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山东电建二公司 研制中小径管道滚动焊接支架

目 录
1. 前言
2. 工程技术现状
3. 技术条件
4. 技术目标
5. 密封本体设计
l 方案确定
l 创新性
l 制造、试验
l 安装、调试

研制中小径管道滚动焊接支架
山东电建二公司超越QC小组

前言：
我公司承建的阳江核电一期2×1000MW常规岛建安一体化工程，单台机组管道系统为45个，大口径管道总量约为1960吨，中小径管道4万余米，焊口数量达5万多只。通常，中小径管道施工是在地面上进行滚动对口并进行焊接，不仅受到施工区域的限制，也大大降低了施工效率。为了解决该问题，提高现场施工效率，我们专门成立了“超越”QC小组。
一、小组概况
表1：小组概况表
小组名称
超越QC小组
小组所在部门
机务工程处
课题名称
研制中小径管道滚动焊接支架
课题类型
创新型
组长
张开峰
小组注册号
2013-H001-A-005
受训课时
40课时
成立时间
2013年03月
小组成员
11人
小 组 成 员 概 况
姓 名
职 务
学 历
小组职务
小组分工
张开峰
项目主任
专科
组长
全面负责
孙瑞升
副主任
本科
副组长
方案制定
闫甲斌
质保经理
本科
副组长
组织
李慧萍
QC专责
专科
指导
活动指导
王建凯
质保主任
本科
组员
指导策划
吕辉全
质保员
本科
组员
指导策划
孙克青
专工
专科
组员
技术指导
岳耀峰
班长
高中
组员
组织策划
桑宁阳
技术员
专科
组员
信息收集
张道旺
质检员
高中
组员
过程监督
马国良
班组成员
高中
组员
具体实施
制表：桑宁阳 2013.03.01
二、选择课题
1.工程现状
小径管道施工，采用两种焊接方式：地面滚动焊接和平台滚动焊接。

方法一：地面滚动焊接
方法二：平台滚动焊接

优点：1.操作简单；
缺点：1.一般施工区域狭窄，滚动范围有限；
2.放置于地面上，焊接角度较差，给施
工人员带来困扰。
优点：1.操作简单；
2.解决了焊接角度带来的困扰；
缺点：1.滚动时需要多人配合，浪费人工,
平均施工效率较低。
总结：不论是在焊接角度还是在滚动区域限制上，平台滚动焊接都要优于地面滚动焊接。但平台滚动焊接需要多人配合，浪费人力。
表2：两种焊接方式对比表
制表：桑宁阳 2013.03.15
存在问题：
（1）地面滚动焊接需要一定的空间用来施工，且将管道放置于地面上，焊接角度差，给施工人员带来困扰；而平台滚动焊接在施工时需要多人配合，浪费了人工；
（2）施工效率低，人均焊口量为3.7只，不能满足进度要求。
表2：

课题确立：研制中小径管道滚动焊接支架。
三、 设定目标
活动目标：研制中小径管道滚动焊接支架
具体指标：1.可变径，适用于直径219mm以下的中小径管道焊接
2.可单人施工，焊接效率由单人每日完成3.7只提升到每日6只
21
四、提出方案并确定最佳方案
（一）找寻设计思路
针对滚动焊接支架的研制，小组成员提出该支架性能需要满足的各个方面，运用亲和图进行整理，提出初步设想。见图1：亲和图
中小径管道滚动焊接支架

滚动部分
滚动顺畅
耐用
性强
固定轴
使用圆钢制作，
应保证圆钢的直径小于滚动轮的内径。
圆钢两端进行套丝，使用螺栓连接。
在轴上加装小圆管，用来避免滚动轮摆动。
便于拆卸
滚动轮
底座

稳定性好

便携性强
支撑护板
可开孔使支架达到可变径的效果

美观性好

稳定性强
固定部分
连接部分
能够保证支架的稳定性
连接部分长短和材料的选择
对口部分
添加管道对口平台
在原支撑护板上加装角钢。
制作可调节式平台。
通过调节平台的升降来调整管件，方便对口、焊接。

制图： 桑宁阳 2013.04.30

支架结构设想图：

(二)设计方案的提出与论证
小组成员对分析出的四个主要组成结构分别提出了设计方案，并逐一进行论证。
1.固定部分
固定部分主要作用就是为滚动提供支撑，在该部分结构选择方面，小组提出了三种方案：
固定部分
支撑柱
支撑护板
支撑平台

