国电机械PCCP生产装备的研发历程

国电机械设计研究院 潘一毅
杭州和达机电工程有限公司

　　一、企业简介

　　国电机械设计研究院（简称：国电机械）创建于1956年，由原电力部杭州机械设计研究所（简称：杭机所）和电力部产品质量标准研究所组成，随着国家电力体制的改革重组于中国华电集团，是以服务于电力为主的跨行业、跨地区、集技术咨询、设计研究、制造成套、安装调试及运行维护等全过程于一体的科技型企业。

　　国电机械现有员工近500名，拥有八家专业化公司，七个研究及检测中心，年产值连续6年超过10亿元。业务领域涵盖电力建设、电力生产、电力需求侧管理应用技术、工业及民用自动控制和电力技术服务等五大方向，许多研究成果在三峡等众多大型水电工程、大型火力发电厂、南水北调、杭州湾跨海大桥、广州大学城等许多国家重点建设工程中获得了广泛的应用和赞誉，产品已逐步进入国际市场。2006年3月，中国华电集团公司决定依托我院组建“中国华电集团公司动力技术研究中心”，为集团公司推进科技进步、增强自主创新能力，全面实施“358”发展战略提供科技保障；也为我院的发展提供了更加广阔的新空间。

　　杭州和达机电工程有限公司是国电机械设计研究院混凝土机械研究所为适应市场经济发展而组建的经济实体,是浙江省高新技术企业。公司依靠先进的技术和长期积累的经验,为顾客提供设计、制造、安装、调试一条龙服务。在五十多年的科研、设计和生产中积累了丰富的经验,培养了一支强有力的科研设计队伍,完成了多种高效大型施工设备。如：1956年设计了国内第一座混凝土搅拌楼； 1996年生产了第一套国内领先水平的船用混凝土搅拌系统；1990年生产了第一套钢筒混凝土管制造设备。公司产品分布于各大型建设工程。公司还承担了三峡工程大型施工设备和“六•五” 、“七•五” 、“八•五” 、“九•五”技术攻关项目。

　　公司主要从事以下科研、开发和经营活动：
　　1、混凝土搅拌楼站：固定式混凝土搅拌楼（站）、船用搅拌站。
　　2、电站制冷系统：混凝土温控系统、冰库、片冰气力输送装置。
　　3、PCCP制管设备：钢筒卷焊机、差速缠丝机、辊射喷浆机等PCCP成套设备。

　　二、装备研发历程

　　1985年受电力部指派，我院开始对PCCP生产技术的研究和探索，并于1986年7 月赴美国、西德考察，对美国的两家最大的砼管道公司艾美隆公司（Ameron Co.）和普莱斯兄弟公司（Price Brothers Co.）及西德的地伟达砼管道公司（Dywidag Co.）的科研、设计、制管厂、设备制造厂、施工安装工地、核电站等进行了实地考察和技术座谈，了解和收集了PCCP方面的技术资料。电力部根据考察的情况决定筹建国内首条大口径PCCP生产线，由于外汇资金等原因，决定引进部分设备，如钢筒螺旋卷焊机、承插口生产设备，DN2600mm芯模及管模，钢丝接头机、吊具等，购买了水压试验机制造图。立式差速缠丝机和立式辊射喷浆机两台关键主机的研制任务交给我院，从而组成一套完整的生产线。我院从1988年开始组织科研人员攻关研发、设计，1989年完成样机制造，于1990年6月在山东电力管道公司完成安装调试并投入生产，开始生产的是DN2600mm电厂循环水用管，从而填补了我国PCCP的空白。当年又在消化吸收卷焊机芯模的基础上，研制了我国首台DN1600mm的芯模，用于引黄工程山东淄博段13.5km、DN1600mm的PCCP管线，从而开创了生产各种规格PCCP的历史，但比美国晚了60多年。

