管桩生产线设计和工艺管理新理念

高要市长兴管桩有限公司总工程师邹文刚

　　前言

　　混凝土管桩行业从上世纪80年代起步发展，已经有30年的时间。全国的管桩厂家从沿海地区往内陆地区发展，现约有600家管桩厂，管桩用量从2000年的1300万米到2011年的3亿多米，是世界上管桩用量最大的国家。但是管桩生产线的规划和设计方面仍较为滞后，国内还没有形成系统的科学的管桩生产线设计规范性文件，30年来，管桩工艺流程设计并没有太大的改进，工艺布局和流程有优劣，未能达到理想的投入与产出的效益比例，甚至有的管桩厂因规划设计不合理，造成投资浪费、工艺“瓶颈”、安全隐患、生产成本高等等现象。近年来，随着部分新设备的改进应用，工艺流程也有所改良，但是和国外先进的管桩自动化生产线相比还存在较大的差距。笔者根据实际的设计经验和生产管理体会，参考国外自动化生产线的工艺流程，谈谈国内管桩厂设计的总体思路和现有工艺流程存在的问题，以及有待改进发展的地方，分析工艺管理的特点，以供投资者和管桩同行的参考，尽量避免盲目的设计投资建设。

　　1、设计的总体思路和评价标准

　　投资者新进入管桩行业，最想了解的是投资收益多少，行业发展前景如何，在此暂时不谈经济方面的观点，仅从技术的角度分析具体的投资要素。首先考虑投资规模，根据当地市场情况决定管桩的产销量目标，决定购置土地的大小。当然，也可以根据已有的土地，考虑厂区布局，每一个场地都会有最佳最适合的布局方案的，要合理分配，充分规划利用。设计考虑多方面因素：车间的工艺流程、道路的走向、堆场所占的比重、砂石等原材料的堆放、锅炉或蒸汽动力系统的布局、电力系统的布局、辅助设施的规划等等。从管桩销售市场的特点看，一般需要厂内的管桩堆场存放量大，所以设计时应考虑成品堆场的面积不少于生产车间的面积，存放量满足生产近一个月的生产产量，这样便利于生产和销售的管理。

　　评价管桩厂设计规划的优劣，从生产效率、安全、工人劳动强度、环境等四大方面考虑，而这四个方面与管桩工艺流程是密切相关的。先谈谈生产效率的概念，生产效率需要从人均生产管桩数量和每小时生产管桩数量两方面来考虑，人均生产管桩数量（以下简称人均数）按照成型班组的人员来计算，即从搅拌楼布料到拆模工艺的人员（不含钢筋笼制作）平均每人生产管桩的数量，在完全按照生产工艺条件前提下生产，一般认为人均数为4条时，生产线较为合理，人均数为5条时，较为优良，人均数达到5条以上，为优秀。每小时生产管桩数量（以下简称时产数）按照每台离心机每小时生产的管桩数量来计算，一般时产数为4条时，生产线优良，时产数为4.3条时，较为优秀。可见，这两方面结合起来，衡量管桩生产线的工艺流程是否合理，投入和产出是否成正比，不能单一去比较。

　　2、现有管桩工艺流程对比

　　管桩工艺流程设计是管桩厂设计成败的关键，直接影响到生产效率、安全、工人劳动强度、环境等方面。预制混凝土制品的生产工艺分为三类，即台座法、机组流水法和流水传送法，目前国内管桩厂家工艺采用机组流水法，常用的机组流水法管桩生产工艺可分为纵向工艺和横向工艺，其中横向工艺按照成型车间的布置又分为多跨循环生产工艺和单跨往返工艺。见下表2：

　　在设计管桩厂时，有的设计人员认识不足，往往误解为单跨往返式的工艺会比多跨循环式的工艺流程节省用地，生产效率高，其实这种思路是非常欠缺的。以同样的生产工艺制度去执行，同样的设备投资建设，两种工艺流程实际占地面积是相当的。如下图比较：

