海洋平臺樁管自動焊接系統研制

許家忠+張宇+尤波+李東潔+付偉

摘 要：為了改善復雜環境下海洋平臺樁管焊接施工生產效率低、操作不便等問題，研制了多點雙電源單熔池雙絲雙弧焊接系統。機械系統由焊接小車行走機構、雙焊槍調整機構和120°環形對接導軌組成，基于PLC對單絲交流手工氣體保護焊機內部時序與行走電機進行實時控制，詳細闡述了該系統的控制要求，硬件構成，軟件程序設計以及人機交互界面設計，并完成了樁管環形焊縫的焊接試驗及工藝參數選擇。實驗結果表明，該系統運行穩定可靠，樁管對接焊縫成形性良好，射線檢測質量合格，完全滿足了樁管在海洋平臺對接現場的施工要求。

關鍵詞：

海上樁管；焊接工藝；機械系統設計；控制系統設計；PLC

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.013

中圖分類號： TP23

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）06-0067-05

Abstract：Twin arc welding system for offshore platform pile pipe with multipoint dual power and a single molten pool is put forward in this paper in order to solve the problems of low producing efficiency and operating inconvenience in complex environment. Welding tractor， double welding gun adjusting mechanism and 120 degrees circumferential butt joint guide rail are designed. Monofilament AC manual gas protection welding machine internal timing and motion motor are under realtime control Based on PLC. We elaborate the control requirement of the system， hardware configuration， software design and humanmachine interface design， and complete the pile pipe girth welding test and technological parameter selection. The experimental results show that the system is stable and reliable， and the butt weld of the pile pipe is good， and the quality of the radiographic inspection is qualified， which fully meets the requirements of the construction of the pile pipe in the docking site of the offshore platform.

Keywords：offshore platform pile pipe； welding process； mechanical system design； control system design； PLC

0 引 言

海上樁管焊接是重要的海洋工程連接技術之一[1-2]。隨著海洋油氣能源不斷地開發，海洋平臺建造工作量也逐年增加，從而樁管的海上焊接問題尤為突出。樁管的口徑大，管壁厚，焊接質量要求高，且施工條件惡劣[3-4]。長期以來，我國乃至世界上對海洋平臺樁管的連接一直采用焊條電弧焊，焊接效率很低，工人勞動強度大[5-6]。隨著焊機技術發展，目前施工企業主要采用半自動手工氣體保護焊設備，受到坡口形式和半自動手工焊本身的技術特點限制[7]，焊接效率和質量也很難再有提高。為了縮短工期，降低建造成本，同時也為了減少海上作業的風險，需要研制出樁管環形焊縫的自動化焊接系統[8-10]。

早期勝利油田油建一公司已經研制了基于單片機的樁管橫焊縫自動焊接裝置，X射線探傷一次合格率在95%以上，Φ1600mm樁管環縫焊接時間由焊條電弧焊的8～10h縮短到3h[11]，因此該裝置得到了應用和推廣。2006年中國石油集團工程技術研究院研制的專用自動化海洋設備在海南24井平臺上導管架上進行工程應用[12]，針對環形樁管環縫不太適用。

本文針對海上樁管環縫焊接，將從提高焊接生產效率和質量角度出發，以焊接小車作為焊接載體，結合工藝控制要求，通過精確控制焊接時序流程、行走電機運動和工藝參數采集等環節，完成了基于PLC和HMI組合的多點雙電源單熔池雙絲雙弧焊接系統設計，經焊接試驗分析，驗證了該系統的穩定性。

1 系統總體方案設計

多點雙電源單熔池雙絲雙弧焊接系統包括3套焊接小車，每套焊接小車系統由2臺焊接電源、2臺送絲機、PLC控制系統和其他輔助機構組成，焊接系統結構示意圖如圖1所示。

主從站采用Modbus總線通訊協議，主站通過以太網通訊完成人機交互。為更好地提高焊接效率，3臺焊接小車分別安裝在環形導軌的三分之一處。焊接開始時，3臺焊接小車先進行原點歸零，然后沿著環形焊縫順時針方向進行焊接，在到達預設焊接位置后停止焊接。控制系統根據焊接小車行走一圈的距離參數計算出小車之間的相對位置，保證3臺焊接小車正常工作時不存在干涉。焊接小車以焊槍啟動為準，停止運行以焊槍停止為準。每臺焊接小車獨立完成三分之一管道的打底焊、填充焊、蓋面焊等焊接工序。endprint

