铁路桥梁预应力管道自动压浆(王乐然)

第二部分铁路桥梁预应力管道自动压浆2017/07铁路工程信息化系统预应力施工自动化中国铁道科学研究院目录TABLEOFCONTENTS1.0

铁路桥梁预应力压浆技术现状2.0

铁路桥梁预应力自动压浆技术的研发历程3.0TGZY型铁路桥梁预应力自动压浆系统4.0自动压浆工艺流程及实施要点5.0

自动化压浆技术工艺特点6.0

前景展望1.0铁路桥梁预应力压浆技术现状1.1

国内外压浆技术现状及发展1.2目前自动压浆技术存在的问题1.1

国内外压浆技术现状及发展

预应力管道压浆是后张法预应力混凝土桥梁工程预应力施工的主要环节和关键工序，压浆质量直接影响桥梁的承载能力和耐久性，作为隐蔽工程，压浆施工过程的监控一直是预应力桥梁施工的重点和难点。高质量的管道压浆可以提高预应力筋的防腐防锈能力，加强预应力钢筋或钢绞线与混凝土的粘接性，保证预应力度，减少预应力损失。

1.1

国内外压浆技术现状及发展

国内外压浆技术体系，基本上都经历了从传统的简单压浆到真空辅助压浆的过程。1986年，真空辅助压浆技术诞生于瑞士，并在在欧洲和北美工程领域中取得了良好的应用效果，1996年英国运输部采用此技术解决了由于压浆不密实导致的预应力锈蚀的问题，从而解除了对后张法预应力混凝土结构的禁令，该技术于1999年被引入我国。同时，围绕真空辅助压浆技术体系，相关设备、工装、预应力管道以及压浆材料等方面的研究也在持续开展，取得的研究成果对于推动压浆技术进步、解决实际工程问题具有积极的意义和作用。

现代压浆设备的自动化、信息化研究和发展现代化工程技术和工程管理发展的主要方向，是相辅相成、缺一不可的。1.2

目前自动压浆技术存在的问题目前国内外自动压浆设备主要包含搅拌制储浆部分、浆液称量部分以及压浆泵、抽真空泵、配套电机、连接管路和阀件以及自动化控制系统组成，基本能够实现自动出浆和压浆。自动压浆设备的发展经历了从压浆泵、控制系统、压浆过程监测系统以及其他辅助系统的升级和优化，综合分析国内外预应力管道压浆技术的现状和发展，在解决压浆质量方面都进行了积极的探索和尝试，也取得了一定的效果，但仍然存在以下缺陷和不足：1.2

目前自动压浆技术存在的问题（1）自动化程度低，人为因素影响严重：目前的自动压浆设备虽然能够实现自动压浆，但是称量、配料、压浆和抽真空各部分基本上是各自独立工作，特别是压浆和抽真空，抽真空过程基本上还是人工操作和控制，各部分之间尚未实现在统一的控制系统下的协同工作，在各个环节之间的衔接转换和过程状态判断方面尚需要人工干预，施工过程中不能对各种状况作出及时、正确的判断和反应，这些都造成压浆质量不稳定、施工效率不高等问题，压浆施工当前的自动化程度和水平尚需进一步完善提高。1.2

目前自动压浆技术存在的问题（2）施工过程监控困难，缺少压浆密实度指标，难以判断压浆质量：目前的技术水平对压浆施工的过程参数，如温度、压力、真空度等关键参数无法自动记录和查看，难以形成质量追溯；由于压浆施工属于隐蔽工程，同时由于技术限制，因此目前缺少压浆密实度的评判指标。比如管道压浆材料主要由水泥、压浆料和水严格按照一定的比例搅拌混合而成，压浆施工现场对原材料的计量往往比较随意，大多未进行准确计量，如采用水管直接加水、压浆剂用量不过秤等等，甚至存在为了改善浆液的流动性而肆意增加用水量，导致泌水量过大，在管道内形成泌水空洞的现象，直接威胁结构安全。1.2