　　由图1、图2可见，两种工艺同样是2台织笼机、4条布料线、5台离心机、8个蒸养池、2台蒸压釜的设备配置，单跨往返式的单层厂房占地面积4956m2，60根立柱，多跨循环式的单层厂房占地面积4956m2，56根立柱，可见两种工艺布置的厂房占地面积是一样的。生产效率方面对比：生产一条管桩成型车间行车吊运工作的次数对比，单跨往返式的工艺成型车间吊运8次，多跨循环式的工艺成型车间吊运9次，即生产一条管桩多一次吊运动作。笔者在生产管理上总结，只要员工熟练配合，两种方式的工艺车间，均能生产出较高的产量。保证质量的前提下，多跨循环式的工艺成型车间的单班PHC管桩产量可以达到300条/班，人均产量可以达到5.5条/人，平均每小时每台离心机生产管桩数量可达到4.3条。从安全性方面对比：单跨往返式的工艺成型车间存在频繁的交叉作业和“倒流水”作业现象，工作区域集中，行车越过人员作业区较多，存在较大的安全隐患。从实际生产统计的数据看，单跨往返式的工艺车间比多跨循环式的工艺车间发生的工伤事故多。所以笔者认为，多跨循环式的工艺成型车间比单跨往返式的工艺成型车间更安全，综合效率更高，对设备维护保养更有利。再则，可以参观学习国外的先进厂家，日本和韩国的管桩工艺全部是多跨循环生产工艺。

　　3、管桩生产工艺环节问题分析

　　国内管桩生产存在的问题：1、人员太多，过多依赖于人力生产。成型班组至少需要33人，前台布料人员最多，需要10~15人，占成型车间人数的30％以上，合模人员4~5人，占成型车间人数15％，这两工序人员都集中在布料场地工作，15~20人，占成型车间人数的45％，工作区域面积420m2，只占成型车间面积3696m2的11.4％，可见人员比较密集，工序作业方式落后。2、劳动强度大。装笼人员需要搬动张拉头板和张拉尾板，每个板的重量从50~100kg不等。手提着风动扳手合模拆模，一只风动扳手重约15kg。3、设备落后。例如行车的吊具是简单的链条挂钩，定位不准，需要人员手抓链条挂钩操作。管模的移动全部依赖于人员和行车的配合。4、安全性较差。主要是因为部分设备落后，过多依赖于人工操作，造成存在安全隐患的工序较多。例如：人工挂链钩容易夹伤手指，人员进入离心机边、蒸养池边等危险区域挂钩，有生命安全威胁。行车运行速度过快，超出规范要求，经常使用“返刹车”违规操作，容易碰撞设备和人员，行车往返交叉作业容易造成相互碰撞，行车作业和地面区域的人员配合操作不协调时，有很大的安全隐患。另外，多种设备的保护装置不足。5、存在一定的环境污染。离心机工作时噪音大，清洗砂石污水处理，锅炉的废气废渣废水的治理等等。6、能源耗用大。一条管桩生产线耗用电能和热能较大。因此设计管桩厂时首先考虑好良好的生产工艺流程，然后从这六方面来合理完善设计，这也是需要国内管桩厂家和设备厂家紧密配合，不断创新改进，共同促进国内管桩行业的发展。以下分析设计改进的方法。

　　首先是要减少管桩厂的人员，尽量将依赖人员作业的工序改进为机械化生产。人员最多的工序是混凝土布料工序，一般需要10~15人，众所周知，生产PHC管桩时，壁厚70mm的Φ300管桩、壁厚95mm的Φ400管桩和壁厚125mm的Φ500管桩的混凝土料较多，堆积成型的难度最大，一般是采用管模底模接料后再合盖上管模的生产工艺方法，此工序最耗费时间和人力，也是最需要改进的工艺环节。改进此工序的最佳办法是先合好管模后再布料，这样就可以大大节省人力。为此国内外的厂家都想了很多的办法，目前比较成熟的方法有两种。一种是日本的布料工艺，即采用合好管模后，泵送混凝土布料。国内也有厂家仿效并成功应用于生产。泵送混凝土的工艺实施需要解决两个难点，一是混凝土塌落度大流动性好，满足泵送的要求，又必须要保证强度达到蒸压强度80MPa以上，二是设备必须保证泵送过程的实施，尤其管模生产15m以上的长管桩时，悬臂长，挠度大，机械设备必须保证不弯曲变形，而且又要保证使用寿命。国内有的厂家经过多年的研究，已经应用成熟，实现了减少人力资源，从原来需要15人作业减少到3人作业，减少了80％，PHC管桩的强度也能达到C80以上，质量稳定，但是为了保证大塌落度流动性好的的混凝土料强度达到要求，增加水泥用量约15％，综合成本上升了3％以上，因此还未普遍推广使用，需要继续从混凝土的配方方面和泵送设备的改良方面结合起来研究，继续找到最佳的平衡点，做到既可以满足生产质量，又可以控制生产成本。国内还有第二种实现先合好管模后再布料的好方法，采用倾斜低速离心布料的方法，这样作业人员减少了65％。但是此方法布料生产的速度较慢，而且场地下沉安装设备，环境欠佳，，也需要进一步改进设备，完善场地布局。由上述两种方法可见，只要改进布料工艺，就可以将人员减少65％~80％。[Page]

