在石油天然气管道建设中,钢管的运输、组对、焊接、吊装、下沟是施工的重要环节。由于施工环境有时很复杂(如在丘陵、山区、沙漠、沼泽等特殊地段修建管道),有时需要穿跨越河流、铁路、公路等,加之钢管自重大,对施工质量及工期的要求高等因素,勤劳聪明的管道人发明创造了可以在多种地形地貌甚至深海海域来去自如、本领高超的专用“神兵利器”。
1970年8月到1975年5月,在中国东北建成了以铁岭站为枢纽,连接大庆至抚顺、大庆至秦皇岛、大庆至大连的3条输油“大动脉”,史称“八三”管道,由此拉开了中国长输油气管道大规模建设的序幕。一位参加过“八三”管道工程会战的劳模代表曾经说过:当年我们用“牛拉肩扛”的方式建成了中国第一条长距离、大口径输油管道,扁担压弯了,鞋底磨破了,肩膀也磨泡起茧。
时至今日,随着管道口径不断增大,单根钢管的体积和重量显著增加,以中俄东线天然气管道为例,单根钢管管径达1422毫米,重量达12吨,其运输和装卸都绝非是“牛拉肩扛”所能完成的,加之施工环境的复杂化,普通的运管机、吊管机都难以适用,尤其是山地施工,普通吊管机不能大坡度倾斜作业,运管、布管都面临极大困难。于是,山地运管机及山地吊管机应运而生,在管道施工现场“任劳任怨”地承担起运管、布管、沟下组对等重任。
山地运管机采用履带式专用底盘,能够很好地适应坡度变化较大的山地施工,具有行走、回转等功能,而其工作摆臂依靠液压传动机械可以实现自装卸钢管及固定钢管的功能。此外,车体前后方均安装有现场监视系统,操作者通过彩色显示屏可以即时掌握周边环境,保障操作安全。
山地吊管机主要工作机构包括行走装置、变幅系统、配重机,具备吊装与夹持功能,能够在山区陡坡地段稳定行驶,进行布管及沟下组对作业。
管道焊接施工是将单根管子管口对管口焊接在一起连接成管道,对管道施工来说,管道焊接的效率及质量是至关重要的。焊接作业流程依次为:坡口加工、精准组对、焊接。首先对钢管端口进行坡口加工,通常有U形坡口、V形坡口及复合形坡口,坡口角度是影响焊缝成形、融合区形状的重要工艺因素;其次是实现相邻钢管的精准组对,消除对接管口的错边量;最后是焊接。
管道焊接分为根焊、热焊、填充焊、盖面焊。根焊也称打底焊,是指在现场焊接中两根钢管管口第一道承担连接的焊缝;热焊是在根焊完成后,立即进行的具有后热和去氢作用的焊道,其特点是根焊后立即进行,焊接速度快,基本不起填充作用;填充焊的主要作用是对焊口进行金属填充,在不影响焊口力学性能的条件下,最大限度提高填充速度;盖面焊是焊口最表面的焊层,要求成型美观、均匀一致,无表面外观缺陷,余高高度控制在0.5~3.0毫米之间,且越低越好,以保证与母材圆滑过渡。
对于大型管道工程来讲,单根钢管口径大、重量大,坡口加工和精准组对都必须使用自动化机械设备。同时,焊接量极其巨大,以中俄东线天然气管道为例,1422毫米的管径,每道环形焊口需焊10层左右,手工焊一层需耗时2小时,采用人工焊接,很难保证工程进度。但若采用全自动焊,一道焊口仅需50分钟左右,相比手工焊,效率提高了20倍以上,而且焊缝成形美观、质量可靠。因此,全自动坡口机、气动对口器及全自动焊机都是管道焊接作业必不可少的专有配套设备。
全自动坡口机可以自动上料并夹紧、按所需角度自动加工坡口、自动下料。对口器在管道施工中对于保证焊接质量及工程进度至关重要。气动对口器有内对口器和外对口器之分。相对于外对口器而言,内对口器从钢管内部以径向力使两根钢管迅速完成组对,对口精度和施工效率更高。气动内对口器的设计关键包括:涨管功能,即机头对钢管的涨起力,具有稳固钢管的作用;组对功能,充分保证机头部件的精度设计,是实现精准组对的关键;驱动与刹车功能,机体要动力强劲、制动可靠。
全自动焊机同样有内焊机和外焊机之分。内焊机主要用于组对及根焊,其结构由涨紧机构、行走及刹车机构、焊接单元、多焊头同步对中定位机构、气动系统、自动控制系统、保护气供给系统、储气罐等组成。外焊机将新一代控制技术和焊接工艺技术有机结合,主要用于单面焊双面成形根焊、填充焊、盖面焊等。其特有的超短距离拉丝技术、智能控制技术、G1焊缝自动跟踪技术,可以保证传送焊丝的稳定性、焊接过程的可靠性、焊枪控制的一致性、焊缝质量的优质性。尤其适用于地形复杂、条件恶劣的小流水施工作业。大口径厚壁管的焊接采用内外双面焊工艺,双面均为V形坡口,内焊机在管道内进行第一遍焊接,可以保证内焊缝成形良好。同时,由于内焊缝的根部暴露在外面,即使焊缝有缺陷,也可在外向焊中予以弥补,从而保证焊缝的整体质量。
管道建设的神兵利器可远远不止这些!例如,管道防腐是管道建设的重要工序,其包括管体防腐及焊口防腐,管体防腐通常在工厂中预制,但焊口防腐必须在施工现场进行,这时就要用到全机械化防腐补口设备了。此外还有用于穿越河流的定向钻机,用于穿越山体的盾构机,用于弯管的冷弯机,用于铺设海洋管道的铺管船,等等。我们有理由相信,未来管道建设的神兵利器一定会更神、更利!