超高压混凝土泵的复合输送管研究 戴献军 １．三一汽车制造有限公司 长沙夏凌枫 许永和 ４１０１００；２．上海建工集团股份有限公司 上海 ２０００８０ 摘要：传统的超高压混凝土泵单层输送管，为同时满足泵送混凝土施工的耐磨性和抗爆能力要求，往往采用更好的 输送管材料、加厚管壁或提高内壁感应淬火硬度等方法。但这会造成整个管道质量加大、安装困难、制造采购成本偏 高，且淬火硬度过高容易出现管道内壁开裂或磨损掉块而发生堵管现象。在此情况下，开发了一种超高压混凝土泵双层 复合输送管，其外管防冲击韧性好，确保了抗爆能力，内管硬度较高且耐磨性好，解决了传统超高压泵管诸多弊端。 关键词：超高层泵送；复合输送管；耐磨性；抗爆能力 中图分类号：ＴＵ６４ ６ 文献标志码：Ｂ ＤＯＩ：１０．１４１４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｚｓｇ．２０１６．０１．０２８ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｏｆ Ｅｘｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｐｕｍｐ ＤＡＩ Ｘｉａｎｊｕｎ’ＸＩＡ Ｌｉｎｇｆｅｎｇ’ＸＵ Ｙｏｎｇｈｅ １．Ｓａｎｙ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１００；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００８０ ０ 引言 泵送混凝土是指在混凝土泵的压力推动下沿输送管 ＝ ＝３．５５ ｔｕｒｎ （１） 道进行运输并在管道出口处直接浇筑的预拌混凝土。混凝 土的泵送施工不仅可以改善混凝土的施工性能，提高混凝 土质量，而且还可以改善劳动条件、降低施工成本和减轻 ３）输送管设计壁厚ｔ。为了保证管道的高可靠性，增 长耐磨时间，减少拆装，保证工程进度，取厚度的安全系 数ｋ＝３．０，则输送管的壁厚ｔ＝－ｋ×ｔｏ＝１０．８５ ｍｍ。选用壁厚为 １０ ｍｍ，安全系数２．８２，磨损裕量５ ｍｍ，根据上海环球金 融中心１２５Ａ输送管实践经验，该输送管的使用寿命应在 １００ ０００ ｍ 以上。 环境污染。因此，泵送混凝土在国民经济中的应用日益广 泛，占预拌混凝土比重已超过９０％。 随着社会经济的发展，现代化超高层建筑逐年增多， 超高层泵送技术应运而生。其中，超高压输送管是混凝土 ４）验算输送管爆破压力。根据公式（２），其爆破压 泵送的媒介，要求具有较高的耐磨性和抗爆能力。随着超 高层泵送技术发展，开发超高压泵双层复合输送管，替代 力为： 传统超高压泵单层输送管已成为发展趋势，以解决单层管 整个管道质量大、安装困难、制造采购成本偏高，且淬火 硬度过高容易出现管道内壁开裂或磨损掉块而发生堵管等 问题 。 Ｒ＝２．３× ｂ１ｇ 弓＿． ＝１ｌ０．６ ＭＰａ＞５０ＭＰａ（２） 由此可知，输送管设计壁厚ｔ＝１０ ｍｍ满足设计要求。 ２输送管结构 １）原材料。