目前自动压浆技术存在的问题（3）缺少数据管理系统和数据交互条件，难以形成工程网络化管理，在目前工程信息化大形势下，管理效率和水平有待提高。（4）压浆作业环境恶劣，粉尘污染严重，危害自然环境和作业人员健康安全。

1.2

目前自动压浆技术存在的问题（5）《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》（TB/T3192）等相关标准中规定了压浆施工的工艺要求，包括：压浆压力为0.50MPa～0.60MPa，真空辅助压浆的真空压力为-0.06MPa～-0.08MPa，并规定了压浆和抽真空的工序和时间要求等，考虑到施工现场条件的复杂性，为进一步控制并提高压浆质量，尚需更有针对性的、详细的自动压浆工艺方法和参数的研究。2.0研发历程2.1

立项2.2执行情况2.3现场试用2.4课题成果2.1立项总公司科技司于2016年设立科研重点课题，拟解决预应力传统压浆施工的弊端，提高我国铁路桥梁的预制水平和管理水平。课题名称：《铁路工程建造技术研究—铁路桥梁预应力管道自动压浆系统应用技术研究》合同编号：2016G002-J

起止年限：2016.03-2017.06承担单位：中国铁道科学研究院参加单位：建设、施工、生产制造单位2.2

执行情况通过了由总公司科技管理部组织的课题阶段评审和验收。2016年12月28日试用评审2016年9月19日方案评审2016年4月22日课题开题2.3

现场试用在郑阜客专西华制梁场、鲁南客专临沂制梁场使用本设备进行管道压浆开展了现场试用试验，对自动张拉系统的功能性和现场适用性进行了充分验证。2017年6月，在郑阜客专西华制梁场组织召开了现场观摩会，与会专家和领导给予了充分的肯定和积极的评价。2.3

现场试用2017年6月，在郑阜客专西华制梁场组织召开了现场观摩会，与会专家和领导给予了充分的肯定和积极的评价。2.3

现场试用40m跨度预应力混凝土简支箱型样品梁使用本设备进行管道压浆。2.3

现场试用2017年5月，自动压浆系统开始在京沈客专京冀段的潮白河特大桥、顺义河特大桥展开应用，7月展开连续梁施工技术现场观摩会，通过压浆自动化提高了现场压浆质量，同时积累了丰富的现场工程经验。2.3

现场试用工程应用数据统计：水泥称重偏差：0.00%～0.99%，准确率100%压浆剂称重偏差：0.00%～1.55%，准确率98.50%水称重误差：0.00%～1.11%，准确率99.50%抽真空度：在-0.094MPa～-0.061MPa区间内数据占98.50%保压压力：在0.5MPa以上、180s的有效数据占95.05%平均压浆时间：32m梁480s/孔道、24m梁350s/孔道，有效数据占95.54%压浆量计量：有效数据占98.77%2.4

课题成果课题成果：（1）TGZY型铁路桥梁预应力管道自动压浆机2.4

课题成果课题成果：（2）相关标准3.0TGZY型预应力自动压浆系统3.1

系统组成3.2

系统技术参数3.3

系统功能特点3.1

系统组成系统组成：主控制、机械动力、传感测量、数据管理和辅助等五大子系统构成，负责完成压浆施工过程中的配料制浆、抽真空、压浆以及安全辅助等功能的控制和执行。3.1

系统组成机械动力系统：刮板式上料机主要由机头、中间部和机尾部等三个部分组成。具有输送效率高、结构简单、坚实耐用、安装维修方便、密封性能好、可正反向运行方便结构设计和故障排除等优点。工作原理：压浆剂和水泥（或压浆料）分别放置于相应的料斗中，PLC控制系统控制电机转动带动皮带和刮板，考虑到压浆剂的上料精度要求较高，因此采用倒刮的方式由刮板推动粉料通过上料通道至出料口，进入高速制浆桶内。3.1

系统组成机械动力系统：高速制浆桶自动压浆系统的高速制浆桶配套称重传感器主要用于配料和制浆，将压浆料或压浆剂、水泥与水按照规定配比准确混合，高速搅拌可使粉料与水在规定时间内得到充分搅合，具有制浆效率高、操作简便、浆液均匀等特点准确称量：在高速制浆桶下方安置精度比较高的称重传感器，能够满足压浆剂、水泥（压浆料）和水的称量误差±1%的要求，同时方便专业检验单位的检定校准、方便用户的自校。3.1

