大口径不锈钢洁净管道关键施工技术

张胜玉

上海市安装工程集团有限公司 上海 200080

随着我国国民经济的快速发展,电子、生物医药及食品行业生产厂房设施中的气体、液体供给系统所使用的不锈钢洁净管道市场快速增长。随着电子、生物医药及食品行业产品制程技术精度的日益增加，对管路中气体液体的洁净程度要求也越来越严格。

1 工程概况

上海市安装工程集团有限公司承接的工程为上海和辉光电公司第六代AMOLED 显示项目压缩空气系统，包括离心式空压机、螺杆空压机、高低压控制盘、缓冲罐、冷却器、干燥机、过滤器、终端过滤器、水泵、风机、管路、阀门及其之间的衔接。

压缩空气后处理流程如下：空压机→缓冲罐→后部冷却器→前置过滤器→外鼓风零气耗干燥机→后置过滤器→活性炭过滤器→缓冲罐→终端过滤器。

本工程管材选用AP 级/ BA 级洁净不锈钢管，最大管径DN800，采用焊接连接。洁净不锈钢管道中压缩空气的主要功能为吹除AMOLED 屏幕生产过程中显示屏上残存的微米级灰尘。鉴于显示屏表面极度的洁净要求，设计对吹扫气体品质提出了明确指标规定：颗粒＜10 颗，＞0.1μm/ ft3/ 3 次，系统终端过滤器滤孔尺寸为0.01μm，过滤率99.99999999%。施工过程中任何残存的杂质都将影响气体品质，堵塞过滤器，影响系统功能的正常发挥。

2 难点及措施

在安装现场开放式环境下对原材料加工、预制，受制于现场的条件简陋、作业环境差，对大口径不锈钢洁净管道进行施工存在较大的难度。

（1）空间管理难度大。为此，采用BIM 进行空间规划与管理。

（2）管道内的洁净度要求高。整个项目的重中之重是如何保障管道系统在一系列的加工、安装、调试过程中，始终保持管道内的洁净度达标。

（3）不锈钢管道不允许火焰加热，不允许出现较大错边、变形和应力。由于本工程的不锈钢管道洁净度等级达到AP 和BA 级，管道内壁不允许触摸。管道组对时外壁不允许用火焰加热的方法，管道内壁也不允许施加外力来校正管道的错边现象。同时，不允许管道组对时的定位焊焊点出现氧化现象。

（4）304L 不锈钢洁净管道焊接质量要求高。本项目为精密电子工程，对压缩空气的洁净要求非常高，这对304L 不锈钢管道的焊接质量提出了非常高的要求。304L 不锈钢在运输时及整个施工过程中，都需充满惰性气体保护，这给施工带来了不便。另外，本工程304L不锈钢最大管径达到DN800，壁厚为8.8mm，需进行根部焊接，在焊接过程中不得污染管道内部，这对施工环境及施工技术提出了极高的要求

（5）不锈钢洁净管道内壁焊缝颜色要求国内无标准。由于不锈钢洁净管道内壁焊缝颜色要求国内无相应的标准，是否合格无评判依据，给施工带来困难和不便。后来，借鉴美国焊接学会的标准AWS D18.1：2009，经与业主反复协商，并经现场焊接效果多次验证（包括大口径管手工氩弧焊和小管全自动氩弧焊），最后双方达成一致，不锈钢管内壁焊缝颜色必须至少达到3 级，焊工焊出来的试样经业主认可后才能正式开始施焊产品。

3 关键施工技术

3.1 基于BIM的管段预制加工图深化技术

在工程设计阶段，利用三维可视化设计和仿真模拟技术减少设计错误，解决管线综合以及与建筑结构的碰撞问题，包括施工图纸的直接冲突、管线设备安装时的操作空间、设备检修必需的空间占位、大型设备吊装和运输路线分析等。在正式施工之前解决上述问题，优化设计方案，以达到确保工程质量、控制工程造价的目标。

（1）BIM 碰撞测试:在管道预制前，进行BIM 碰撞和美观检查，确保预制管路到现场对接时，现场无碰撞。

（2）BIM 碰撞测试完成后，绘制最终版系统图；再根据系统图对管路进行分段，确定工厂加工详图。

（3）在确定管道工程加工详图时，需考虑各规格阀门尺寸，并与厂家联系，取得各规格阀门详细资料；与厂家确定管道及配件预制加工技术文件；确定不锈钢各分段详细参数表，确保与加工技术文件无误。