输送管采用复合钢管西１ ６９ ｍｍ ｘ １０ ｍｍ，其外型尺寸应符合表１的规定，根据规范ＧＢ／Ｔ ３００７－－１ ９９９，其化学成分要求应满足表２的规定。 表１ 钢管外型尺寸 钢管种类 钢管尺寸 尺寸范围和允许偏差／ｍｍ １ 最小壁厚与爆破压力计算 １）条件说明。输送管壁厚６＝１０ ｍｍ，内径按Ｄ＝ １４８ ｌｎｌｎ计算；输送管采用复合材料，其外管２７ＳｉＭｎ，内管 为４５Ｍｎ：；混凝土泵最大出口压力Ｐｍ ＝５０ ＭＰａ。 ２）输送管最小壁厚ｔ０。６／Ｄ：０．０６８≤０．０８，６ ＝ ９８０ＭＰａ。则： 外管 复合钢管 （２７ＳｉＭｎ） 内管 （４５Ｍｎ２） 外径 壁厚 内径 壁厚 １６９：：．： ５ ＯＯ±Ｏ ２５ １４９： ５．０Ｏ士Ｏｌ２５ 基金项目： ＂－４－二五 国家科技支撑计戈 项目课题ｉ 。 － （２Ｏｌ４ＢＡＪ０３Ｂ０２）…， ｉ ｉ 篡麓 璃嗡 也址－－潮｝ｊ轩省长沙 僵 茧 蘩慧纛 发 鍪越 （４１０１００＞ 收稿１３期 ２０１５－－１２－－２２ ｊ ｊ ＿表２化学成分要求（质量分数） 牌号 Ｃ Ｓｆ Ｍｎ ｆ Ｓ Ｐ Ｃｕ Ｃｒ Ｎｉ ４５Ｍｎ２ ０ ４２～０４９ ０１７—０ ３７ １ ４０－１ ８０Ｉ≤Ｏ ０３５ ≤０．０３５ ≤Ｏ．３Ｏ ≤０．３Ｏ ≤Ｏ．３ｏ ￣７ＳｉＭｎ ０ ２４—０ ３２ １ １０—１ ４０ １ １０￣１ ４０Ｉ≤０．０３５ ≤０．０３５ ≤Ｏ．３０ ≤０．３０ ≤０．３０ ２０１ ６．１．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ囝 载献军 夏凌枫 许永和： 超高压混凝土泵的复合输送管研究 ２）输送管密封方式。输送管采用螺栓连接、“Ｏ”形 圈密封的方式，如图１所示。 Ｊ ｌ Ｉ ｌ ｆ ｝ ＩＩ ｌ 『 一 图１ 输送管密封方式 ３）输送管螺栓连接强度。输送管道连接采用８个Ｍ２４ 螺栓，管径为０．１５ ｍ，面积为０．０１７ ７ ｍ ，压力为４７ ＭＰａ， 作用力为８３１ ｋＮ，螺栓 ２４ ｍｍ，１０．９级螺栓保证载荷为 ２８７ ｋＮ，单个螺栓受力１０１ ｋＮ，螺栓拉应力２２９．４９ ＭＰａ， 安全系数２．８２。 ４）输送管复合结构形式如下口］。 ①活动法兰，螺栓连接，“０”形圈密封； ②固定法兰只与外管焊接，采用内外２道焊缝； ③法兰面与管端距离２ ｍｍ，调整热处理内外管伸缩 差（图２）； ｍｍ×ｂｍｍ ｍｍ×ｂｍｍ 图２ 输送管复合结构形式 ④压７ｊｅ＝５ｏ ＭＰａ，输送管流通截面Ｓ。＝＂ｒｒＤ ／４，输 送管受拉截面积ｓ：＝ ［ ＋２ ６）２－Ｄ ］／４，则其最大应力６＝ Ｆ／Ｓ２＝Ｐ×Ｓ１／Ｓ２＝３３６ＭＰａ＜９８０ＭＰａ。 ３ 工艺流程及技术标准 ３．１下料 输送管的直管段按图纸直接下料，其下料长度偏差控 制在一１～１ ｍｍ之间，端面垂直度不超过１ ｍｍ，内外管错位 量≤１ ｍｍ。 ３．２除锈 复合管外管两头用砂轮片打磨除锈，要求见金属本 色，长度６０～７０ ｒｎｒｆｌ。 固建筑施工嘲 第１期 ３．３ 组对 １）长度５００ ｍｍ及以下直管手工组对，长度５００ ｍｍ以 上的直管要求使用组对机组对； ２）组对后连接法兰坡口朝向两头，组对长度偏差 在一１～１ ｍｍ之间，法兰端面垂直度偏差小于０．