系统组成机械动力系统：低速储浆桶可实现临时存储制成浆液，通过低速搅拌保证浆液的匀质性，本研究将称重传感器引入低速储浆桶配置，从而实现了对出浆量的准确掌握，进而判断压浆密实度。3.1

系统组成机械动力系统：压浆泵双向自动压浆泵分为传动机构和泵体两大部分。两个泵缸独立对称分设在压浆泵两侧，内部结构简单，其维护修理的难度和工作量基本上等同于单缸泵。新型双向连续压浆泵具有出浆连续、压浆压力稳定、清洗方便、使用寿命长的优势，浆体量计量功能，可以实现对密封管道浆体的稳压保压，自动微量补浆作业工序，且可对压入浆体量进行自动计量，可以保证管道内浆体质量，提高了出浆效率。3.1

系统组成机械动力系统：抽真空泵水循环泵属于一般真空泵，主要由叶轮、进气口、排气口等结构组成，依靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的。试验表明：在良好的管道密封条件下，使用水循环真空泵完全可以满足现场的使用要求。3.1

系统组成传感测量系统：自动压浆系统具备准确称量、压力监控和温度测试功能，各测试模块在PLC系统控制下协同工作，将实时数据反馈给控制系统，控制系统形成指令，控制压浆设备完成相应操作，实现压浆全过程的自动控制。3.2系统组成主控制系统和数据管理系统自动压浆控制系统的功能性、稳定性和耐久性是安全、优质、高效制梁的基本要求，控制系统的硬件和软件之间应相互兼容、协同工作。硬件应性能稳定、牢固可靠以适应复杂的现场制梁环境，包括天气环境、电磁环境和网络环境；软件应具备功能齐全完善、人机交互便捷、指示准确及时、界面清晰简洁的特点，确保系统的运行控制、压浆过程的实时监控和设备运行状态跟踪监测等。3.2系统组成主控制系统和数据管理系统整个控制系统硬件主要由中央管理模块（工业电脑、人机界面）、控制模块（可编程控制器PLC、外围低压控制开关元件）、电源模块（变压器、开关电源）、信号采集模块（压力、称量、温度、转速、计时等传感器和采集模块、A/D模块）、驱动模块（控制辅助元器件）、执行模块（搅拌桶、压浆泵、抽真空泵及辅助设备）等组成。控制系统的硬件设计主要考虑到控制处理器和相关电器元件的功能性、兼容性、稳定性和耐久性。控制系统主要部件为工业电脑和PLC可编程控制器。软件设计采用C#编程语言3.2系统组成辅助系统：（1）自诊断、自保护系统（2）预报警系统（3）清洗系统（4）断电保护和续点工作系统（5）平衡支腿装置（6）除尘环保系统3.2

系统技术参数

制浆技术参数高速桶制浆量200kg～400kg高速搅拌机转速

≥1000r/min叶片线速度 10m/s～20m/s过滤网格尺寸 3mm×3mm称量误差

≤1%称重传感器精度≤0.50%F.S3.2

系统技术参数

压浆技术参数低速桶储浆量250kg～500kg保压压力0.50MPa～0.60MPa压浆流量≤35L/min真空度-0.09MPa～-0.06MPa压力表精度等级

不低于1.6级真空表精度等级不低于1.6级3.3

系统功能特点

基本功能①全自动控制，一键启动，自动和手动控制切换便捷。②配料制浆和真空压浆过程各自独立完成，统一控制，无缝对接，实现连续压浆作业。③上料、配料准确，制浆过程可预先设置，自动完成，符合国家和行业技术标准。④压浆连续稳定、自动调速、自动保压，真空压浆过程可预先设置，自动完成，符合国家和行业技术标准。⑤压浆量自动计量，确保压浆饱满密实。⑥状态提示，语音播报和动态显示制浆和压浆状态。⑦除尘环保，绿色施工。3.3

