海洋平臺運(yùn)維工程管線預(yù)制數(shù)字化焊接生產(chǎn)線

吳正林 王永峰 陳彥賓 李金剛 譚志成 曾亮

摘要：本文針對海洋平臺運(yùn)維工程管線設(shè)計(jì)一條數(shù)字化預(yù)制自動(dòng)焊接生產(chǎn)線，依據(jù)制造工藝設(shè)置不同的工位和物流措施，達(dá)到流水線作業(yè)模式，通過自動(dòng)化、數(shù)字化控制系統(tǒng)，對原料制備、組對、上料、焊接、下料等一系列工藝過程管理和控制，通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)、焊接過程數(shù)據(jù)，并通過總線方式上傳到中控系統(tǒng)，以數(shù)字化信息顯示過程狀態(tài);通過與MES系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)線及生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：管道;數(shù)字化;焊接生產(chǎn)線

中圖分類號：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0100-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.20

0? ? 前言

隨著海上油氣田的深入開發(fā)，海洋平臺大型化、復(fù)雜化是發(fā)展趨勢，這對平臺的安全有效運(yùn)行提出了更高的要求。管道作為平臺的經(jīng)絡(luò)，有著至關(guān)重要的作用。海洋平臺運(yùn)維工程管線預(yù)制焊接具有施工周期短、工程種類多、材質(zhì)復(fù)雜、工程量大的特點(diǎn)，管道安裝的施工進(jìn)度已成為影響總工期的主要因素。以中海油公司為例，海上油氣田內(nèi)部連接管主要規(guī)格為φ114.3 mm，φ141.3 mm，φ168.3 mm，φ219.1 mm，φ273.1 mm，φ323.9 mm，φ355.6 mm，φ406.4 mm，φ457.0 mm，φ508.0 mm，其中φ323.9 mm以上的鋼管規(guī)格占60%左右。由于海洋平臺管道預(yù)制的焊縫要求要比其他管道高，每根管道都需要進(jìn)行探傷，焊縫均要求達(dá)到一級焊縫，因此目前國內(nèi)大部分還在采用手工焊接，預(yù)制管線成本高、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。加強(qiáng)管道施工的預(yù)制水平和預(yù)制深度，是提高管道施工質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，以及降低施工成本的重要途徑，可促進(jìn)裝備運(yùn)維產(chǎn)業(yè)由勞動(dòng)密集型向自動(dòng)化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型。

1 海洋平臺運(yùn)維工程管線預(yù)制生產(chǎn)線主要組成

本項(xiàng)目主要針對2～12英寸海洋石油輸送管線的工廠化預(yù)制，主要焊接工件包括：法蘭-鋼管-法蘭、彎頭-鋼管-法蘭、彎頭-鋼管-彎頭、鋼管-三通-鋼管。采用TIG焊接機(jī)器人自動(dòng)打底、MIG/MAG焊接機(jī)器人自動(dòng)蓋面工藝。主要思路是：最大限度地采用自動(dòng)化方式進(jìn)行加工生產(chǎn)，降低操作難度，提高焊接速度，且材料或產(chǎn)品的移動(dòng)路線設(shè)計(jì)最短，生產(chǎn)線具有一定的可塑性。采用模塊化管線預(yù)制數(shù)字化焊接生產(chǎn)線及工作站，即將管子切割/坡口、組對、自動(dòng)上/下料 和自動(dòng)焊接分別集成在工廠內(nèi)，通過工控機(jī)系統(tǒng)及MES系統(tǒng)下達(dá)指令控制各個(gè)模塊，以實(shí)現(xiàn)管道制預(yù)焊接的信息化和數(shù)字化。工廠化預(yù)制全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)口焊接，有利于提高和保證焊接質(zhì)量，且轉(zhuǎn)動(dòng)口焊縫無損探傷比例小，可減少探傷費(fèi)用。工廠化預(yù)制不受自然環(huán)境條件的影響和干擾，能夠保證施工的連續(xù)性，減少額外的臨時(shí)措施及費(fèi)用。

適用的管材長度為500～6 000 mm，直徑為48～325 mm，材質(zhì)為碳鋼（20#、A106、A105等），最大加工厚度25 mm。彎頭特性范圍對應(yīng)于2～12英寸直管。