５ ｍｍ； ３）在直管与法兰Ａ（和Ｂ）外缝圆周上均匀分布点焊３ 点，焊点尺寸Ｋ６ ｍｎｌ，宽４ ｉｎｌｎ，要求焊接牢固； ４）在直管距两端面１５０ ｍｍ处各对称点焊３点，用于限 制连接法兰，焊点尺寸西１０ ｍｍ，高度４ ｍｍ，要求饱满圆 滑，保证两连接法兰分别位于两端。 ３．４焊接 １）焊丝采用ＥＲ５０．６的 １．２ ｍｍ气体保护焊丝； ２）先在直管水平支架上焊外缝，在外缝最高点处施水 平焊，不得施流焊，焊缝不得内凹； ３）内焊缝须吊装到热处理上料井里后进行平焊，不得 施流焊； ４）法兰Ａ（无槽）端内焊缝焊完后立即进行复合管的 内外管粘连焊接，保证焊缝位置沿圆周均匀分布，整个焊 缝饱满平整，不得内凹； ５）法兰Ｂ（有槽）端内焊缝不得有内外管粘连，整个 焊缝饱满平整，不得内凹； ６）焊缝质量等级执￣ＴＱ／ＳＹ ２００６．２００５ Ｃ类标准，焊缝 不得有任何气孔、夹渣、虚焊、凹陷、焊瘤等缺陷；法兰 密封表面不允许有任何焊瘤和飞溅； ７）外焊缝焊后需要清理和打磨，保证连接法兰和两头 法兰面可无间隙贴合。 ３．５热处理 １）热处理后内外管错位不超过２ ｍｍ，否则需用 ＥＲ５０．６的 １．２ ｍｍ气体保护焊丝补焊或打磨内管使两者平 齐，两端的焊缝不得伸出法兰端面，高出法兰端面者需经 打磨，打磨不得伤及法兰端面； ２）热处理后硬度要求：内管为４０～５０ＨＲＣ，外管为 ３０￣４０ＨＲＣ； ３）热处理后内外焊缝和内外管本体不得有裂纹，法兰 Ａ端内外管粘连焊缝除外。 ３．６成品管尺寸 成品管直线度≤５ ｍｍ／３ ｍ，总长尺寸公差在一２￣２ ｍｍ之 间，法兰端面垂直度偏差不超过１ ｍｍ。 ３．７喷砂 表面处理等级达Ｓａ ２．５，所有管表面和法兰表面都要喷 到，喷后清理干净连接法兰与管缝里的砂粒 】。 ４ 试验及检测验证 共进行４种热处理工艺试验，其工艺曲线见图３，检测 结果见表３。 戴献军 夏凌枫 许永和： 超高压混凝土泵的复合输送管研究 试样的试验结果均符合相关规范要求。 鑫 旦 ５ 结语 时间／ｍｉｎ 时间／ｍｉｎ 由于在进行混凝土超高层泵送时，输送管道内压力最 （ａ）工艺１ （ｂ）工艺２ 大可达到５０ ＭＰａ，如采用内径１５０ ｍｍ的输送管，纵向将 产生８８０ ｋＮ的拉力，对输送管的耐磨性和抗爆能力要求较 嘣 高。因此，针对现有的单层超高压输送管的局限性，本文 垦 系统地阐述了超高压泵双层复合输送管的开发方法和开发 时间／ｍｉｎ 时间／ｍｉｎ 全流程。通过试验验证，双层复合管完全满足混凝土超高 （ｃ）工艺３ （ｄ）工艺４ 层泵送的施工耐磨性和防爆性要求，为超高压泵双层复合 图３复合弯管热处理工艺曲线 输送管在超高层泵送中的应用提供了理论和试验依据。 表３复合管性能检测结果 Ⅱ参考文献卫 编号 硬度ＨＲＣ 外管口ｂ／ 外管冲击 金相组织 椭圆 最大壁厚 淬透 ［１】陈国桂，周斌，乔翔，等．降低混凝土泵车输送管残余应力的方法Ｕ】．金 外 内 ＭＰａ 功Ａ 外 内 盔，％ 减薄率／％ 情况 属热处理，２０１１（９）：１３２—１３３． 工艺１ ２２ ３２ ８７３ Ｔ＋Ｇ Ｐ＋Ｆ ≤８ ９ 未淬透 工艺２ ３５ ４７ １ １７０ Ｂ＋Ｆ 回火Ｍ ≤８ ９．