管樁生產(chǎn)線設(shè)計和工藝管理新理念
高要市長興管樁有限公司總工程師鄒文剛
前言
混凝土管樁行業(yè)從上世紀(jì)80年代起步發(fā)展,已經(jīng)有30年的時間。全國的管樁廠家從沿海地區(qū)往內(nèi)陸地區(qū)發(fā)展,現(xiàn)約有600家管樁廠,管樁用量從2000年的1300萬米到2011年的3億多米,是世界上管樁用量最大的國家。但是管樁生產(chǎn)線的規(guī)劃和設(shè)計方面仍較為滯后,國內(nèi)還沒有形成系統(tǒng)的科學(xué)的管樁生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)范性文件,30年來,管樁工藝流程設(shè)計并沒有太大的改進(jìn),工藝布局和流程有優(yōu)劣,未能達(dá)到理想的投入與產(chǎn)出的效益比例,甚至有的管樁廠因規(guī)劃設(shè)計不合理,造成投資浪費、工藝“瓶頸”、安全隱患、生產(chǎn)成本高等等現(xiàn)象。近年來,隨著部分新設(shè)備的改進(jìn)應(yīng)用,工藝流程也有所改良,但是和國外先進(jìn)的管樁自動化生產(chǎn)線相比還存在較大的差距。筆者根據(jù)實際的設(shè)計經(jīng)驗和生產(chǎn)管理體會,參考國外自動化生產(chǎn)線的工藝流程,談?wù)剣鴥?nèi)管樁廠設(shè)計的總體思路和現(xiàn)有工藝流程存在的問題,以及有待改進(jìn)發(fā)展的地方,分析工藝管理的特點,以供投資者和管樁同行的參考,盡量避免盲目的設(shè)計投資建設(shè)。
1、設(shè)計的總體思路和評價標(biāo)準(zhǔn)
投資者新進(jìn)入管樁行業(yè),最想了解的是投資收益多少,行業(yè)發(fā)展前景如何,在此暫時不談經(jīng)濟(jì)方面的觀點,僅從技術(shù)的角度分析具體的投資要素。首先考慮投資規(guī)模,根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌銮闆r決定管樁的產(chǎn)銷量目標(biāo),決定購置土地的大小。當(dāng)然,也可以根據(jù)已有的土地,考慮廠區(qū)布局,每一個場地都會有最佳最適合的布局方案的,要合理分配,充分規(guī)劃利用。設(shè)計考慮多方面因素:車間的工藝流程、道路的走向、堆場所占的比重、砂石等原材料的堆放、鍋爐或蒸汽動力系統(tǒng)的布局、電力系統(tǒng)的布局、輔助設(shè)施的規(guī)劃等等。從管樁銷售市場的特點看,一般需要廠內(nèi)的管樁堆場存放量大,所以設(shè)計時應(yīng)考慮成品堆場的面積不少于生產(chǎn)車間的面積,存放量滿足生產(chǎn)近一個月的生產(chǎn)產(chǎn)量,這樣便利于生產(chǎn)和銷售的管理。
評價管樁廠設(shè)計規(guī)劃的優(yōu)劣,從生產(chǎn)效率、安全、工人勞動強(qiáng)度、環(huán)境等四大方面考慮,而這四個方面與管樁工藝流程是密切相關(guān)的。先談?wù)勆a(chǎn)效率的概念,生產(chǎn)效率需要從人均生產(chǎn)管樁數(shù)量和每小時生產(chǎn)管樁數(shù)量兩方面來考慮,人均生產(chǎn)管樁數(shù)量(以下簡稱人均數(shù))按照成型班組的人員來計算,即從攪拌樓布料到拆模工藝的人員(不含鋼筋籠制作)平均每人生產(chǎn)管樁的數(shù)量,在完全按照生產(chǎn)工藝條件前提下生產(chǎn),一般認(rèn)為人均數(shù)為4條時,生產(chǎn)線較為合理,人均數(shù)為5條時,較為優(yōu)良,人均數(shù)達(dá)到5條以上,為優(yōu)秀。每小時生產(chǎn)管樁數(shù)量(以下簡稱時產(chǎn)數(shù))按照每臺離心機(jī)每小時生產(chǎn)的管樁數(shù)量來計算,一般時產(chǎn)數(shù)為4條時,生產(chǎn)線優(yōu)良,時產(chǎn)數(shù)為4.3條時,較為優(yōu)秀??梢姡@兩方面結(jié)合起來,衡量管樁生產(chǎn)線的工藝流程是否合理,投入和產(chǎn)出是否成正比,不能單一去比較。