表4：三种设计方案对比
方案
支撑柱
支撑护板
支撑平台
模型图

原理
底座与支撑柱连接，滚动轮在两个支撑轴之间滚动
底座与支撑护板连接，滚动轮在两个支撑护板之间滚动
滚动轮在两个支撑平台之间滚动
安全性
承压面积较小，稳定性差，安全系数较低；
重心在支架中心上，稳定性较强，
安全系数较低；
重心在支架中心上，稳定性较强
安全系数较低。
实用性
结构轻便，易挪动
结构轻便，易挪动
结构笨重，搬运困难
可操作性
通过改变支架间距实现变径，可操作性较差；
截面积较大可开孔，使支架达到变径效果，可操作性较强；
厚度较大且笨重，开孔困难，无法达到变径的效果，可操作性较差。
结论
从安全性、实用性、可操作性考虑，小组选择采用“支撑护板”方案。
制表： 桑宁阳 2013.05.10
1）支架底座
两种设计思路：
支架底座
δ30的钢板
[10的槽钢

表5：两种材料对比：
方案
δ30的钢板
[10的槽钢
模型图

便捷性

从钢板标准GB709-88查到δ30的钢板每平方米重235.5Kg。
从槽钢标准GB707-88查到[10的槽钢每米重8.59Kg,(总面积S=高度*长度+2*腿宽*长度=100mm*1000mm+2*46mm*1000mm=0.192m2),约合每平方米44.7kg。
稳定性

以上为Q345材质的抗拉强度和屈服强度，
与槽钢力学性能相似，能够满足支架需要。

以上为各种材质的槽钢的抗拉强度和屈服强度，与钢板性能相似，能够满足支架需要。
经济性

美观性
比较笨重，美观性较差
美观性较强
总结
从便捷性、稳定性、经济性、美观性方面综合考虑，小组选择[10的槽钢作为支架底座。
制表：桑宁阳 2013.05.15
2）支撑护板
对外形、滚动凹槽的设计、开孔数目三个方面分别提出方案进行优选。
支撑护板
外形的选择
滚动凹槽的设计
开孔数目的确定

①外形的选择
提出两种方案：
护板外形
矩形护板
流线形护板

表6：两种设计方案对比
名称
矩形护板
流线形护板
模型图

美观性
不美观
较美观
稳定性
结构简单，稳定性好，能够满足支架需要
结构简单，稳定性好，能够满足支架的需要
实用性
该护板较重，增加了支架本身的重量，不便于挪动。
该护板较轻，使支架更加轻便，便于挪动。
结论
从美观性、稳定性、实用性考虑，小组最后选择采用流线形护板。
制表：桑宁阳 2013.05.25
②滚动凹槽的设计
滚动凹槽角度的确定要以确保管道能在凹槽内 滚动顺畅且能达到最大接触面积为前提。现场施工管道的半径为L2，管道与支架凹槽底部的距离为L1，管道与支架的角度为θ。如果使管道与支架接触面积增大，那么L2要与L1无限接近，根据三角形的特点和圆弧定律，α≈60°又因θ=2α那么θ约为120°。
结论：滚动凹槽设计角度约为120°。
③开孔数目
为了使支架适用于不同管径的中小径管道，小组提出了在护板上开孔的办法。在开孔数目上，小组也提出了“4个”、“6个”、“8个”三种方案，

表7：三种方案对比
方案
4个孔
6个孔
8个孔
模型图

模拟
试验
根据方案中护板的尺寸和现场管道规格，按照相同的比列制作模型，进行模拟试验。

试验
数据

结论
通过上述试验得知：开4个孔时不能用于直径25mm、89mm的管道，开6个、8个孔都能满足直径219mm以下的管道。但开孔数过多增加了施工量，也影响了护板的牢固。从各方面考虑，小组最终选择了“开6个孔”。
制表：桑宁阳 2013.05.30
2.连接部分
连接部分的设计，从材料的选择、固定方法和部件长短三个方面提出方案进行优选