3.2 大口径不锈钢洁净管道工厂化预制技术

3.2.1 洁净室（预制间）搭建

洁净室框架采用镀锌角钢，焊接连接。洁净室外铺设防静电PVC 膜，室内配备了洁净服与洁净鞋，地面上铺设防静电PVC 地板革。洁净室顶部均匀分布风量为1200m3/ h，过滤效率99.99%/ 0.3μm 的FFU 高效过滤器。

承载不锈钢洁净管道的焊接支撑件材质为镀锌碳钢。在支撑件上铺设聚四氟乙烯白色垫片，用于阻隔不锈钢管和碳钢，防止二者接触。

3.2.2 管道预制与布置

本工程不锈钢管道在安装过程中尽量扩大预制量。现场加工预制时，在专用的场地进行，严禁和加工预制碳素钢的场地混用。

管道预制需注意以下几点：

（1）预制前应认真核对管线图和现场实测尺寸，预制管段的组合尺寸应符合要求。

（2）管子对口时，应检查平直度，在距接口中心200mm 测量，允许偏差2mm。全长运行偏差最大不超过10mm。

（3）管道组对时，焊口不得采用强力对口、加热管子等方法消除原有缺陷，以免造成附加应力。管子、管件组对时，应使内壁平齐，内壁错边量应为壁厚的10%，且不应大于2mm。

（4）管道在组对前，应清理管道内外表面，将坡口两侧内、外壁20mm 范围内的油、漆、垢、锈等清除干净，直至发出金属光泽。

（5）焊接接头组对前，应确认坡口加工型式、尺寸，且表面不得有裂纹、夹层等缺陷，焊件的坡口加工应按规定要求进行。

（6）不锈钢管道组对时，要避免金属表面出现机械损伤，应采用吊装或吊带搬运。

（7）不锈钢管道组对时，应采取防污措施。施工工具应保持清洁，不得使用造成铁污染的黑色金属工具。施工过程中，应防止其他管道切割、焊接时的飞溅物对其造成污染。

（8）预制完成的管段，应将内部清理干净，并及时封闭管口。焊接接头处应标明管道编号、焊口号和焊工号。

3.3 大口径不锈钢洁净管道焊接技术

3.3.1 焊接要求

（1）大口径不锈钢管道内部必须保持洁净，焊接时内壁应避免氧化，焊缝应光滑、明亮、洁净，不得出现发蓝、发黑现象；

（2）不得进入不锈钢管道内部焊接，只允许单面焊，即焊工必须具备单面焊双面成形的技能；

（3）不锈钢洁净管道外部的坡口、焊道不得用砂轮打磨机清理，只允许用百洁布或不锈钢丝刷清理；

（4）不锈钢洁净管道焊后，内壁不允许酸洗钝化、不允许打磨抛光或钢丝刷清理，以避免产生污染。焊后只允许用5N 的氮气或氩气吹扫；

（5） 不锈钢洁净管道内部焊缝表面颜色按照AWS D18.1：2009 的要求，必须达到1—3 级，4—10级为不合格。

3.3.2 焊接要点

3.3.2.1 选择手工钨极氩弧焊加焊丝(308L)焊接

针对上述要求，本工程大口径不锈钢洁净管道的焊接采用手工钨极氩弧焊加焊丝(308L)焊接。这是基于如下考虑：

（1）由于氩气是惰性气体，焊接过程中不参与任何冶金反应，熔池非常镇静、易于控制，根部焊道无渣、无飞溅，焊后根部焊道可免除清理。

（2）由于电弧受到氩气气流的压缩和冷却作用，电弧能量比较集中，电弧电压低，燃烧稳定，热影响区小。

（3）手工钨极氩弧焊枪操作灵活方便，通过填丝动作可随时随意地配合电弧控制焊缝根部的熔孔大小形状，很容易保证根部及背面成形良好。由于热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整，所以钨极氩弧焊可进行全位置焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。

（4）由于本工程不锈钢管径较大，没有相应的全自动氩弧焊机（母材自熔焊接），所以只能采用手工钨极氩弧焊加焊丝焊接（当然施工难度大）。

从保证焊缝颜色和耐腐蚀性等角度而言，自然希望焊接热输入小一些为好，但焊丝熔化需要额外的热量，所以加焊丝焊接比母材自熔焊需要的热输入大，这存在不利的一面。此外，从保证焊透和单面焊双面成形的角度来看，热输入又不能小。这显然存在矛盾之处，因而对焊工的技能提出了非常高的要求。