2、現(xiàn)有管樁工藝流程對比
管樁工藝流程設(shè)計是管樁廠設(shè)計成敗的關(guān)鍵,直接影響到生產(chǎn)效率、安全、工人勞動強(qiáng)度、環(huán)境等方面。預(yù)制混凝土制品的生產(chǎn)工藝分為三類,即臺座法、機(jī)組流水法和流水傳送法,目前國內(nèi)管樁廠家工藝采用機(jī)組流水法,常用的機(jī)組流水法管樁生產(chǎn)工藝可分為縱向工藝和橫向工藝,其中橫向工藝按照成型車間的布置又分為多跨循環(huán)生產(chǎn)工藝和單跨往返工藝。見下表2:
在設(shè)計管樁廠時,有的設(shè)計人員認(rèn)識不足,往往誤解為單跨往返式的工藝會比多跨循環(huán)式的工藝流程節(jié)省用地,生產(chǎn)效率高,其實這種思路是非常欠缺的。以同樣的生產(chǎn)工藝制度去執(zhí)行,同樣的設(shè)備投資建設(shè),兩種工藝流程實際占地面積是相當(dāng)?shù)?。如下圖比較:
由圖1、圖2可見,兩種工藝同樣是2臺織籠機(jī)、4條布料線、5臺離心機(jī)、8個蒸養(yǎng)池、2臺蒸壓釜的設(shè)備配置,單跨往返式的單層廠房占地面積4956m2,60根立柱,多跨循環(huán)式的單層廠房占地面積4956m2,56根立柱,可見兩種工藝布置的廠房占地面積是一樣的。生產(chǎn)效率方面對比:生產(chǎn)一條管樁成型車間行車吊運工作的次數(shù)對比,單跨往返式的工藝成型車間吊運8次,多跨循環(huán)式的工藝成型車間吊運9次,即生產(chǎn)一條管樁多一次吊運動作。筆者在生產(chǎn)管理上總結(jié),只要員工熟練配合,兩種方式的工藝車間,均能生產(chǎn)出較高的產(chǎn)量。保證質(zhì)量的前提下,多跨循環(huán)式的工藝成型車間的單班PHC管樁產(chǎn)量可以達(dá)到300條/班,人均產(chǎn)量可以達(dá)到5.5條/人,平均每小時每臺離心機(jī)生產(chǎn)管樁數(shù)量可達(dá)到4.3條。從安全性方面對比:單跨往返式的工藝成型車間存在頻繁的交叉作業(yè)和“倒流水”作業(yè)現(xiàn)象,工作區(qū)域集中,行車越過人員作業(yè)區(qū)較多,存在較大的安全隱患。從實際生產(chǎn)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)看,單跨往返式的工藝車間比多跨循環(huán)式的工藝車間發(fā)生的工傷事故多。所以筆者認(rèn)為,多跨循環(huán)式的工藝成型車間比單跨往返式的工藝成型車間更安全,綜合效率更高,對設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)更有利。再則,可以參觀學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)廠家,日本和韓國的管樁工藝全部是多跨循環(huán)生產(chǎn)工藝。
3、管樁生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)問題分析