　　二十多年来，我院和达公司对PCCP成套设备的研究、开发与创新从未间断过，我们采用新技术陆续研发了芯模、三辊卷圆机，承口环成型机、承插口环胀圆机、钢筒水压试验机、管芯吊具、钢筒吊具、翻管机、成品管水压试验机、成品管外载荷试验机、管模等一大批成套设备，特别是2000年设计研发的我国首台大口径PCCP薄壁钢筒自动螺旋卷焊机在成都金炜正式投产，一举获得成功。该机一次卷焊成型的范围目前已扩大至DN1.4～DN4.0m。2004年我们又开发研制了DN0.6～DN1.2m中小口径PCCP薄壁钢筒连续自动螺旋卷焊机，经过不断改进，目前可采用板宽1000mm、1250mm两种规格，通径扩大至DN0.6～DN1.4m，满足了用户的需要，卷制的钢筒质量好，连续稳定，受到用户好评。长期的努力、敬业地付出使我院在预应力钢筒混凝土管（PCCP）的建厂和生产线设备方面结累了丰富的成功经验，作为我国最早研发PCCP设备的单位，我院拥有大口径薄壁钢筒卷焊机，小口径薄壁钢筒卷焊机，立式差速缠丝机，二合一缠丝喷浆机等多项国家专利产品。目前,我院不仅能够提供生产PCCP的成套设备，而且在成套设备的性能、功能及生产效率等方面，已基本达到美国同类设备的先进水平。这些高新技术产品的国产化，不仅填补了国内空白，而且在价格上大大低于进口设备，为我国推广普及应用PCCP创造了有利条件。在协会和全国新老用户的支持下，我们研制的PCCP生产设备在全国得到了广泛的应用，产品相继在山东电力、无锡华毅、深圳太阳、北京太阳、北京河山、北京国统、济南山水、新疆国统、哈尔滨国统、成都金炜、哈尔滨金炜、哈尔滨华庆、杭州腾龙、金华巨龙、宁夏汇泉、浙江华浙、河北千秋、天津泽宝、辽宁龙泉、北京远通、鹤壁虎亨江、南宁鸿基、郑州康晖、武汉双强、西安红旗、宁夏青龙、邹平禹王等PCCP生产企业投入使用，运行良好，深受用户赞誉。在包括万家寨、磨盘山、大伙房、南水北调等引水工程中发挥了重要作用。

　　我院和达公司还积极参与国家标准GB/T19685-2006《预应力钢筒混凝土管》的制定，并为标准提供了多条被采纳的意见。作为PCCP三项关键设备标准的主要起草单位，起草、编写、制定了JC/T1032-2007《预应力钢筒混凝土管和三阶段管用缠丝机》、JC/T877-2007《预应力钢筒混凝土管和三阶段管用辊射机》、JC/T1033-2007《预应力钢筒混凝土管用钢筒卷焊机》等项中国建材行业标准。对规范国内PCCP关键生产设备提供了技术保证，起到了很好的规范和引导作用。协会领导和国内PCCP专家对我们研发PCCP生产设备，推动我国PCCP行业的发展，给以了高度评价。鉴于我院和达公司对我国PCCP所做的贡献，中国混凝土和水泥制品协会多次给与表彰并授予“技术进步贡献奖”。在此我要感谢协会领导和长期关心支持我们的朋友，正是因为有你们的信任和支持，使得我们在PCCP行业取得了如此的业绩，也正是因为有你们提出的宝贵意见和建议，才使得我们的产品不断改进、不断创新、不断提高。到目前为止，我们为全国PCCP生产企业提供的三台关键主机如下：钢筒螺旋卷焊机共28套，差速缠丝机共34套，辊射喷浆机共27套，合计达89套。

　　三、主要装备简介

　　1．大口径PCCP薄壁钢筒自动螺旋卷焊机

　　大口径PCCP薄壁钢筒自动螺旋卷焊机是我院在参观学习了美国90年代进口样机并根据其成型原理而研制的，它更适合我国使用。该机在构造上以人为本,尽可能方便操作,关键设备仍采用进口件，而造价却只有原进口设备的十分之一。在使用性能上不低于进口设备：如同步性能比进口的好，故漏焊点更少，因此焊接效率已超过进口机；原进口设备在改变管子口径时需重新搭配链轮，操作比较麻烦，国产机可直接由电控调整参数实现，比较方便；等等。

　　钢筒螺旋卷焊机操作方便、自动化程度高、焊接质量好，只要将成卷钢板，吊放在放板车的放板机上，卷钢板通过自动放板、调平、钢板拉紧、除锈、压边等工序后，直接送到芯模驱动装置的芯模上，在芯模上部的行走门架上有一台自动埋弧焊机，在边放板边旋转芯模过程中，焊机靠自动跟踪装置沿着钢板的螺旋线，将搭接好的钢板焊牢。在焊接过程中，芯模的回转速度与放板车的行走速度、焊机行走门架速度，必须严格保持同步。边卷边焊直至焊接完一个钢筒为止，并在焊接过程中，通过剪板机将多余的钢板按螺旋线自动剪下，被剪下的斜钢板，正好是下一个钢筒所需要的斜板，因此所有的钢板得到充分利用，不产生废料现象。承口与插口也同时被焊好，做到一次成型钢筒。