管線預(yù)制數(shù)字化焊接生產(chǎn)線由管材存放區(qū)、管材切割坡口一體機(jī)、短管中轉(zhuǎn)打磨區(qū)、管/法蘭/彎頭組對區(qū)、管/法蘭/彎頭組對緩存區(qū)、桁架機(jī)械手、TIG焊接區(qū)、MIG/MAG焊接區(qū)、物料小車及軌道、數(shù)字化控制系統(tǒng)等組成。整個(gè)生產(chǎn)線布局如圖1所示。

具體工藝路線為：采用天軌行車人工上料原料管，管件通過物流線的自動(dòng)定長裝置傳輸至坡口切割一體機(jī)切斷并倒坡口后，自動(dòng)傳輸至下料區(qū)，采用上料桁架機(jī)械手自動(dòng)上料至組對工裝區(qū)，通過組對工裝人工組對管件與法蘭、三通、彎頭并點(diǎn)焊，下料桁架機(jī)械手自動(dòng)下料至管件傳輸小車上，管件傳輸小車再將組對好的工件傳輸至TIG焊接機(jī)器人工作站自動(dòng)TIG打底焊，打底完成的工件通過管件傳輸小車自動(dòng)傳輸至MIG/MAG焊接機(jī)器人工作站自動(dòng)蓋面。蓋面完成的管件通過管件傳輸小車運(yùn)輸至下料區(qū)，通過天軌行車人工下料。

（1）管材存放區(qū)。用于堆放鋼管來料，鋼管堆放在物料架上。每根鋼管都有一個(gè)定位V型座，以保證鋼管位置定位準(zhǔn)確，如圖2所示。

（2）管材切割坡口一體機(jī)。由數(shù)控切斷坡口機(jī)機(jī)頭、電動(dòng)升降機(jī)座、循環(huán)水冷系統(tǒng)、操作箱及電氣控制柜、管子輸送輥道、管子定長機(jī)構(gòu)組成。

（3）短管中轉(zhuǎn)打磨區(qū)。用于堆放、緩存和打磨切斷后的短管。工件堆放在V型支架上，桁架機(jī)械手抓取到組對工裝上。

（4）管/法蘭/彎頭組對區(qū)。用于鋼管與法蘭、鋼管與彎頭、鋼管與三通組對點(diǎn)焊。由管道預(yù)制機(jī)械組對機(jī)、管道預(yù)制卡盤式驅(qū)動(dòng)機(jī)、上下料機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成。

組對注意事項(xiàng)：

a.法蘭面應(yīng)與管道中心線垂直并同心。法蘭間應(yīng)保持平行，其偏差不應(yīng)大于外徑的1.5‰且不得大于2 mm。

b.管子焊接必須做到兩根管子的中心保持在一條線。

c.為獲得良好的焊接質(zhì)量，在對縫處兩根管壁外表面的局部錯(cuò)邊量不能超過壁厚的10%，而且最大不能超過3 mm。

d.鋼管對接時(shí)，應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)焊，管徑為100 mm以下的需均勻點(diǎn)焊3點(diǎn)，管徑在100 mm以上的需點(diǎn)焊4點(diǎn)。

（5）桁架機(jī)械手。分為上料桁架機(jī)械手和下料桁架機(jī)械手，用于工件的上下料，工件由桁架機(jī)械手從組對工裝上抓取至物料小車上。如圖3、圖4所示。

（6）TIG焊接區(qū)。

TIG焊接區(qū)為工件打底焊接，焊接層數(shù)為一層。對接焊口要求滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)部分管路安裝手冊的規(guī)范。

以4英寸管道為例，焊接母材為無縫鋼管NPS4 XXS 20號鋼，φ108×20，焊接材料為實(shí)心焊絲H08Mn2SiA，φ1.2 mm，焊接形式為環(huán)縫對接，工件轉(zhuǎn)動(dòng)焊接;焊件尺寸100 mm+100 mm/組。焊接坡口加工制備如圖5所示。

焊件組對時(shí)采用人工TIG點(diǎn)固，不少于4條點(diǎn)固焊縫，每段長度不小于10 mm。保護(hù)氣體選用純度99.99%Ar，氣體流量10～15 L/min。其他焊接參數(shù)如表1所示。