3.3.2.2 保证焊接质量的具体措施

由于本工程的特殊要求，焊工必须具备奥氏体不锈钢管的单面焊双面成形技能，加之又是压力管道，为保证焊接质量作出如下规定：

（1）从事不锈钢洁净管道焊接的焊工必须按照TSG Z6002- 2010《特种设备焊接操作人员考核细则》的要求考试，并取得质监局颁发的《特种设备作业人员证》相应项目GTAW- FeⅣ- 5G 或GTAW- FeⅣ- 6G资格（不是5G（K）或6G(K)，且项目资格必须在有效期内。具备上述资格的焊工在焊接不锈钢洁净管道前还应先试焊样品，经现场培训考试，达标后，方能正式焊接产品。每天上班施焊作业前都要进行考试，考试合格才能从事当天的焊接工作。

（2）为了确保高洁净度，搭设了专门的洁净室用于不锈钢洁净管道的焊接生产。为防止铁离子和其他有害杂质的污染，严格禁止与碳钢管混合作业；生产场地必须保持清洁、干燥，地面铺设橡胶或木质垫板；半成品、成品的堆放配有木质堆放架；生产过程中使用专用滚轮架（如滚轮衬有橡胶等）、吊夹具及其他工艺装备；起吊吊缆采用绳制吊缆；不锈钢洁净管道在周转和运输过程中，要配备必要的防铁离子污染和磕、划伤的运送工具；运作过程中严禁与碳钢的货架、工具或其他尖硬物体直接接触。

（3）不锈钢洁净管道的保护气体必须选用纯度大于99.999%的高纯氩。氩气应符合GB/ T 4842- 2006《氩》的规定。如果氩气中的杂质含量超过规定标准，在焊接过程中不但影响对熔化金属的保护，而且极易使焊缝产生气孔、夹渣等缺陷，使焊接接头质量变坏，并使钨极的烧损量增加。由于多个班组焊接，需气量大（尤其是充氩量极大），单瓶无法提供足够气量，所以建立了专门的氩气站。管子开封前应预先做好管内充氩的准备工作。管子在去掉塑料外包装后，要轻轻的取下两端的塑料密封套，并立即充氩，防止空气污染。

（4）为防止焊缝区因表面氧化而造成不锈钢管内壁变色和抗腐蚀能力下降，焊缝背面应采取充氩保护措施。保护措施可根据管道直径的大小与复杂程度采用整体或局部充氩方法。采用整管充氩保护法充氩时，要用海绵或胶带将管子两头封住，同时用胶带封住全部待焊接缝；采用局部充氩保护法充氩时，要在焊缝两侧200～250mm 处用定制的海绵等专用物质塞住，并用胶带封住所有的待焊接缝。

（5）焊前应对管内进行预先充氩，充氩时间原则上以氩气全部置换完密封段内空气为准（一般为1～2h）。充氩开始时，宜采用较大的流量（充氩流量为25～75L/ min），确保管内空气完全排除后方可施焊；焊接时背面保护用的氩气流量应适当降低，避免出现凹坑。当完成打底层焊接后，可将充气流量调整至6～8L/ min，然后进行后续的焊接。

（6）第一层焊完后，应趁焊缝高温时用不锈钢钢丝刷将焊缝表面刷干净。在高温冷却过程中应持续通氩气防止氧化，冷却至道间温度低于60℃时方能焊接第二道。第二道工序同上。注意刷焊道时，应从上往下刷，并将刷焊道的范围减到最小。

（7）为防止空气侵入熔池，焊接时不能把贴在接缝处的胶带一次除去，应撕一段焊一段。焊接中电极尖端到熔池表面的距离一般不要超过电极直径，焊枪摆动速度不宜过快，焊丝填充时应平稳地送入电弧区，焊丝前端应置于保护气体中。在保证焊透和熔合良好的条件下，宜采用小电流、短电弧、快焊速和多层多道焊工艺，并应控制道间温度。应在坡口内引弧，焊件表面不得有电弧擦伤，并不得在焊件表面引弧、收弧。焊接中应确保引弧与收弧处的质量，收弧时应将弧坑填满。相邻焊道的起弧或收弧处应相互错开30mm 以上。注意要将焊缝表面熔渣、氧化物、油脂和锈迹等清除干净后，再继续施焊。