材料选择

固定方法
连接部分

①材料选择
提出两种思路：
连接板材料
角钢
扁钢

表8：两种材料对比
名称
角钢
扁钢
实物

力学
性能

受力
分析
以下是对连接板承重进行分析：1、现已知支架适用的最大规格为219mmx7mm，本项目预制管道的长度一般不会超过9m，碳钢的密度为7.85g/cm3（不锈钢和合金钢也相近）；2、管道横截面积S=π*直径*长度=3.14*219mm*9000mm=6188940mm2;3、管道的重量M=面积*厚度*密度=6188940mm2*7mm*7.85g/cm3=340.1Kg;4、支架应承受重力G=重量*9.8N/Kg=3332.98N;5、连接板的面积S=重力/抗拉强度，使用角钢屈服强度为335MPa，最小面积为10mm2；使用Q235扁钢屈服强度为235MPa，连接板最小面积为14mm2。两种材料在面积较大的情况下均能使用。
经济性
费用高，市场报价约4.12元/米
费用低，市场报价约1.59元/米
美观性
不美观
较美观
结论
从力学性能、经济性和美观性综合考虑，小组最后选择采用“扁钢”作为连接部分。
制表：桑宁阳 2013.06.03
②在固定方法选择上，因支撑护板与底座使用的焊接方法组合，所以连接板也使用焊接方法。
3.滚动部分
滚轮选择
橡胶轮
碳钢轮
不锈钢轮
1）在滚动轮的选择上，小组同样提出了三种思路：

针对以上三种设计思路，小组进行分析了细致的分析：
表10：

橡胶轮
碳钢轮
不锈钢轮
实物

规格
直径为55mm
直径为55mm
直径为55mm
重量
60g/个
100g/个
110g/个
价格
11元/个
15元/个
20元/个
抗压性
良好
良好
良好
抗磨性
较差
良好
良好
成品保护
长时间使用容易被污染，间接的破坏了管道的成品保护。
长时间使用会锈蚀，与不锈钢管道接触容易造成污染，严重影响成品保护。
适用范围较广
其它
使用周期较短，要及时更换。
长时间的锈蚀影响了支架的美观。
使用周期长，外形美观。
综述
经过对三种滚动轮的对比发现：橡胶轮虽然具备重量较轻、价格便宜等优点，但在抗磨性及成品保护上较差；碳钢轮虽然在抗压性、抗磨性等性能上良好，但使用过程中容易生锈，影响成品保护和外形的美观；而不锈钢轮在性能上不仅具备良好的抗压性、抗磨性，且外形美观，在成品保护方面也无任何影响。
结论
综上所述，小组决定滚动部分选用不锈钢轮。
制表：孙克青 2013.06.15
2）固定轴由三个部件组成：
套管
固定轴
紧固件
主轴

表11：各部件的分析表
部件名称
图片
作用
材料选择
主轴

为滚动轮提供滚动渠道。
直径为20mm的圆钢，
两端进行套丝处理。
紧固件

对主轴两端进行固定。
选用M18的不锈钢螺母。
套管

限定滚动轮活动范围，避免滑动轮因摆动带来的磨损。
直径为25mm的不锈钢小管。
制表：桑宁阳 2013.06.20
固定方法
管道固定法
滚轮固定法
2）为了防止管道滚动过度，小组提出了两种方案：

表12
名称
管道固定法
滚轮固定法
模拟图

原理
在两个滚轮间加上阻挡物，限制滚轮活动
通过紧固滚动轮，达到限制滚轮活动的目的
可操作性
支架在变径时，滚轮间距变化，阻挡物的规格也要随着变化。
不受变径的影响，且操作简单
安全性
阻挡材料断裂，造成安全隐患
安全性能较高
经济性
阻挡物要承受很大的压力，所以材料的要求很高，造价昂贵。
使用螺栓紧固，十分便宜
美观性
在滚轮间加装阻挡物，十分不美观
较美观
结论
从可操作性、安全性、经济性、美观性上，小组决定采用滚轮紧固法。
制表：孙克青 2013.06.22
4.对口部分
针对此支架的局限性，小组成员集思广益，加装管道对口部分。在该部分结构选择上小组提出了两种方案：
对口平台
折叠式支撑平台
升降式支撑平台

