1. 引言
管道在联合工房的设计和建设中是一个重点工作。卷烟行业中的打叶复烤车间、制丝车间联合工房中就存在大量的管道需要穿墙。联合工房的管道在使用一段时间后会被输送物料磨损，就需维修或更换，虽然频次不高，但也较为常见。更换管道工序繁琐，所需时间较长，不利于生产。并且在更换维修过程中需要开挖墙体，且在复烤、制丝车间对环境的要求极其严格，更换管道带来的杂物造成环境的污染，会影响到产品质量。
基于上述背景，为了完成在墙体上快速拆装管道，提高作业效率的目标，尤其针对数万平米的联合工房建设，有数以百计的管道穿墙安装，通过理论结合实际研究，我们设计了联合工房墙体上拆装管道的夹持装置，有效解决了该问题。
2. 存在问题
2.1. 厂房内管道的安装流程
在卷烟行业中的打叶复烤车间、制丝车间厂房内有较多的穿墙管道，目前，管道安装流程为，在墙体上预留一个尺寸为L2的方孔，将管道穿过该方孔，如图1所示。再用建筑材料5如砂浆将方孔和管道7之间的间隙填充和补结实，用防火泥9将管道和该建筑材料5两端密闭，再用涂料8将修补的部分涂成和墙体一致的颜色 [1]，具体如图2、图3所示。
Figure 1. Pipeline installation flowchart
图1. 管道安装流程图
Figure 2. Schematic diagram of the method for installing pipes on the wall of the joint workshop
图2. 联合工房墙体上安装管道的方法示意图
为了摸清管道安装流程中各步骤的耗时情况，为此，我们调查了6个施工点的管道安装工时情况，耗时情况统计如表1所示：
Table 1. Statistics of perforation time of pipeline installation in the united workshop (unit: hour/root)
表1. 联合工房管道安装穿孔时间统计表(单位：小时/根)
从表1可以看出，穿墙管道安装点的平均安装时间为25.68小时/根。根据精益管理消除浪费的思想对图1的流程活动图进行分析：顾客需要的是安装管道，那么对于顾客的需求，补全间隙、处理墙面是由于生产方法的落后导致的多余的动作，多余的浪费；等待填充材料凝固，属于落后的生产方法造成的等待浪费。真正产生价值的管道安装平均只有0.62小时，上述三个流程合计平均浪费了25小时，因此我们必须减小或消除这些流程的工时。
在厂房建设项目初期存在大量的管道需要安装，且安装位置会随着生产工艺流程的改变而更改位置，若仍沿用老办法，会拖累项目施工进度，且后期改造、维修、更换管道时将浪费大量人力物力，该问题亟待优化解决。
2.2. 老旧管道的维修更换流程
由于穿墙管道在使用中，会受到管内输送物料的磨损和腐蚀，如除尘管道中的砂石和碎烟，送梗管道中坚硬的烟梗均会磨损管道，烟叶含有具有腐蚀性的烟碱，会腐蚀管道，此外蒸汽管道还会出现锈蚀。当锈蚀或磨损到一定程度就需要更换或维修管道 [2]。
根据调查，目前的更换流程如图4所示：
Figure 4. Pipeline repair and replacement flowchart
图4. 管道维修更换流程图
同样，为了查出目前管道更换过程存在的症结，找出存在浪费的流程。我们调查了6个穿墙施工点更换管道的耗时情况，对维修工时进行了统计，结果如表2所示：
Table 2. Statistics of pipeline maintenance time (unit: hour/root)
表2. 管道维修时间统计表(单位：小时/根)
从表2可以看出，穿墙管道的平均更换维修时间为28.52人·小时/根。同样采用精益管理消除浪费的思想来对图4的流程活动图进行分析：产生的价值只有更换管道，那么破拆墙体、补全间隙、处理墙面属于落后的生产方法造成的多余的动作(其中之所以要处理墙面，是由破拆墙体所造成的)；等待填充材料凝固属于等待浪费。上述四个流程合计平均浪费了26.1小时，因此我们必须减小或消除这些流程的工时。
3. 解决思路
根据以上调查结果分析，目前的管道安装和更换过程中，存在浪费、且工时浪费最多的流程包括补全穿墙孔洞间隙、破拆墙体、处理墙面，但处理墙面是由于破拆墙体造成的，因此最关键的时间、工时浪费是补全穿墙孔洞间隙、破拆墙体两个流程，必须减小或消除。另一方面，出于防止污染生产环境和破拆影响墙体强度的考虑，必须杜绝破拆墙体。
因此，综上所述，解决问题的关键在于：消除更换管道时破拆墙体的流程。
应该寻找一种先进的管道穿墙安装装置，该装置必须能解决现存的问题，具备我们需要的四个功能要求 [3] [4] ：
1) 能减小或消除补全穿墙孔洞间隙工时；