系统功能特点

数据功能①参数预设（录入或导入），包括工程信息、桥梁信息、设备信息、材料信息和工艺参数等。②自动记录过程参数，包括制浆进度、真空压力、压浆压力、浆液温度、环境温度和时间等。③自动测量并记录制浆和压浆结果，包括配料数量和误差、压浆压力时程曲线、实际压浆量等，并自动生成数据报表。④自动存储全部过程数据和结果数据，方便随时查阅。⑤支持部分数据的人工录入，如浆液流动度等。⑥支持数据远程传输至梁场和上级工程管理平台，方便各级管理者实现信息化、网络化工程管理，提高管理水平和效率。3.3

系统功能特点

安全辅助功能①断电恢复、续点工作，系统在工作过程中突然断电，可自动保存当前数据，重新上电后可由断点处继续完成自动上料、制浆和压浆过程。②预警报警，对电源错相和压浆压力超限报警并停止压浆。③在线故障诊断，实时监测全过程各部件工作状态，及时进行故障诊断。④系统自配胶轮和支腿，实现移动方便、平衡固定。⑤自动清洗和手动清洗，避免管道堵塞，确保下次使用。4.0自动压浆工艺流程4.1

施工前准备4.2

系统操作4.3施工后清洗4.1施工前准备

系统标定1）称量系统标定：委托检定或校准：1次/年自检：系统自带校准程序，每次使用前校准1次2）压力表、真空表委托检定或校准：1次/半年自检：系统自带校准程序，每次使用前校准1次3）其他委托检定或校准：1次/年4.1施工前准备

其他准备工作①现场供电、供水和网络条件是否满足要求。②设备部件是否齐全、完好；管道、线路是否有破损。③设备电路、气路、水路是否完好，是否正确连接安装。④设备支撑是否稳固。⑤真空泵和压浆泵密封是否完好，格兰是否压紧盘根，有无卡顿、堵塞现象.⑥传感器状态是否完好，是否已检定/校准，是否在有效期内。⑦物料状态是否良好，水泥和压浆剂有无结块，水温是否合适。⑧正式工作前，手动点动试运行。4.2系统操作

开机启动：工程信息4.2系统操作

设备材料信息4.2系统操作

制浆工艺参数4.2系统操作

压浆工艺参数4.2系统操作

施工界面4.2系统操作

数据通信4.2系统操作

数据结果4.3

施工后清洗

①管路拆卸、泄压、放浆。②清洗高速桶和低速通，高速桶加水100kg～200kg，高速搅拌1min～2min，放至低速通搅拌清洗，反复清洗3次～4次，至低速桶出清水为止。③各阀门反复打开、关闭，防止堵塞。④针对桶壁和搅拌轴上的浆液，可拆卸桶盖，使用高压水枪清洗。⑤设备外表使用高压水枪冲洗。⑥料仓内剩料如短期内使用，可不清洗，需注意防潮；长期闲置时,应及时清理料仓，防止水泥和压浆剂凝结成块。⑦清理除尘过滤系统：a）水冲洗滤芯，需待滤芯完全干燥后再使用，建议备用滤芯1套。b）或气冲洗滤芯，吹掉吸附的粉尘。c）清洗除尘管路。5.0自动化压浆技术工艺特点5.1

工艺特点5.2

工艺流程5.1工艺特点

当前压浆工艺问题（1）目前压浆工艺规定在上料称量方面没有考虑制浆桶搅拌过程对称量精度的影响。（2）目前的真空辅助压浆技术，抽真空过程从压浆前持续至出浆端出浆，使得出浆端排气排浆非常充分，而进浆端排气不足，特别是正弯曲管道，易在进浆口附近形成空洞。（3）在压浆泵出浆量连续、稳定的前提下，压浆速度对压浆过程中的排气效果有直接影响，过快的压浆速度会导致浆液填充不充分，同时也给设备造成较大的负担，现行压浆工艺对压浆速度尚无规定。（4）目前尚无成熟可行的技术和方法对压浆质量进行事后判定。5.1工艺特点

解决方案：（1）本研究在原工艺过程中增加了静态称量阶段，将压浆剂和水泥（或压浆料）的上料分为两次，一次上