表13
名称
折叠式支撑平台
升降式支撑平台
模型图

原理
使用金属折合页把对口平台连接到支撑护板上，平台下方加装一个用螺丝连接、可拆卸的支撑杆。
在支撑护板上加装导槽，平台下方加装调节杆。通过调节杆的活动，实现对口平台的上下滑动。
可操作性
结构简单，易操作
结构简单，易操作
稳定性
与支撑护板连接点只有一个，稳定性较差
与支撑护板连接点有两个，稳定性较强
实用性
不能根据管件的长短进行调节，适用范围较窄，实用性较差。
可根据管件的长短调节平台的高度，保证了管件对口的质量，实用性较强。
结论
从可操作性、稳定性、实用性上，小组决定采用升降式支撑平台。
制表：桑宁阳 2013.06.25
从上图可知，对口部分主要由对口平台、调节部分和导槽组成。
对口平台是为弯头、三通等管件的组对和焊接提供平台，解决了施工中因焊接角度带来的施工难题。小组在平台材料选择上提出了三种方案并分别论证
平台材料选择
聚乙烯板
碳钢板
不锈钢板

表14：三种方案对比
名称
聚乙烯板
碳钢板
不锈钢板
实物

经济性
14元/㎡（厚度为4mm）
24元/㎡（厚度为4mm）
31元/㎡（厚度为4mm）
坚固性
熔点较低，坚固性较差
良好
良好
实用性
长时间使用易磨损，且很难与调节部分进行连接
长时间会锈蚀，不适用于不锈钢对口、焊接。
不易磨损，能用于不锈钢和碳钢管的对口、焊接
结论
从经济性、坚固性和实用性考虑，小组最后选择使用不锈钢板。
制表：桑宁阳 2013.06.29
②调节部分是由三根调节轴、一个调节轮和一个调节三通组成，该部分中的竖轴与平台焊接在一起，这样就可以通过调节竖轴来实现平台的上下滑动。
在选择调节轴材料时，小组进行了两种不同方案的分析：

调节轴材料
方钢
圆钢

表15：两种方案对比
名称
方钢
圆钢
模型图

经济性
3.85元/Kg
3.56元/Kg
坚固性
抗拉强度为375-500MPa，很坚固
抗拉强度为350-500MPa，很坚固
美观性
较差
较好
实用性
上下滑动时容易卡住
上下滑动顺畅
结论
小组最后选择了圆钢作为滑动轴。
制表：桑宁阳 2013.07.01
③导槽是使用角钢制作，主要作用是为平台上下滑动提供滑动渠道。从表10的分析中得知角钢的力学性能很好，且角钢结构简单、易操作，十分实用。
（三） 确定最佳方案
通过分析论证试验，我们确定了滚动焊接支架最终方案，以下是方案设定的分解图：
图4

制图：桑宁阳 2013.07.05
五、制定对策
1、方案的分解
为制定出切实可行的对策，小组成员首先对实现方案的各个环节进行了细化：
图5:方案分解系统图

制图：桑宁阳 2013.07.10

2、 制定对策表
小组根据“5W1H”原则，制定出了详细的对策表：表16
序号
对 策
目 标
措 施
完成时间
地点
负责人
1
图纸准备
绘制滚动焊接支架图纸
图纸经过会签、会审，标注明确。
1、 绘制焊接支架图纸。
2、 进行图纸会审。
07.20
项目部
桑宁阳
2
材料准备
外购
达到图纸设计性能要求。
1、 提材料计划，提交到物资公司。
2、 对领到的材料进行验收
07.27
物质公司
桑宁阳
3
加
工
制
作
下料
尺寸偏差±2mm
1、 固定部分
①底座下料和护板的下料
2、连接部分
①连接钢板下料
3、 滚动部分
①圆钢和套管下料
4、 对口部分
①组装平台下料
②调节支架下料
③导槽下料
08.08
预制车间
马国良
开孔、
打磨
偏差±0.5mm
固定部分 支撑护板开孔
08.10
预制车间
马国良
组合
焊接牢固、
滚动顺畅

1. 先将各部分组对
2. 对不合适部分进行调整
3. 调整合格后，进行焊接
08.13
预制车间
岳耀峰
马国良
刷漆
各部件均匀涂刷
对以上各部件进行刷漆
08.15
预制车间
马国良
4
现场应用
试用
1、 能够适用于中小径管道焊接过程；
2、 各部分正常工作
1、 进行安全技术交底培训
2、 现场应用的指导
3、 在阳江核电工程使用
08.20到
现在
施工现场
张开峰
孙瑞升
孙克青
张道旺
岳耀峰
马国良
制表: 桑宁阳 2013.07.15
六、对策实施
对策实施一：图纸准备
方案选定后，小组安排专人对该支架进行图纸绘制，绘制完成经过审核，“FOR USE”后方可进行下一步工作。
图6

