加热施工工艺的不足，采用集成化，实现了加热安全装置使用灵活、方便和高效，而且安全环保，安全和经济角度体现突出优势。研究成果为大型压力钢管环缝加热提供参考依据和经验。其不仅适用于大型压力钢管制造，还适用于水利供水、调水等类似建设工程施工。