國內(nèi)管樁生產(chǎn)存在的問題:1、人員太多,過多依賴于人力生產(chǎn)。成型班組至少需要33人,前臺布料人員最多,需要10~15人,占成型車間人數(shù)的30%以上,合模人員4~5人,占成型車間人數(shù)15%,這兩工序人員都集中在布料場地工作,15~20人,占成型車間人數(shù)的45%,工作區(qū)域面積420m2,只占成型車間面積3696m2的11.4%,可見人員比較密集,工序作業(yè)方式落后。2、勞動強(qiáng)度大。裝籠人員需要搬動張拉頭板和張拉尾板,每個板的重量從50~100kg不等。手提著風(fēng)動扳手合模拆模,一只風(fēng)動扳手重約15kg。3、設(shè)備落后。例如行車的吊具是簡單的鏈條掛鉤,定位不準(zhǔn),需要人員手抓鏈條掛鉤操作。管模的移動全部依賴于人員和行車的配合。4、安全性較差。主要是因為部分設(shè)備落后,過多依賴于人工操作,造成存在安全隱患的工序較多。例如:人工掛鏈鉤容易夾傷手指,人員進(jìn)入離心機(jī)邊、蒸養(yǎng)池邊等危險區(qū)域掛鉤,有生命安全威脅。行車運行速度過快,超出規(guī)范要求,經(jīng)常使用“返剎車”違規(guī)操作,容易碰撞設(shè)備和人員,行車往返交叉作業(yè)容易造成相互碰撞,行車作業(yè)和地面區(qū)域的人員配合操作不協(xié)調(diào)時,有很大的安全隱患。另外,多種設(shè)備的保護(hù)裝置不足。5、存在一定的環(huán)境污染。離心機(jī)工作時噪音大,清洗砂石污水處理,鍋爐的廢氣廢渣廢水的治理等等。6、能源耗用大。一條管樁生產(chǎn)線耗用電能和熱能較大。因此設(shè)計管樁廠時首先考慮好良好的生產(chǎn)工藝流程,然后從這六方面來合理完善設(shè)計,這也是需要國內(nèi)管樁廠家和設(shè)備廠家緊密配合,不斷創(chuàng)新改進(jìn),共同促進(jìn)國內(nèi)管樁行業(yè)的發(fā)展。以下分析設(shè)計改進(jìn)的方法。
首先是要減少管樁廠的人員,盡量將依賴人員作業(yè)的工序改進(jìn)為機(jī)械化生產(chǎn)。人員最多的工序是混凝土布料工序,一般需要10~15人,眾所周知,生產(chǎn)PHC管樁時,壁厚70mm的Φ300管樁、壁厚95mm的Φ400管樁和壁厚125mm的Φ500管樁的混凝土料較多,堆積成型的難度最大,一般是采用管模底模接料后再合蓋上管模的生產(chǎn)工藝方法,此工序最耗費時間和人力,也是最需要改進(jìn)的工藝環(huán)節(jié)。改進(jìn)此工序的最佳辦法是先合好管模后再布料,這樣就可以大大節(jié)省人力。為此國內(nèi)外的廠家都想了很多的辦法,目前比較成熟的方法有兩種。一種是日本的布料工藝,即采用合好管模后,泵送混凝土布料。國內(nèi)也有廠家仿效并成功應(yīng)用于生產(chǎn)。泵送混凝土的工藝實施需要解決兩個難點,一是混凝土塌落度大流動性好,滿足泵送的要求,又必須要保證強(qiáng)度達(dá)到蒸壓強(qiáng)度80MPa以上,二是設(shè)備必須保證泵送過程的實施,尤其管模生產(chǎn)15m以上的長管樁時,懸臂長,撓度大,機(jī)械設(shè)備必須保證不彎曲變形,而且又要保證使用壽命。國內(nèi)有的廠家經(jīng)過多年的研究,已經(jīng)應(yīng)用成熟,實現(xiàn)了減少人力資源,從原來需要15人作業(yè)減少到3人作業(yè),減少了80%,PHC管樁的強(qiáng)度也能達(dá)到C80以上,質(zhì)量穩(wěn)定,但是為了保證大塌落度流動性好的的混凝土料強(qiáng)度達(dá)到要求,增加水泥用量約15%,綜合成本上升了3%以上,因此還未普遍推廣使用,需要繼續(xù)從混凝土的配方方面和泵送設(shè)備的改良方面結(jié)合起來研究,繼續(xù)找到最佳的平衡點,做到既可以滿足生產(chǎn)質(zhì)量,又可以控制生產(chǎn)成本。國內(nèi)還有第二種實現(xiàn)先合好管模后再布料的好方法,采用傾斜低速離心布料的方法,這樣作業(yè)人員減少了65%。但是此方法布料生產(chǎn)的速度較慢,而且場地下沉安裝設(shè)備,環(huán)境欠佳,,也需要進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備,完善場地布局。由上述兩種方法可見,只要改進(jìn)布料工藝,就可以將人員減少65%~80%。[Page]