2) 更换时不破拆墙体；
3) 能良好的支撑和固定穿墙管道；
4) 满足防火规范。
为了减少穿墙管道维修更换的时间，就要减少更换过程对已凝固墙体的破坏和修复工作，以及减少用建筑材料填充间隙和等待凝结的时间，或者直接省去该流程，以达到既能够减少对材料和人工的需求，又能有效降低施工时间。
3.1. 具体方案
根据以上四个需求，我们设计了套管式穿墙管道夹持装置，能消除破拆墙体、等待填充材料凝固、涂料处理墙面等几个流程，大幅减少穿墙管道的安装和拆卸耗时，具体设计思路如图5所示。
Figure 5. Structure of casing pipe clamp
图5. 套管式管道夹持装置结构
3.1.1. 套管
套管形状：一般穿墙管道的横截面都是圆形，套管采用圆形能较容易的保证套管与管道的同心度，密封性和支撑性都较好。因此，套管的形状为圆形。
套管材料：A3钢钢材价格低、承载力强，容易加工，具备防火性。
套管尺寸：套管结构如图6所示，为保证有足够的空间安装和拆卸套管与密封板的连接螺栓，以及在预埋套管时有足够的空间来粉刷和处理墙面，套管的一端必须超出墙面50 mm以上，故套管的长度L1为墙体厚度加100 mm~150 mm；为了方便安装，套管内径D1比管道外径大3~10 mm；套管的厚度大于管道的厚度即可满足承重的需求；为了有足够的空间使用扳手拧紧或拆卸螺栓，法兰盘的宽度需大于三倍的螺栓直径 [5]。
3.1.2. 密封板
密封板形状：套管的形状是圆形，密封板同样采用圆形，因为密封板是管道安装后最后进行安装，为了方便安装，密封板采用两个半圆形组合而成，如图7所示。
密封板材料：与套管材质相同。
密封板尺寸：密封板结构如图7所示，为了与套管配合严密，密封板外径、内径需与套管法兰盘的尺寸相同；为使每颗螺栓受力均匀，应将每块半圆形密封板上的3颗螺栓均匀分布，密封板法兰盘的螺栓定位应和密封板一致。
3.1.3. 固定连接
固定连接方式：采用螺栓连接，成本低，安装和拆卸方便快捷，连接牢固耐用，不易松动。
连接件尺寸：根据管道尺寸和重量，选择螺栓尺寸，一般选取M6~M12型六角螺栓。
3.2. 方案实施
3.2.1. 夹持装置制作
在联合工房建设施工前统计好需要穿墙的管道尺寸、数量，根据上述方案制作套管和密封板，加工零件表面上不应有裂纹、变形等影响零件力学性能的缺陷，不允许有毛刺、飞边。
3.2.2. 套管预埋
在联合工房施工的时候预埋套管：套管与墙体应连接密实，套管不松动，墙面平整；安装位置准确，套管轴线与墙面垂直，角度误差小于1˚。
3.2.3. 密封板安装
在穿墙管道安装结束后，需要进行相应的防护措施，如图8所示，用防火棉将管道和套管之间的间隙填堵密实，然后安装密封板，用螺栓将2片半圆式圆环密封板固定。密封板安装后，管道应不左右晃动，螺栓紧固。
Figure 8. Through-wall pipe clamp installation
图8. 穿墙管道夹持装置安装
4. 效果验证
4.1. 穿墙管道安装工时检验
为了检验穿墙管道夹持装置的应用效果，我们对采用管道夹持装置的工地进行了15个施工点的安装工时记录统计，结果表3所示：
Table 3. Table of hours of pipeline installation work
表3. 穿墙管道安装工时统计表
由表3可以看出：采用穿墙管道夹持装置后，穿墙管道的平均安装工时已经降低到0.66工时/根，极大的缩短了管道安装时间，加快了厂房建设项目的施工进度，改善效果明显。
4.2. 穿墙管道更换工时检验
为了检验穿墙管道夹持装置后更换效率的提升效果，我们统计了4根穿墙管道的更换施工工时，其数据统计如下表4所示：
Table 4. Statistics of man-hours for replacing pipelines through walls
表4. 穿墙管道更换工时统计表
由表4可以看出：采用穿墙管道夹持装置后，穿墙管道的平均更换工时已经降低到1.43工时/根，大幅提高了管道更换效率，改善效果同样明显。
在使用一年后，我们检查了某工厂穿墙管道夹持装置的使用情况，各部件仍牢固可靠，未出现变形和失效，安装装置与墙体连接紧密，未出现松动。夹持装置能良好的支撑和固定穿墙管道，管道在使用过程中稳固可靠，不会左右晃动。
4.3. 活动总结
通过现场验证，可以看到穿墙管道夹持装置应用的效果明显，提高了管道的安装、更换效率，大幅减少了耗时。该装置结构简单、使用灵活；安装和更换过程不会损伤墙体；有效降低了高空作业的工作量，降低了施工过程的安全风险，同时减轻施工人员的劳动强度；杜绝了更换过程破拆墙体带来的对环境和产品的污染，实现了清洁生产，符合企业精益管理的理念。