　　合模和拆模工序，使用风炮人力操作，需要6~8人，如果采用自动化设备合模拆模就可以全部取消此工序的人员，是比较理想的，此外也可以采用降低劳动强度的拆模方式，可以减少2人。钢筋加工的编笼车间，切筋、镦头工序可以采用自动化设备，人员从4人减少到2人，减少50％。但此工序人员需要注意根据钢棒材质的变化，调整设备，确保镦头质量，尚没有判定镦头质量的自动化设备。

　　其次是解决劳动强度大的问题。劳动强度大的工序是布料工序和装笼工序，布料工序采用上述方法解决，装笼工序则需要在设计初期就考虑好减少张拉头板和尾板的搬运，减少人力搬运，降低劳动强度。班组生产200条管桩时，常用的人员是安装张拉头尾板5人，拆模和拆张拉头尾板3人，机动人员1人，共9人。Φ500的张拉头板和螺杆重量98kg，张拉尾板的重量50kg，每班需要拆装200次，安装张拉头尾板的工人平均每人每天搬动40次，  即每天需要搬运1184kg重的物品，劳动强度大。工艺设计时，应考虑拆卸后的张拉头板尾板用链勾吊运搬动，或者在原地安装，减少搬动运输。安装钢筋笼和张拉头尾板时，将安装操作的高度设定在人体最适合用力的高度，风动扳手用链钩吊放，合打螺栓时再移动就位。这样人员可以减少1人，劳动强度可以降低50％以上。

　　设备的改进。国内管桩生产设备，经过多年不断创新开发，基本能够符合管桩生产要求。早期厂家较为落后的设备是行车，采用链条挂钩的形式吊运管模等，依赖人力挂钩，安全性差。张拉头板和尾板等重物依赖人力搬运，也较为落后。目前，各厂家致力于自动化设备的研究，在节省人力、降低成本、降低劳动强度、稳定产品质量等方面作出一定的进步。近两年，开发了行车自动夹具，使得生产工艺向半自动化、自动化的方向发展成为可能，在蒸养池和离心机等危险区域自动挂钩，不用工人进入高温高速的区域，这样就会大大减少安全隐患。从离心机变频技术改进、裙板压边机、余浆回收循环使用等设备的研制应用，都给管桩生产工艺带来较大的进步。

　　安全性方面，从设计开始就应该仔细考虑，不能只是片面追求产量忽视安全因素，只要设计规划合理，安全和生产效率都能兼顾，是不矛盾的。工艺流程已分析多跨循环车间比单跨往返车间的安全性高，另外，规划厂区的用地时，道路应足够宽敞，视线良好，车辆工作区域与人行区域分开。锅炉蒸压釜等压力容器尽量离人员作业的区域远些。行业已经制定《管桩安全生产要求》，设计时应符合此规范的要求。

　　环境改善。管桩生产环境噪音大，各工序紧凑，重型设备、高速设备较多，人员工作区域密集，给人感觉是较危险的行业。因此，改善厂内的生产环境是意义重大的。有“倒流水”的工序有安全隐患的地方都应设置警告标识。厂区内设置好人行通道，材料堆放场地等等。

　　能源设计考虑因素。主要是热能和电能，平均生产每米PHC管桩耗用蒸汽35kg，耗用1.4度电。年产200万米的厂家耗用1.17万吨煤，280万度电。管桩行业也是能耗较高的行业，设计能源方面要尽量做到节约使用，存在较多的细节，笔者在另一篇文章中已总结介绍，在此不详细描述。

　　4、与国外先进管桩工艺流程对比分析

　　工艺流程分析。

　　管桩工艺流程设计和两方面因素相关，一方面是管桩的产品标准和生产工艺制度，另一方面是生产设备。两方面结合，决定了管桩工艺流程设计的先进程度，决定了自动化生产工艺实行的可能性。中国和韩国的管桩工艺流程非常相似的，但韩国将部分设备作了较大的改进，总体看，比中国的工艺流程更合理，环境更好，是值得借鉴的。仔细对比分析国内管桩工艺流程设计和国外管桩工艺流程设计存在的差距，明确改进的方向。

　　以PHC管桩为例，管桩产品标准和生产工艺制度差异：日本和韩国的PHC管桩产品和中国的PHC管桩最明显的差别是壁厚不同。

　　可见，中国的管桩标准和日本的韩国的标准有一定的差异，前者的管桩壁厚比后者的管桩壁厚增加10~30mm。国内生产Φ400PHC管桩壁厚95mm和Φ500管桩壁厚125mm的的混凝土料堆积难度最大，劳动力大，要解决这一工序的难题，确保产品质量，减少人力，是真正实现自动化生产的关键所在。