合模和拆模工序,使用風(fēng)炮人力操作,需要6~8人,如果采用自動化設(shè)備合模拆模就可以全部取消此工序的人員,是比較理想的,此外也可以采用降低勞動強(qiáng)度的拆模方式,可以減少2人。鋼筋加工的編籠車間,切筋、鐓頭工序可以采用自動化設(shè)備,人員從4人減少到2人,減少50%。但此工序人員需要注意根據(jù)鋼棒材質(zhì)的變化,調(diào)整設(shè)備,確保鐓頭質(zhì)量,尚沒有判定鐓頭質(zhì)量的自動化設(shè)備。
其次是解決勞動強(qiáng)度大的問題。勞動強(qiáng)度大的工序是布料工序和裝籠工序,布料工序采用上述方法解決,裝籠工序則需要在設(shè)計初期就考慮好減少張拉頭板和尾板的搬運,減少人力搬運,降低勞動強(qiáng)度。班組生產(chǎn)200條管樁時,常用的人員是安裝張拉頭尾板5人,拆模和拆張拉頭尾板3人,機(jī)動人員1人,共9人。Φ500的張拉頭板和螺桿重量98kg,張拉尾板的重量50kg,每班需要拆裝200次,安裝張拉頭尾板的工人平均每人每天搬動40次, 即每天需要搬運1184kg重的物品,勞動強(qiáng)度大。工藝設(shè)計時,應(yīng)考慮拆卸后的張拉頭板尾板用鏈勾吊運搬動,或者在原地安裝,減少搬動運輸。安裝鋼筋籠和張拉頭尾板時,將安裝操作的高度設(shè)定在人體最適合用力的高度,風(fēng)動扳手用鏈鉤吊放,合打螺栓時再移動就位。這樣人員可以減少1人,勞動強(qiáng)度可以降低50%以上。
設(shè)備的改進(jìn)。國內(nèi)管樁生產(chǎn)設(shè)備,經(jīng)過多年不斷創(chuàng)新開發(fā),基本能夠符合管樁生產(chǎn)要求。早期廠家較為落后的設(shè)備是行車,采用鏈條掛鉤的形式吊運管模等,依賴人力掛鉤,安全性差。張拉頭板和尾板等重物依賴人力搬運,也較為落后。目前,各廠家致力于自動化設(shè)備的研究,在節(jié)省人力、降低成本、降低勞動強(qiáng)度、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量等方面作出一定的進(jìn)步。近兩年,開發(fā)了行車自動夾具,使得生產(chǎn)工藝向半自動化、自動化的方向發(fā)展成為可能,在蒸養(yǎng)池和離心機(jī)等危險區(qū)域自動掛鉤,不用工人進(jìn)入高溫高速的區(qū)域,這樣就會大大減少安全隱患。從離心機(jī)變頻技術(shù)改進(jìn)、裙板壓邊機(jī)、余漿回收循環(huán)使用等設(shè)備的研制應(yīng)用,都給管樁生產(chǎn)工藝帶來較大的進(jìn)步。
安全性方面,從設(shè)計開始就應(yīng)該仔細(xì)考慮,不能只是片面追求產(chǎn)量忽視安全因素,只要設(shè)計規(guī)劃合理,安全和生產(chǎn)效率都能兼顧,是不矛盾的。工藝流程已分析多跨循環(huán)車間比單跨往返車間的安全性高,另外,規(guī)劃廠區(qū)的用地時,道路應(yīng)足夠?qū)挸?,視線良好,車輛工作區(qū)域與人行區(qū)域分開。鍋爐蒸壓釜等壓力容器盡量離人員作業(yè)的區(qū)域遠(yuǎn)些。行業(yè)已經(jīng)制定《管樁安全生產(chǎn)要求》,設(shè)計時應(yīng)符合此規(guī)范的要求。
環(huán)境改善。管樁生產(chǎn)環(huán)境噪音大,各工序緊湊,重型設(shè)備、高速設(shè)備較多,人員工作區(qū)域密集,給人感覺是較危險的行業(yè)。因此,改善廠內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境是意義重大的。有“倒流水”的工序有安全隱患的地方都應(yīng)設(shè)置警告標(biāo)識。廠區(qū)內(nèi)設(shè)置好人行通道,材料堆放場地等等。
