螺旋焊管管端切斜自動測量裝置

周書亮，趙寶剛，鄭青昊，祁 超，李青紅，趙 彪

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658）

螺旋焊管管端切斜自動測量裝置

周書亮1，趙寶剛1，鄭青昊1，祁 超1，李青紅1，趙 彪2

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658）

針對螺旋焊管管端切斜值測量過程中存在的測量精度及人工測量誤差較大的問題，設計了一種管端切斜自動測量裝置。該裝置采用CCD激光傳感器對切斜值進行測量，結合PLC算術平均濾波法對數據運算處理，利用MCGS6.2上位機軟件顯示測量參數信息，通過ODBC接口將測量數據保存在Accesss數據庫中，方便數據匯總、統計。生產運行表明，該裝置測量準確，系統穩定，測量精度滿足生產工藝要求，測量誤差在±0.1mm。

螺旋焊管；管端；切斜值；激光傳感器；上位機

0 前 言

長輸管道施工過程中，為了現場鋼管對接需要，鋼管管端要進行切斜加工。管端切斜尺寸是管端加工和鋼管外觀幾何尺寸檢測的一項重要指標，管端切斜尺寸過大，鋼管對接處間隙過大，給焊接造成困難，影響管道焊接質量和安全。在API SPEC 5L《管線鋼管規范》和GB/T 9711—2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》等標準中，要求管端切斜尺寸不應超過1.6mm。目前國內鋼管廠普遍采用直角尺、線錘等方法測量，找出管端一周最大切斜值來確定管端切斜尺寸，這種測量方法重復精度差，測量過程中勞動強度大，且人工測量誤差較大。因此，設計一種螺旋埋弧焊管管端切斜自動測量裝置，以提高管端切斜測量的準確性和精度，提升檢測效率，降低崗位人員的勞動強度，對鋼管質量控制有重要意義。

1 總體設計

根據 API SPEC 5L《管線鋼管規范》和GB/T 9711—2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》對管端切斜值的檢測要求，該管端切斜自動測量裝置總體結構如圖1所示。

圖1 管端切斜測量裝置結構

1.1 測量流程

當旋轉機構檢測到有鋼管放入時，操作人員輸入鋼管管號選擇自動測量模式，鋼管管端兩側的測量小車便相向行走，當測量小車上的測距傳感器檢測到小車到達指定位置后，小車停止行走，鋼管開始旋轉，CCD激光傳感器開始對管端切斜進行測量。鋼管在起始位置旋轉180°后測量出的管端切斜值中的最大值為此鋼管的管端切斜尺寸。測量完成后，鋼管停止旋轉，測量小車自動返回到起始位置，上位機顯示當前鋼管的切斜尺寸數值，完成測量過程。

1.2 控制原理

考慮到需要與現場其他設備（主要為西門子控制元件）交互通訊，因此采用 PROFIBUS-DP分布式主從控制模式，以西門子S7-300 PLC作為主站，主要完成信號采集、數據處理以及執行機構的控制；從站為ET200M和倫茨9300-EV矢量工程型變頻器，主要完成遠程操作及驅動輥的控制；PLC主站與上位機采用工業以太網通信方式，上位機完成工藝參數設置和測量數據的保存。

2 硬件組成

2.1 測量機構

管端切斜測量機構由高精度CCD激光傳感器、帶直線導軌的可伸縮傳感器固定支臂和測量小車組成。CCD激光傳感器包括發射器、接收器和放大器。根據生產工藝要求以及管端經倒棱處理后實際切斜尺寸的大小，選擇測量范圍為28mm的傳感器。該傳感器的重復精度最高可達5 μm，線性度可達±0.1%F.S；發射器和接收器帶光軸校準指示，并具有雙LED位置顯示，便于日常觀測，放大器可根據管端切斜的形貌選擇不同的測量模式，以達到最佳的測量效果。在傳感器的安裝過程中，考慮到存在實際安裝誤差，不能保證傳感器1和傳感器2在鋼管的直徑方向位置絕對一致，設其誤差為L3，根據API SPEC 5L和GB/T 9711—2011標準，從不同的管端直徑方向測量管端切斜尺寸中的最大值即為判斷管端切斜尺寸是否合格的切斜值。圖2為管端切斜測量示意圖，圖中管端切斜尺寸測量值為|L1+L3-L2|。

圖2 管端切斜測量示意圖

傳感器1和傳感器2安裝在通過鋼管直徑方向的同一水平面上。考慮到傳感器支臂需要根據螺旋焊管管徑的大小做相應的調整，傳感器支臂水平方向調整采用可伸縮滑道方式，垂直方向調整采用直線導軌方式，在保證傳感器調整精度的同時便于操作。

測量小車上裝有測量支臂和測距傳感器，小車可根據測距傳感器檢測到的距離變化，停留在管端固定距離的位置進行測量，使測量過程滿足工藝要求。

2.2 旋轉機構

鋼管旋轉機構采用倫茨矢量工程型伺服控制器驅動旋轉電機，控制器型號為9300-EV，具有低頻、力矩大、輸出平穩、轉矩動態響應快和穩速精度高的特點，這樣保證了鋼管旋轉的穩定性，確保了測量精度。旋轉輥的輥面采用膠面，避免旋轉過程中焊縫引起的鋼管震動對切斜測量的影響。