3.4 不锈钢洁净管道安装施工精确度控制技术

3.4.1 现场安装技术

（1）不锈钢管材、管件及其管道组成件应随用随出库，尽量避免在现场较长时间存放。

（2）在现场安装过程中，不得使用可能造成铁离子污染的工具。不锈钢管道不准直接与碳素钢制品接触，在接触处必须衬垫不含氯离子的塑料、橡胶。

（3）不锈钢管道安装前应对管子、管件、阀门等进行检查，以免由于牌号或化学成分与设计要求不符造成返工。如设计有特殊要求，需按设计要求处理。

（4）在现场安装工程中应谨防尖锐或硬性物质划伤、擦伤不锈钢管材、管件及其管道组成件表面。一旦有局部磕碰或划伤等影响耐腐蚀性能的缺陷，则该管材、管件及其管道组成件不得再安装。

（5）临时性洁净室装设在现场。管路施工中，所有预作管线部份均需在临时性洁净室内进行，以控制微尘数。

（6）每一段切割至所需长度的管子，最后均需以纯度为99.999%氩气喷洗，以避免有小碎片残留。喷洗完后立刻以帽盖覆在两端开口，并以塑胶套膜包装好储存，直到需要安装这些管线前再行拆封。

（7）管线支架的装设：支架的材质需为槽钢，且装配在天花板、墙缘、梁柱及设施等之上，以固定管线；支架的摆设位置，需依现场实际状况，予以量测并架配；配管时需考虑管线工作处、维护及配设之美观程度等；管线之间的架设间距不能大于规范要求的最大允许跨度；螺钉与螺帽的材质，需为不锈钢制品。支架间距见表1。

表1 管线支架间距

3.4.2 精确度控制技术

本工程大口径不锈钢管道都是在台湾工厂预制加工、洁净处理合格后运至施工现场进行进一步深加工。如果管段安装错误或者加工尺寸偏差较大，出现返厂或重新订货加工的情况，对整个施工工期及施工成本将造成极大的损失。这就要求在施工过程中细化安装工艺，加强安装精度的检验检测，强化施工管理措施。每段管道及管配件安装完成后，需要进行管道尺寸复核检验，这不仅仅是对单项管道安装精度的检验，还能及时对整个管道系统安装误差进行调控，确保万无一失，为后期整个系统的质量达标打下坚实基础。

针对施工中遇到的难题，管道组采用与管道规格相同型号的管道外对口器（可调螺杆端部焊不锈钢垫片以防止污染不锈钢管道，见图1）来解决管道组对时错边的问题，利用特殊的夹具消除管道错边现象，在管道错边量达标后可夹紧对口器夹具来代替定位焊的功能。与此同时，摒弃传统的管道定位焊工序，直接采用两个焊工从管道的两个侧面同时进行正式氩弧焊焊接作业。由于管道两侧是同时受力，焊接过程中可减少变形达到应力平衡，保证了管道的组对及焊接质量。

图1 管道外对口器

4 创新点

本工程大口径洁净不锈钢管道工厂化预制、焊接、装配安装等关键技术取得了以下创新成果：

（1）通过采用基于BIM 管段预制加工图深化技术，有效避免了施工过程中管线的碰撞及大量返工。

（2）采用大口径不锈钢洁净管道工厂化预制技术，施工现场设置10000 级不锈钢洁净管道洁净室（预制车间），创新了洁净管道工厂化预制施工技术，既保证产品质量，又提高工作效率。

（3）开发了大口径不锈钢管道专用的外对口工夹具，大幅提高管道组对精度，并且实现管段快速组对安装。

（4）针对大口径不锈钢洁净管道的工艺要求，研制了专项焊接工艺及保护装置，确保管道焊接达到AWS D18.1:2009 标准1—3 级。

（5）对管道预制、装配安装、焊接、吹扫、调试等关键环节实现全过程控制，最终整个管道系统的空气质量达到＞0.1μm/ ft3的颗粒＜10 颗的标准，满足工程要求。

5 结语

通过采用大口径不锈钢洁净管道一系列关键技术，和辉光电第六代AMOLED 显示项目净化压缩空气系统，施工得以顺利开展，避免了工期延误。本工程无论是在管道前期工厂预制加工方面，还是在施工现场方面，都采用了以往施工中罕见的新技术，尤其是利用BIM 建模方法将整个管道系统进行细部划分，有效地指导管道安装。其次，在施工过程中落实洁净度要求，从施工现场临时洁净室的选型、搭建，到管道进入现场存储、组对、焊接等诸多环节上尽量减少污染、保持管道的洁净度，从而保证了整个管道系统在空气质量检测中顺利达到标准要求。该大口径不锈钢洁净管道一系列关键施工新技术的使用，保证了本项目压缩空气系统的顺利运行。