能源設(shè)計考慮因素。主要是熱能和電能,平均生產(chǎn)每米PHC管樁耗用蒸汽35kg,耗用1.4度電。年產(chǎn)200萬米的廠家耗用1.17萬噸煤,280萬度電。管樁行業(yè)也是能耗較高的行業(yè),設(shè)計能源方面要盡量做到節(jié)約使用,存在較多的細(xì)節(jié),筆者在另一篇文章中已總結(jié)介紹,在此不詳細(xì)描述。
4、與國外先進(jìn)管樁工藝流程對比分析
工藝流程分析。
管樁工藝流程設(shè)計和兩方面因素相關(guān),一方面是管樁的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝制度,另一方面是生產(chǎn)設(shè)備。兩方面結(jié)合,決定了管樁工藝流程設(shè)計的先進(jìn)程度,決定了自動化生產(chǎn)工藝實行的可能性。中國和韓國的管樁工藝流程非常相似的,但韓國將部分設(shè)備作了較大的改進(jìn),總體看,比中國的工藝流程更合理,環(huán)境更好,是值得借鑒的。仔細(xì)對比分析國內(nèi)管樁工藝流程設(shè)計和國外管樁工藝流程設(shè)計存在的差距,明確改進(jìn)的方向。
以PHC管樁為例,管樁產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝制度差異:日本和韓國的PHC管樁產(chǎn)品和中國的PHC管樁最明顯的差別是壁厚不同。
可見,中國的管樁標(biāo)準(zhǔn)和日本的韓國的標(biāo)準(zhǔn)有一定的差異,前者的管樁壁厚比后者的管樁壁厚增加10~30mm。國內(nèi)生產(chǎn)Φ400PHC管樁壁厚95mm和Φ500管樁壁厚125mm的的混凝土料堆積難度最大,勞動力大,要解決這一工序的難題,確保產(chǎn)品質(zhì)量,減少人力,是真正實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。
從上述工藝流程圖看出,日本的工藝采用了先合模,接著張拉,最后再泵送混凝土進(jìn)入管模,這樣完全解決了布料的困難,是最值得借鑒研究的。韓國的工藝在這一環(huán)節(jié)并沒有太大的創(chuàng)新,與中國的布料方式類同,可見并沒有真正意義上解決布料的難題,難以節(jié)省人力。只是產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)不同,其管樁的壁厚比較小,混凝土量不多,相對布料比較容易??梢栽敿?xì)對比分析日本和韓國的工藝平面總圖。
從圖3、圖4可見,從減少人力、降低勞動強(qiáng)度、提高安全性、降低能耗等方面,日本的工藝都可以很好保證,實現(xiàn)了全自動化的生產(chǎn)。1、行車的工作區(qū)域分工明確,互不干涉。行車的結(jié)構(gòu)合理,功能齊全。2、地面的場地裝籠合模區(qū)和拆模區(qū)采用鏈條式或履帶式傳動管模,降低了行車的工作量,使地面工作和行車工作緊密結(jié)合,有條不紊,整個工藝流程暢順,不存在“倒流水”作業(yè),也不存在交叉作業(yè)的現(xiàn)象。3、采用先合模在泵送混凝土料的方式,大大降低了勞動強(qiáng)度,減少人力,又使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。4、鋼筋加工車間布局在成型車間裝籠、落籠區(qū)的上層,采用兩層廠房結(jié)構(gòu),完成鋼筋籠焊接后,自動升降機(jī)送至裝籠區(qū),這樣流程非常順暢,既避免了落籠工序和拆模工序的交叉作業(yè)現(xiàn)象,又節(jié)省用地。5、裝籠區(qū)域和吊放管模落籠的區(qū)域分開。6、采用先合模張拉再布混凝土料的工藝,張拉頭部可拆卸倒余漿。[Page]