制图：桑宁阳 2013.07.20
对策实施二：材料准备
小组成员先查找施工余料和废料场，找到一部分可用材料，其他均提出物资采购计划，由物资公司采购，于07.27已到位。

Φ55mm的不锈钢滚轮 M18的螺母 [10槽钢

Φ25mm的钢管 δ8的钢板 角钢

150mm*300mm的不锈钢板 Φ20mm的圆钢
目标实施检查：材料采购到位后，检查滚轮直径为55mm，螺母为M18，[10槽钢及钢板（δ=8）等材料长度、尺寸均符合要求，且采购物品皆有相应的合格证书。
对策实施三：加工制作
1.固定部分与连接部分下料、组装

使用无齿锯下料使用气割下料 下料完成

底座与护板进行组对固定与连接部分焊接 组装完成 ，进行打磨

2.滚动部分与对口部分的组装

下料后的固定轴、套管 购买的螺栓和滚轮 滚动部分组装

制作的调节轴 不锈钢板 对口部分组装
3.支架刷漆

目标实施检查：经过验收发现，施工人员能够按照设计尺寸进行下料，各零件尺寸与装置整体安装效果均与图纸相符，焊缝高度及表面质量均符合要求，以下是验收记录：表17
对策实施四：现场试用

使用该支架焊接完成的焊口
将管件放到支架上组对、焊接，通过滚轮的转动来实现管道滚动焊接

目标实施检查：经检查使用该支架组对的管件内壁齐平、错口值不大于1mm，符合规范要求。

七、 效果检查
一）目标值检查
① 2013年9月份小组正式将制作的十套支架投入到现场中小径管道焊接中，施工的10名焊工工作量的统计，如下：表18

制表: 桑宁阳 2013.12.03
从表中可以看出：该支架能够满足于25到219mm的中小径管道焊接。
② 9月份到次年3月份，10名焊工平均单人每日完成焊口数对比统计如下：
表19

制表: 桑宁阳 2013.12.04
从表中可以看出：使用该支架后单人每日完成焊口数均大于6只。
③小组还对支架使用前后焊口一次合格率进行分析：
表20

从表中可以看出：焊口一次合格率保持在98.5％以上。
从以上三方面可以得出结论：此次QC小组活动预期目标圆满完成。
二）经济效益
本次小组活动的经济效益，主要体现在工作效率的提高上。
①因10名焊工施工的管道以114×6的碳钢管道居多，所以以114×6计算，
8月份经济效益=114×6÷1000×1975×8÷2=5403元；
2013年9月至今年3月增加经济效益=
（1814+1987+2031+2025+1082+1378+2107）×114×6÷1000×8-5403×7=30163元；
②工具制作费：滚轮、钢板等材料的采购费用131元（部分材料为废料，且使用的焊材未计算在内），制作人工1人×200元/天×2天=400元。费用合计131+400=531元。共制作了10套，总费用=531×10=5310元；
③七个月经济效益=30163-5310=24853元。
该工具现已投入到#2机中小径管道的焊接中，增加的经济效益将是一个很可观的数字。
三）社会效益检查
中小径管道滚动焊接支架的研制并投入使用，极大地提高了中小径管道焊接效率，标志着我焊接专业掌握了一种新的管道焊接方法，为以后同类工程中小径管道焊接打下了良好的基础，开拓了新的发展空间。
八、巩固措施
1、将此滚动焊接支架设计图及工作原理整理归档，供公司各项目部使用。
2、编写了《中小径管道滚动焊接支架使用程序》。
九、总结回顾及今后打算
成果的取得离不开大家的共同努力，此次QC小组活动取得成功，小组成员受益匪浅：
1、 专业技术方面:小组成员对现场滚动焊接有了更深的理解，为下一步更好的施工起到了推进作用；
2、 管理技术方面：小组成员掌握了QC活动常用的统计工具以及创新型课题的活动程序；
3、 下一步的打算：小组成员将针对不锈钢管道焊接展开研究，围绕《提高不锈钢管道焊接一次合格率》开展新的活动。