2 機械系統設計

機械系統包括焊接小車行走機構、焊槍位置及角度調整機構和軌道機構三部分。

焊車行走系統的平穩性和可靠性是影響焊縫成形和內在質量的重要因素[13]。為了便于裝卸和使用，采用分段式環形軌道設計，通過扳手和卡扣連接而成圓形導軌。圓形導軌的兩側為環形導向軌，與環形導向軌中間的傳動軌構成復合導向軌道，導軌內部設有軌道鎖緊裝置，以實現與固定樁管上的鏈條固定支撐塊卡緊，導軌外部設有齒條用于實現與行走機構的齒輪傳動。焊接小車通過鎖緊裝置裝卡在焊接鋁導軌的V形導軌上，并通過離合裝置使驅動齒輪與導軌齒輪嚙合。行走機構采用單驅動齒輪咬合方式，主要包括行走齒輪、減速器和驅動電機，驅動部分包括行走和導向機構，共同完成焊接小車沿導軌外側做周向運動。焊槍的軸向和徑向調整機構采用滾珠絲桿、梯形滑塊的傳動方式；角度調節機構采用窩心輪調節，共同調整焊縫不同位置的焊絲與管壁的間距及角度。焊接小車在焊接過程中的工作情況如圖2所示。

3 控制系統設計

基于PLC的獨立雙絲雙弧焊接系統通過軟硬件結合的方式去實現功能，以便于系統開發和設備功能擴展。焊接控制系統通過最大100kHz脈沖輸出，用于控制焊接速度和焊接時序。

3.1 焊接控制要求

將焊接時序主要分為3個階段：

1）引弧階段。正常焊接前要進行必要的準備階段。通過焊槍位置及角度機構調節焊絲與焊道之間的距離，保證CO2氣路通暢。為了保證雙絲能夠全部同時起弧，均采取慢送絲方式進行起弧，實現起弧點焊縫的成形和質量的控制。

2）焊接階段。焊接系統按照事先設定完整的焊接參數穩定焊接，且在焊接時電流電壓參數是可以實時調節的。雙絲焊接回路是彼此相互獨立的，觀測焊絲熔化后的飛濺情況，通過調節旋鈕來完成最佳焊縫成形。

3）熄弧階段。焊接結束時，基于焊接電源內部設置有自動收弧功能，為了保證雙絲熄弧均不粘絲，同時通過PLC程序對焊接時序中實施控制，設置停絲延時后停電源有，效地避免了焊絲與熔池短路，降低了回燒時間。

3.2 系統硬件構成

系統以PLC和模擬量輸入/輸出模塊為核心，焊接電流和電壓信號經過直流電流/電壓變送器轉換，輸出0～5V標準電壓信號，輸入到模擬量輸入模塊，經過PLC的數據運算處理，利用控制系統判斷焊接時序所處的工作階段和狀態[14-15]，輸出相應的開關量信號，并同時輸出模擬量信號控制送絲直流電機運行，PLC發送脈沖信號控制行走步進電機運行。控制系統框圖如圖3所示。

基于唐山松下CO2保護焊機進行設備控制，焊機設有外控端子，PLC通過繼電器常開觸點控制焊接啟停，PLC輸出模擬量控制焊機預置電壓；焊絲末端電弧電壓通過反饋線給焊機，使電弧電壓得到補償。

3.3 PLC程序開發

根據焊接工藝控制要求，使用STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件結合硬件輸入輸出信號，按照焊接時序設計主程序流程圖，如圖4所示。

PLC程序采用主程序調用子程序方式運行主函數，主要包括4個子程序：工藝流程、數據處理、電機軸運動和通訊。工藝流程包括預送氣、小車啟動、慢送絲、焊接啟動、停止送絲、小車停止、停止送氣和焊接停止8個環節，各個環節之間可以設置最佳延遲時間，來滿足不同的焊接位置需求。

數據處理先將采集的電壓和電流真實值轉換為0～10V模擬量值，再經過數值轉換關系變為10～48V和0～400A的標準焊機參數，并顯示在觸摸屏上。電機軸運動利用編程軟件中的“運動控制向導”功能，在子例程中直接調用AXISx_CTRL子例程供軸初始化和AXISx_CTRL子例程命令軸轉到指定位置。在庫中調用Modbus RTU Master與Modbus RTU Slave實現PLC主從站的通訊，部分通訊程序如圖5所示。