韓國的工藝生產(chǎn)流程看起來和中國的類同,在布料工藝上沒有大的改進(jìn),還沒有實現(xiàn)大幅減少人員的目標(biāo)。在勞動強(qiáng)度較大的工序也還沒有解決,例如:裝籠工序,仍然是人力在地面裝籠,沒有降低勞動強(qiáng)度。合模拆模等工序一般也是采用人力操作,現(xiàn)在也逐步開發(fā)有自動合模裝置。工藝流程存在優(yōu)秀的方面:1、在地面,拆模場地和落籠場地也采用了機(jī)械鏈條或履帶帶動,底模的移動采用了機(jī)械化,也減少了行車的工作量,這兩個場地都處理得較好。2、行車的自動夾具安全實用,比日本的行車夾具輕便簡單,投資少。3、在清模的工序采用了翻轉(zhuǎn)上模的設(shè)備,利于模具的保養(yǎng)和使用。4、將裝籠區(qū)域和吊放管模落籠的區(qū)域分開,避免了交叉作業(yè)的現(xiàn)象,也沒有“倒流水”作業(yè)。但生產(chǎn)過程模具中轉(zhuǎn)的次數(shù)較多。
由此可見,日本的工藝流程完全實現(xiàn)了自動化的生產(chǎn),韓國的工藝流程和中國的工藝流程相接近,也有較大的進(jìn)步,但是并沒有實現(xiàn)全自動化生產(chǎn),應(yīng)是半自動化的生產(chǎn)。
中國的設(shè)備廠家現(xiàn)在已經(jīng)仿制部分韓國的設(shè)備,例如行車的自動夾具、落籠和拆模場地的機(jī)械化改造等等,一方面通過設(shè)備的研發(fā)改造,另一方面逐步研究泵送混凝土的試驗,降低生產(chǎn)成本,改進(jìn)生產(chǎn)工藝,這樣就可以逐步向半自動化和全自動化的方向發(fā)展。
5、結(jié)語
管樁行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展,在生產(chǎn)工藝方面,各廠家也作了多方面的試驗研究工作,例如免蒸壓管樁的研究應(yīng)用、耐管樁腐蝕性的研究、余漿的循環(huán)利用、新型減水劑的應(yīng)用、新型摻合料的應(yīng)用等等方面都取得了顯著的成績,已經(jīng)成功應(yīng)用到生產(chǎn)實際。在生產(chǎn)設(shè)備方面,例如變頻技術(shù)的應(yīng)用、裙板壓邊機(jī)設(shè)計、泵送混凝土布料方式、離心布料方式、 新型自動夾具的應(yīng)用、蒸養(yǎng)池供汽的自動控制系統(tǒng)、張拉自動控制、切筋鐓頭工序自動化生產(chǎn)設(shè)備、蒸壓釜的自動控制等等,都成功應(yīng)用于生產(chǎn)實踐,在新產(chǎn)品開發(fā)研究和施工方面,竹節(jié)管樁、大直徑管樁、無端板接頭管樁、機(jī)械接頭、新型板樁等等,拓展了樁基礎(chǔ)的應(yīng)用,特殊環(huán)境的使用。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展,廠家的技術(shù)人員、管理人員、科研機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠家的不斷研究開發(fā),中國的管樁行業(yè)正快速地進(jìn)步,相信在不久的將來,很快會達(dá)到國際最先進(jìn)的生產(chǎn)水平,使管樁行業(yè)真正實現(xiàn)全自動化生產(chǎn),改善生產(chǎn)環(huán)境,成為具備現(xiàn)代化裝備和高科技管理水平的行業(yè),為國家的基礎(chǔ)建設(shè)作出更大的貢獻(xiàn)。
根據(jù)實際經(jīng)驗,提出上述觀點以供同行參考,希望有所啟發(fā),筆者水平有限,文中有不足之處,歡迎同行朋友批評指正,共同為管樁行業(yè)的發(fā)展薦言獻(xiàn)策。
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