2.3 PLC控制系統

PLC控制系統由CPU模塊、輸入輸出模塊、ET200M（從站）模塊和以太網通訊模塊CP343-1組成。主要完成傳感器數據的采集、運算以及測量小車和旋轉輥的控制等。考慮到其他設備的控制和車間工業以太網通訊需要，采用西門子S7-300 PLC系統。

2.4 上位機

上位機用來實現鋼管的工藝參數設置和測量后的數據保存，工藝參數設置的目的是為了實現不同規格鋼管的自動檢測。上位機采用西門子工業PC和SIMATIC HMI IPC，其集觸摸操作和PC功能于一體，并有較高的防護等級，適合在工業環境中使用，操作便利，在滿足工作需要的同時，節約了設備的安裝空間。考慮到兼容性，PLC與上位機通訊采用工業以太網方式。

3 系統程序設計

3.1 測量控制

CCD激光傳感器的放大器設置為“邊緣控制/定位”測量模式，為了避免線路阻值和外界干擾對信號傳輸的影響，提高信號傳輸精度，傳感器采集的數據以恒流源4～20 mA電流信號的形式輸出給西門子SM331模塊，對采集的數據采用算術平均濾波法進行濾波處理，經過程序運算后，其數值輸出程序如圖3所示。

圖3 管端切斜輸出值程序模塊

3.2 旋轉控制

旋轉機構要保證鋼管在旋轉測量過程中按控制器所設定的指令參數平穩、可靠地運行。在旋轉轉速恒定的情況下，由于鋼管旋轉相同的角度所用時間會隨管徑不同而變化，旋轉時間根據上位機工藝參數設置后經程序運算自動生成，確保鋼管旋轉所需要的角度。驅動輥的控制程序模塊如圖4所示。

圖4 9300-EV控制程序模塊

3.3 上位機控制

（1）上位機界面軟件采用MCGS6.2通用版，MCGS6.2通用版基于Windows平臺，用于快速構造和生成上位機系統的組態軟件系統，具有功能完善、操作簡便、可視性好和維護性強等突出特點。支持多種國內外眾多常用設備，支持ODBC接口，可與SQL Server，Oracle和Access等關系型數據庫互聯。

（2）在本設計中MCGS 6.2通過ODBC接口將測量的數據保存在Accesss數據庫中，經過圖5所示MCGS參數設置后，與西門子CP343-1互聯，實現與S7-300 PLC通訊。

圖5 MCGS通訊參數設置界面

（3）通過MCGS軟件界面組態和S7-300 PLC變量連接，將參數讀取到軟件中，測量數據通過組態界面顯示出來，測量界面如圖6所示。

4 結 語

該管端切斜測量裝置采用機器自動測量模式，避免了不同操作人員測量帶來的人工誤差，提高了測量精度，降低了操作人員的勞動強度，簡化了測量流程。測量數據穩定、可靠，數據查詢方便、快捷。

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Automatic Measuring Device to SAWH Pipe Ends Cut Square

ZHOU Shuliang1,ZHAO Baogang1,ZHENG Qinghao1,QI Chao1,LI Qinghong1,ZHAO Biao2
（1.CNPC Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China；2.CNPC Bohai Equipment NKK Drill Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

Aiming at some problems existed in measurement process of SAWH pipe ends cut square,such as measurement accuracy and the manual measurement deviation bigger,a kind of automatic measuring device of pipe end square cut was designed.The device adopted CCD laser sensor to measure cut square value,combined with PLC arithmetic average filtering method to process data,utilized MCGS6.2 upper computer software to display the measured parameters.The data were stored in the access database through the ODBC interface,which is convenient for data collection and statistics.The production run showed that this device is with some advantages of accurate measurement and stable system,the measurement accuracy can satisfy the requirements of production technology,and the measurement deviation is within±0.1mm.

SAWH pipe;pipe end;cut square value;laser sensor;upper computer

TG82

B

1001－3938（2015）04-0048-04

周書亮（1984—），男，大學本科，工程師，現主要從事電氣設計與設備維護工作。

2014-10-02

黃蔚莉

中國石化第一條智能化管道新東辛輸油管道項目投產一次成功

2015年4月3日，中國石化第一條智能化管道——新東辛輸油管道項目投產一次成功。

新東辛輸油管道是勝利油田輸往齊魯石化供油的輸油干線，管道北起東營原油庫，南至臨淄原油庫，途經東營市東營區、廣饒縣及淄博市臨淄區等3縣區10個鄉鎮，管道總長88.3 km，直徑610mm，設計壓力5 MPa。

作為中國石化第一批智能化管道項目，新東辛輸油管道與原東辛輸油管道相比，具有輸油能力大、環保節能好、泵效率高以及智能化水平高等優勢，年輸油能力將由目前的300×104t提升至 800×104t以上。

智能化是新管道的顯著特點，主干線途經的飲用水源地上新增設的4個截斷閥室可實現應急狀況下的緊急切斷功能，管道監控系統可檢測到＜2 m3/h的小流量泄漏，避免大面積環境污染。同時，管道主通信方式為光纜，實現了日常生產數據傳輸的快速穩定。

據介紹，原東辛輸油管道投產于1988年，管徑529mm，使用年限超過26年，違章建筑和占壓等隱患嚴重，并且無法滿足齊魯石化新投入裝置生產的要求，同時與城市管網有交叉，存在較大安全隱患。

（羅 剛摘自中國管道商務網）