3.4 觸摸屏界面設計

系統界面由SIEMENS公司的組態軟件WINCC設計，主要負責焊接參數的預先設置和實時顯示。根據焊工的操作習慣和焊機本身特點，將界面分為焊接小車參數顯示和運動控制兩大板塊，界面如圖6所示。焊接電壓和送絲速度（焊接電流）是焊機的預制參數顯示；真實電壓和電流在焊接過程中波動性可以直接反映出穩定性。

在運動參數中，小車行走速度和速度實時顯示數據，小車調整速度作用是方便手動調整小車在環形焊道上的位置，連續送絲速度設置是改變焊接過程電流大小的；點動送絲速度設置作用是調整焊絲到焊道距離，提高了焊接開始的引弧成功率。觸摸屏采用雙焊接回路對比方式設計，界面簡單清晰，易于焊工操作。

4 焊接試驗

焊接工藝是實現高質高效焊縫的關鍵。樁管材料為碳鋼，壁厚為38mm，坡口形式為單邊30°V型，坡口組對間距為0～2mm，采用1.2mm的實心焊絲，以表1所示的焊接工藝參數順利完成了一道直徑1829mm的焊口，用時僅2h 10min，大幅度降低了勞動強度。用射線探傷方式對焊縫質量檢測，結果如表2所示。

如圖7所示，焊縫成型美觀，工藝性能良好，無焊瘤和咬邊，熔寬均勻，熔深一致，焊接接頭機械性能滿足AWSD1.1最新版要求，焊縫的焊接質量完全滿足生產要求。

5 結 論

本文為了提高海洋平臺樁管對接的生產效率和焊接質量，通過設計開發和應用實例，得出以下結論：

1）該系統能夠適應不同口徑的樁管對接，以機械結構代替人工焊接方式，降低了工人的勞動強度。

2）該系統應用PLC完成了半自動焊機焊接時序和步進電機的控制，增強了焊接過程的自動化程度。同時設計了人機界面，實現了焊接工藝和運動參數的采集、顯示和存儲功能。界面簡單易懂、維護方便，不需操作人員有較高的技術水平即可操作。

3）實驗應用表明，焊接小車運行平穩，焊縫的焊接質量滿足生產要求，體現了系統的穩定性和可靠性，具有較好的應用價值。endprint

參 考 文 獻：

[1] 焦向東，周燦豐，陳家慶，等.21世紀海洋工程連接技術的挑戰與對策[J].焊接，2007（5）：23-27.

[2] 焦向東，周燦豐.海洋石油工程自動焊技術的現狀與展望[J].焊接，2015（12）：6-11+69.

[3] 唐德渝，馮標，李春潤，等.導管架樁管自動焊控制技術研究[J].電焊機，2008，38（5）：6-9.

[4] 張建護，唐德渝，馮標，等.海洋平臺導管架樁管自動焊工藝及應用[J].石油工程建設，2011， 37（3）：21-24.

[5] 馮標，唐德渝，李春潤，等.海洋平臺樁管自動焊技術研究[J].石油工程建設，2007，33（5）：46-50.

[6] 李春潤，牛虎理，龍斌，等.海洋平臺樁管預制對接自動焊技術應用研究[J].石油工程建設， 2008，34（5）：57-59.

[7] 李銅，錢莉，王文杰.管道焊接技術[J].電焊機，2007，37（12），32-35.

[8] 蔣偉波. 我國工業焊接技術的現狀及發展前景分析[J].科技創新與應用，2014（4）：84.

[9] 雷毅，張林.海洋樁管環縫雙機頭自動焊微機控制技術[J].制造業自動化，2004，26（11）：70-73.

[10]TANG Deyu，FENG Biao，CHUN Run，et al.Research on Technology of Automatic Welding Machine and Procedure for Pile Pipes of Offshorejacket Platform[J].Engeneeringscience，2010，8（2）：24-30.

[11]于云風，劉鴻升，張玉成.海上樁管環縫自動焊接技術[J].石油工程建設，2000，26（3）：33-37.

[12]馮標.我國首例海洋平臺樁管現場自動焊接在海南24井順利實施[J].石油工程建設， 2006（5）：27-27.

[13]張田利，唐德渝，馮標.大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備的研制[J].電焊機，2011，41（10）：9-14.

[14]李軍，任婷.管-板焊機的PLC自動控制系統研制[J].焊接技術，2011，40（11）：42-45.

[15]張毅，趙勇強，張鋒，等.三菱PLCFX1N在管道自動焊接設備中的應用[J].焊接技術，2014，（11）：51-53.

（編輯：溫澤宇）endprint