　　为满足卷焊不同口径的钢筒，放板车上设有摆角装置、升降装置、回转装置、摇板、挡轮等机构，使卷钢板能精确地焊接到不同口径的芯模上。
该机的主要特点是：焊接速度快，劳动生产率高，每台机只需要两人操作，钢板经压边搭接后与承、插口环同时焊接，因此钢筒的钢度好，承、插口环的定位精确，焊缝平整、光滑等优点。设备自动化程度高，在焊接过程中，在改变焊接速度时，芯模回转、放板车和行走门架也同步改变速度。在不改变钢筒直径的条件下，钢板不需要修剪，全部钢板都能得到利用。全套设备的占地面积小，可节省大量的土建费用。[Page]

　　2．中小口径PCCP薄壁钢筒连续自动螺旋卷焊机
　　目前我国内衬式预应力钢筒混凝土管PCCPL钢筒的生产方式大都采用人工拼焊方式进行：工序繁杂，生产人员多，配套设备多，相应的占地面积较大；钢板在直缝焊机、卷板机、剪板机、卷板机导向等设备间起吊转运，费时又费力，生产效率低，钢筒质量差。钢板浪费率占5%以上。

　　为克服以上不足，创新研制出“高效、优质、经济、环保”的PCCPL钢筒生产设备，我公司于2004年开始研发中小直径薄壁钢筒螺旋卷焊机。该设备采用连续自动螺旋卷焊、定长自动切割的方式生产PCCPL的内衬钢筒：只需单台设备，工序简单，占地面积小；极大地简化了生产过程，一次成型，节省了90％以上的辅助时间，生产效率极高。并有利于提高PCCPL成品管的内在质量。

　　在研制过程中，克服了国内钢板质量不稳定及品种、规格变化的情况而引起的钢筒出现喇叭口的现象。经过多次的改进，终于成功研制出适用国内市场需要的PCCPL用钢筒螺旋卷焊机，填补了国内空白。

　　该机的主要特点：自动化程度高，生产效率高；节约原材料（钢板）及成本； 筒体刚性好，外形美观，便于和承、插口环的快速组装；焊缝均匀、平整、光滑，焊接质量好；配备焊药自动回收系统，环保无污染；先进的电气控制系统，在允许调速范围之内，可任意改变送板速度；全套设备占地面积小，可节省大量的基建投资；PCCPL成品管内在质量得到有效保证；

　　3．立式差速缠丝机

　　立式差速缠丝机的作用是将高强纲丝自动缠绕在混凝土管芯上，同时通过计算机程序控制施加预应力，达到承受荷载的设计要求。

　　在设备的性能、构造及组成部分等方面，它与美国设备相同，如缠丝的应力测定、显示及自动记录、应力波动的控制、应力的调整、螺距调整等都已经达到很高水平。本公司的缠丝机科技含量较高，能适应不同管径的PCCPE，整机采用能量返馈技术，实际功率消耗较低。最近还研发了能缠绕斜口管的缠丝机，相信对我国PCCP行业将有更大的帮助。

　　钢丝的应力可事先在电脑上设定，在缠绕过程中也可任意修正。缠绕的全过程中，电脑显示屏上清晰显示应力的数值，并记录下应力数值和应力曲线，作为技术档案保存，也可随时通过打印机打出，供分析研究。缠丝的螺距也可事先设定，在缠绕过程中可任意修正，当设定好应力及螺距之后，在缠绕全过程中不会改变，也不受缠绕速度变化的影响。缠丝与送缠是同步进行的，而应力的产生主要是通过控制缠丝与放丝的线速度差来实现的。

　　该机的主要特点是：生产范围广、缠丝速度快、劳动生产率高、设备完善，特别是电控系统，采用电脑控制及电脑管理，操作及使用都比较方便，自动化程度高。在缠绕过程中，应力真实，波动小，螺距精确，线速度的调整幅度宽，设备可靠耐用，能耗低。