TIG焊接區(qū)由焊接機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人滑臺、焊接電源以及激光跟蹤系統(tǒng)等組成。機(jī)器人選用日本FANUC機(jī)器人，型號M-10iA/8L，配R-30iB，A柜高性能機(jī)器人控制器，末端有效負(fù)載8 kg，最大伸長范圍2 028 mm。機(jī)器人滑臺是用于安裝焊接機(jī)器人的承載平臺。焊接電源采用米勒公司MAXSTAR400 TIG焊接電源，配置水冷焊槍、水冷循環(huán)系統(tǒng)以及相配套焊接電纜等。激光跟蹤采用OSK-50A，這是一款高性價(jià)比、高精度的激光傳感器，適用于焊縫快速尋找，配合機(jī)器人使用可以降低對工件準(zhǔn)備的要求。

（7）MIG/MAG焊接區(qū)為焊縫蓋面焊接區(qū)，焊接層數(shù)為多層多道。對接焊口要求滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)部分管路安裝手冊的規(guī)范，且設(shè)備應(yīng)能適應(yīng)工件及組裝的偏差，如橢圓度、厚度的偏差，以及坡口加工端面的垂直度等偏差所造成對接時(shí)的錯(cuò)邊及間隙不均勻等現(xiàn)象，得到合格的焊縫。

以上述TIG焊管道為例，焊接工藝采用 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體保護(hù)下的短路過渡焊接工藝，焊接方式為焊槍擺動(dòng)、工件旋轉(zhuǎn)、層間不熄弧。典型焊接規(guī)格參數(shù)如表2所示。

MIG/MAG焊接區(qū)焊接機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人滑臺、焊接電源以及清槍剪絲等組成，此區(qū)域機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人滑臺配置與TIG焊接區(qū)相同。焊接電源采用芬蘭肯比公司KEMPARC PULSE 450 焊接電源并配套DT400送絲機(jī)。清槍剪絲機(jī)構(gòu)具備自動(dòng)清槍噴油裝置，由機(jī)器人聯(lián)動(dòng)控制，按程序設(shè)定定時(shí)清理焊槍噴嘴內(nèi)焊接飛濺，并向噴嘴內(nèi)部噴射硅油，避免焊接時(shí)飛濺的牢固粘附。整體上保證機(jī)器人系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)無監(jiān)視運(yùn)轉(zhuǎn)。清槍剪絲機(jī)如圖6所示。

（8）安全圍欄及安全光柵。工作區(qū)域生產(chǎn)中配置安全光柵，采用預(yù)約盒模式，在完成上下料后按下盒上的按鈕，通知機(jī)器人可以進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)行工作。亦可在工作故障或緊急情況下，停止動(dòng)作。

（9）物料小車及軌道。物料小車由驅(qū)動(dòng)臺車、支撐滾輪、壓臂組成，用于工件的定位壓緊及輸送并提供工件的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，共4組。軌道采用精密加工。

2 海洋平臺運(yùn)維工程管線數(shù)字化控制系統(tǒng)

該數(shù)字化控制系統(tǒng)包含上位嵌入式系統(tǒng)和下層PLC控制器，如圖7所示。數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖8所示。

上位嵌入式系統(tǒng)由一套工控機(jī)、工控機(jī)軟件及顯示屏組成。中央控制系統(tǒng)完成整線的自動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置和設(shè)備監(jiān)視等功能，各個(gè)獨(dú)立工位控制系統(tǒng)完成各個(gè)單獨(dú)工位的信號檢測和設(shè)備控制。各個(gè)工位通過總線與中央控制系統(tǒng)通訊連接，某個(gè)工位故障時(shí)，其他工位仍然可以手動(dòng)控制，最大限度降低設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

焊接工藝數(shù)據(jù)采集處理模塊采集焊接電源的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)（焊接電流、焊接電壓、送絲速度、保護(hù)氣體流量）后，上傳給工控機(jī)，工控機(jī)收到這些數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)顯示并存盤處理。顯示屏主要顯示當(dāng)班的各類生產(chǎn)信息及組焊工藝過程控制信息，具備缺料報(bào)警、出料報(bào)警功能。