　　从上述工艺流程图看出，日本的工艺采用了先合模，接着张拉，最后再泵送混凝土进入管模，这样完全解决了布料的困难，是最值得借鉴研究的。韩国的工艺在这一环节并没有太大的创新，与中国的布料方式类同，可见并没有真正意义上解决布料的难题，难以节省人力。只是产品的标准不同，其管桩的壁厚比较小，混凝土量不多，相对布料比较容易。可以详细对比分析日本和韩国的工艺平面总图。

　　从图3、图4可见，从减少人力、降低劳动强度、提高安全性、降低能耗等方面，日本的工艺都可以很好保证，实现了全自动化的生产。1、行车的工作区域分工明确，互不干涉。行车的结构合理，功能齐全。2、地面的场地装笼合模区和拆模区采用链条式或履带式传动管模，降低了行车的工作量，使地面工作和行车工作紧密结合，有条不紊，整个工艺流程畅顺，不存在“倒流水”作业，也不存在交叉作业的现象。3、采用先合模在泵送混凝土料的方式，大大降低了劳动强度，减少人力，又使产品质量稳定可靠。4、钢筋加工车间布局在成型车间装笼、落笼区的上层，采用两层厂房结构，完成钢筋笼焊接后，自动升降机送至装笼区，这样流程非常顺畅，既避免了落笼工序和拆模工序的交叉作业现象，又节省用地。5、装笼区域和吊放管模落笼的区域分开。6、采用先合模张拉再布混凝土料的工艺，张拉头部可拆卸倒余浆。[Page]

　　韩国的工艺生产流程看起来和中国的类同，在布料工艺上没有大的改进，还没有实现大幅减少人员的目标。在劳动强度较大的工序也还没有解决，例如：装笼工序，仍然是人力在地面装笼，没有降低劳动强度。合模拆模等工序一般也是采用人力操作，现在也逐步开发有自动合模装置。工艺流程存在优秀的方面：1、在地面，拆模场地和落笼场地也采用了机械链条或履带带动，底模的移动采用了机械化，也减少了行车的工作量，这两个场地都处理得较好。2、行车的自动夹具安全实用，比日本的行车夹具轻便简单，投资少。3、在清模的工序采用了翻转上模的设备，利于模具的保养和使用。4、将装笼区域和吊放管模落笼的区域分开，避免了交叉作业的现象，也没有“倒流水”作业。但生产过程模具中转的次数较多。

　　由此可见，日本的工艺流程完全实现了自动化的生产，韩国的工艺流程和中国的工艺流程相接近，也有较大的进步，但是并没有实现全自动化生产，应是半自动化的生产。

　　中国的设备厂家现在已经仿制部分韩国的设备，例如行车的自动夹具、落笼和拆模场地的机械化改造等等，一方面通过设备的研发改造，另一方面逐步研究泵送混凝土的试验，降低生产成本，改进生产工艺，这样就可以逐步向半自动化和全自动化的方向发展。

　　5、结语

　　管桩行业经过多年的发展，在生产工艺方面，各厂家也作了多方面的试验研究工作，例如免蒸压管桩的研究应用、耐管桩腐蚀性的研究、余浆的循环利用、新型减水剂的应用、新型掺合料的应用等等方面都取得了显着的成绩，已经成功应用到生产实际。在生产设备方面，例如变频技术的应用、裙板压边机设计、泵送混凝土布料方式、离心布料方式、 新型自动夹具的应用、蒸养池供汽的自动控制系统、张拉自动控制、切筋镦头工序自动化生产设备、蒸压釜的自动控制等等，都成功应用于生产实践，在新产品开发研究和施工方面，竹节管桩、大直径管桩、无端板接头管桩、机械接头、新型板桩等等，拓展了桩基础的应用，特殊环境的使用。随着行业的不断发展，厂家的技术人员、管理人员、科研机构、设备厂家的不断研究开发，中国的管桩行业正快速地进步，相信在不久的将来，很快会达到国际最先进的生产水平，使管桩行业真正实现全自动化生产，改善生产环境，成为具备现代化装备和高科技管理水平的行业，为国家的基础建设作出更大的贡献。

　　根据实际经验，提出上述观点以供同行参考，希望有所启发，笔者水平有限，文中有不足之处，欢迎同行朋友批评指正，共同为管桩行业的发展荐言献策。

　　参考文献：

　　1、严志隆.论PHC（含PC）管桩生产工艺及工艺设计 水泥制品2007年第4期（广东）

　　2、先张法预应力混凝土管桩GB13476-2009

　　3、日本工业标准《先张法预应力高强度管桩》JIS  A  5337-1987

　　4、邹文刚.管桩工艺的能源设计和设备选型 《混凝土与水泥制品》2008年02期