　　4．立式辊射喷浆机

　　立式辊射喷浆机的作用是将配置好的砂浆混凝土通过辊射机高速、高压喷射在缠绕钢丝的混凝土管芯上，从而为预应力钢丝提供了一个高强度、密实性好、防腐蚀性能强的保护层。立式辊射喷浆机的性能、构造及其组成部分等方面，也基本与美国设备相同，性能也是比较完善的，近几年来还有比较明显的改进。如喷浆机连续供料一直为大家所困惑，原设备喂料时，常常结拱下料困难，工作时需有人工辅助，才能顺利连续喷浆，而且在喷射较大口径（DN3m以上）管子时，需要中间补料，分二次喷射过程才能完成。这不仅影响工效，还直接影响产品质量。为了解决这一技术难题，我们研制了皮带机自动跟踪上料系统和连续高效宽面喷浆供料装置，解决了下料不畅，容易结拱，中途补料，喷浆细窄等问题，提高了生产效率和喷射的表面质量。立式辊射喷浆机要求辊射轮达到足够的线速度，使砂浆喷射到管芯上之后有很高的密实度，并使砂浆与管芯贴结力达到足够的强度，砂浆的吸水力也应符合标准要求。喷浆机系统的设备应做到齐全，应包括砂浆搅拌站、各种原材料应有自动计量设备、辊射装置、砂浆喂料系统、提升装置、回转工作台、净浆喷射系统、操作平台、中央控制室等，为了做到保护层厚度一次喷射完成，要求回转工作台、提升装置、喷浆喂料等都应有调速装置，并相互配合调整后才能满足使用要求。
该机的主要特点是：生产效率高、成品管保护层质量好、设备完善、自动化程度高、使用方便，在喷射各种规格管子时，可不停机一次喷完，从而保证了喷浆的表面质量。砂浆储料斗下料通畅，在喷射过程中不需要人工辅助就能顺利下料。胶带机送料充分及时，喷出的砂浆比较均匀，辊射轮的线速度高，喷射到管壁上的砂浆粘结力强。

　　5．二合一缠丝喷浆机

　　目前的预应力钢筒混凝土管制作过程中，缠丝和砂浆保护层两道工序，分别由缠丝机和喷浆机两台设备来完成的，工艺复杂，起吊设备使用频繁，影响生产率。

　　它是一种适合制造预应力钢筒混凝土管用的，既可完成缠丝作业，又可完成砂浆保护层作业的新型专用设备，简化了工艺流程，充分挖掘设备潜力，提高生产效率，减少投资成本。

　　该机的主要特点：采用缠丝、喷浆合二为一的方法，合并了相同功能的部件，简化了工艺流程和机构，变两台设备为一台设备；结构紧凑，占地面积小，便于工艺布置；减轻设备自重，减少了装机容量；减少了操作人员，提高了劳动生产率；减少起重机吊次，节省了辅助时间，提高了设备利用率。

　　四、前景展望

　　PCCP在国外的发展和应用已有70多年的历史，最早的已有100年之久，但在我国只有10多年。我国起步虽较晚，起点却较高，我们是在引进和借鉴国外最新技术的基础上迅速建立起来的，就应用技术而言，已经与国外先进水平接近。目前美国已能生产的最大口径为8m，已投入运行的最大口径为7.4 m.；与国外相比，我们目前生产的口径相对还比较小（南水北调北京段国内最大口径为DN4.0m的PCCP）。我国是一个水资源紧缺的国家，水资源在时空分布上极不平衡，在空间分布上南方水多，北方水少；在时间分布上，降雨量主要集中在夏季三个月内，其它月份降雨量很少。干旱缺水是我国尤其是北方地区经济发展的重要制约因素。据统计我国669座城市中有400座供水不足，110座严重缺水。随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的加快，通过跨地区、跨流域的调水工程解决城市用水是一种必然的发展趋势。水利部前部长汪恕诚曾经指出：跨流域调水将是21世纪中国水利的一大特点。PCCP的综合优势十分明显，在大口径输水管线选材时，已越来越显示出其优越性和竞争力。因此可以预料，随着我国工业化快速发展和人民生活水平的不断提高，对水的需求量快速增长，对大口径管的需求量也会越来越多，大力发展PCCP已成为必然趋势。因而需要更多的专用生产设备，运输和安装设备才能满足要求，有待我们加速研究开发。

　　PCCP在我国经过近二十年的开发应用，已逐渐被人们所接受：万家寨引黄工程采用了DN3m的PCCP，运行情况良好；南水北调工程北京段采用了DN4.0m的PCCP，通过了验收。从1990年至今，全国已有PCCP生产厂家已近50家（包括PCCPE，PCCPL），累计生产PCCP超过5300多公里。

　　PCCP生产装备在我国的发展和应用也比较快，从90年代初开始如果算是第一代产品的话，那么到现在应该是第五代或第六代产品了。作为PCCP生产装备的科研单位，发展过程中我们还有很多工作要做，装备技术上还要继续优化，创新。我公司愿与各位同仁一道，继续努力，为我国PCCP的繁荣和发展，作出更大的贡献。