４ 淬透 『２１卢德忠．浅谈泵送混凝土堵管现象解决方法 低碳世界，２０１４（６Ｘ）： 工艺３ ４４ ４６ １ ２５３ ３８ 回火Ｍ 回火Ｍ ３ ９ 淬透 １０９－１ １０． 工艺４ ４４ ４９ １ ２８７ ４０ 回火Ｍ 回火Ｍ ３ ８ ４ 淬透 【３】李刚，王映．泵送混凝土输送管的径向受迫振动分析 ．建设机械技 由检测结果可知嘲，工艺４得到的外管冲击韧性好，内 术与管理，２００１（６）：２８－３０ 管硬度较高，故选择工艺４进行复合管的热处理。回火温度 【４】果兴原，姚明颖．混凝土输送管在泵送时堵塞问题的探讨Ｕ１．山西建 ３００℃时，钢材会产生第一类回火脆性，因外管中硅的存 筑．２００４（２）：３８—３９． 在，有效地防止了第一类回火脆性的产生。另外，还进行 ［５５ 田德森．】混凝土泵送设备及输送管的选择与布置Ｕ１．天津建设科技， 了焊缝拉伸试验、母材拉伸试验、硬度检测等强度试验， ２０００（４）：１１－１２ （上接第７６页） Ｃ７０：减少矿粉，增加粉煤灰，调整砂、石、水含 根据本仪器前期对实验所用混凝土测量所得数据，测 量，总胶凝量增加，水胶比减小。 得实验所用ｃ６０混凝土摩擦因数 ＝０．２５ Ｐａ・ｈ／ｍ。其他压力 Ｃ６０：增加粉煤灰，调整砂、水含量，总胶凝量增 损失为１ ＭＰａ，则计算千米实验所需混凝土泵提供的最大 加，水胶比减小。 出口压力为３９．８ ＭＰａ。 调整混凝土胶凝材料、砂率、水胶比，将Ｃ７０、Ｃ６０摩 根据计算结果可知，施工所需的混凝土泵的最大出口 擦因数分别降低至０．３７ Ｐａ－ｈ／ｍ、０．２３ Ｐａ・ｈ／ｍ，满足项目要 压力必须大于３９．８ ＭＰａ，鉴于超级超高层项目需要混凝土 求。 泵最少有２５％的压力余量，为了保证实验的可靠性，三一 该设备可以帮助调整混凝土配比，并对混凝土配比进 重工专门为实验开发了一款最大出口压力达到５５ ＭＰａ的超 行大量的优化测试，因此可作为一种评判混凝土可泵性的 高压拖泵。 测试仪器。 ４．２．２在混凝土配比优化上的应用 三一重工为国内外众多高层施工项目所使用的混凝土 ５ 结语 配比进行了优化，在不降低混凝土强度的前提下，降低了 针对现有的计算泵送混凝土摩擦阻力方法的局限性， 混凝土的摩擦因数，从而提升了混凝土的可泵性。 本文结合施工经验，提出一种混凝土摩擦因数的计算方 以深圳平安项目的混凝土配比为例：在试验测试阶 法，并通过大量的实验及实际应用证明了该计算方法的可 段，测出混凝土Ｃ７０、Ｃ６０摩擦因数较大，不利于超高层泵 靠性。 送，施工方要求Ｃ７０、ｃ６ｏ；￣凝土优化后摩擦因数分别≤ 通过本文提供的泵送混凝土摩擦因数测量的计算方 ０．３８ Ｐａ‘ｈ／ｍ、≤０．２５ Ｐａ・ｈ／ｍ。对此，三一重工协助对混凝土 法，可以实现混凝土泵的选型及混凝土配比的优化，降低 的配比优化，优化后Ｃ７０、Ｃ６０混凝土摩擦因数降低，满足 混凝土的摩擦因数，改善其可泵性，达到节能减排、降低 了项目和使用要求，详细优化项目如下。 施工成本的目的。 ２０１ ６小Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｎｓｌｒｕｃｔｉ。ｎ囫