坡口機(jī)PLC控制系統(tǒng)采用西門子S系列PLC，通信Profinet接口，與上位機(jī)MES系統(tǒng)相連。通過MES系統(tǒng)下發(fā)生產(chǎn)指令，坡口一體機(jī)PLC接收到指令后，自動(dòng)匹配管道參數(shù)，操作工人將管道吊裝至傳輸線后，一體機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。PLC可控制坡口一體機(jī)傳輸、夾緊、切斷及管道倒坡口等動(dòng)作。

掃描槍PLC系統(tǒng)：前序工件通過MES系統(tǒng)給出生產(chǎn)指令后會(huì)形成一個(gè)二維碼，此二維碼噴涂在管道表面，掃描槍掃描此二維碼可讀取管道參數(shù)并下發(fā)給龍門桁架機(jī)械手。

龍門桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)：采用西門子S系列PLC，通信 Profinet接口，與上位機(jī)MES系統(tǒng)相連。龍門桁架接收到掃碼槍數(shù)據(jù)后，通過程序自動(dòng)運(yùn)行到對應(yīng)位置抓取工件到焊接工位。PLC系統(tǒng)控制龍門桁架的縱向移動(dòng)和控制抓手的升降橫移及夾緊/放松。

焊接工位控制系統(tǒng)：采用西門子S系列PLC，它可以對機(jī)器人的啟動(dòng)、停止以及相關(guān)狀態(tài)和動(dòng)作進(jìn)行控制，還可以執(zhí)行機(jī)器人加工程序的調(diào)用與選擇;PLC采集到的系統(tǒng)狀態(tài)信息在觸摸屏上進(jìn)行顯示，例如：機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)、運(yùn)行的程序號、報(bào)警信息、歷史報(bào)警記錄等，如圖9～圖12所示。同時(shí)用戶可以通過觸摸屏相關(guān)的畫面，調(diào)用機(jī)器人的相關(guān)數(shù)據(jù)和動(dòng)作狀態(tài)，如機(jī)器人焊接程序的調(diào)用、機(jī)器人狀態(tài)切換、機(jī)器人啟/停等操作。觸摸屏通過專用通信電纜將相關(guān)信息傳給PLC，由PLC完成相應(yīng)動(dòng)作的實(shí)施。

管理人員可以通過MES系統(tǒng)提取生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況和生產(chǎn)狀況數(shù)據(jù)。所有MES系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)均由上位機(jī)上傳，MES系統(tǒng)只需下發(fā)所需加工工件的數(shù)據(jù)包。MES系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用TCP/IP協(xié)議通信。

3 生產(chǎn)節(jié)拍

（1）管道切割：4 min

（2）桁架機(jī)械手取料時(shí)間：4.4 min

（3）組對工裝：5 min

（4）組對完成工件吊裝至管道起重機(jī)上：4.4 min。

（5）管道起重機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至TIG焊接區(qū)：4.8 min。

（6）TIG焊焊接（單層）：12英寸鋼管耗時(shí)10.2 min;

2英寸鋼管耗時(shí)1.57min。

（7）MAG焊蓋面（多層多道）：12英寸鋼管（25 mm厚）耗時(shí)10.2 min，焊道層數(shù)為5道;2英寸鋼管（15 mm厚）耗時(shí)1 min ，焊道層數(shù)為2道。

產(chǎn)能計(jì)算：

（1）12英寸鋼管。按單班7.5 h：產(chǎn)能=7.5×60/10.2=44根鋼管;按寸徑計(jì)算：44×12=528寸徑/天。

（2） 2英寸鋼管。按單班7.5 h：產(chǎn)能=7.5×60/1.57=286根鋼管;按寸徑計(jì)算：286×2=574寸徑/天。

4 結(jié)論

該生產(chǎn)線自動(dòng)化程度高，實(shí)用性強(qiáng)，與手工電弧焊相比極大地提升了生產(chǎn)效率，節(jié)約成本并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，減少對操作者操作技能的要求，操作工人只需調(diào)用對應(yīng)管件的參數(shù)即可完成管道焊接。受限于管道的橢圓度影響，仍需要人工干預(yù)參與組對。后期希望提高來料管道的精度實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的生產(chǎn)線。

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