海洋平臺運維工程管線預制數字化焊接生產線

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維工程管線設計一條數字化預制自動焊接生產線，依據制造工藝設置不同的工位和物流措施，達到流水線作業模式，通過自動化、數字化控制系統，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，通過控制系統實時收集現場設備的工作狀態、焊接過程數據，并通過總線方式上傳到中控系統，以數字化信息顯示過程狀態;通過與MES系統接口，實現了對生產線及生產過程的集中監控。

關鍵詞：管道;數字化;焊接生產線

中圖分類號：TG409? ? ? 文獻標志碼：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，海洋平臺大型化、復雜化是發展趨勢，這對平臺的安全有效運行提出了更高的要求。管道作為平臺的經絡，有著至關重要的作用。海洋平臺運維工程管線預制焊接具有施工周期短、工程種類多、材質復雜、工程量大的特點，管道安裝的施工進度已成為影響總工期的主要因素。以中海油公司為例，海上油氣田內部連接管主要規格為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以上的鋼管規格占60%左右。由于海洋平臺管道預制的焊縫要求要比其他管道高，每根管道都需要進行探傷，焊縫均要求達到一級焊縫，因此目前國內大部分還在采用手工焊接，預制管線成本高、效率低、質量不穩定、工人勞動強度大。加強管道施工的預制水平和預制深度，是提高管道施工質量、提升生產效率，降低勞動強度，提高產品質量和可靠性，以及降低施工成本的重要途徑，可促進裝備運維產業由勞動密集型向自動化、數字化方向轉型。

1 海洋平臺運維工程管線預制生產線主要組成

本項目主要針對2～12英寸海洋石油輸送管線的工廠化預制，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焊接機器人自動打底、MIG/MAG焊接機器人自動蓋面工藝。主要思路是：最大限度地采用自動化方式進行加工生產，降低操作難度，提高焊接速度，且材料或產品的移動路線設計最短，生產線具有一定的可塑性。采用模塊化管線預制數字化焊接生產線及工作站，即將管子切割/坡口、組對、自動上/下料 和自動焊接分別集成在工廠內，通過工控機系統及MES系統下達指令控制各個模塊，以實現管道制預焊接的信息化和數字化。工廠化預制全部采用轉動口焊接，有利于提高和保證焊接質量，且轉動口焊縫無損探傷比例小，可減少探傷費用。工廠化預制不受自然環境條件的影響和干擾，能夠保證施工的連續性，減少額外的臨時措施及費用。

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

管線預制數字化焊接生產線由管材存放區、管材切割坡口一體機、短管中轉打磨區、管/法蘭/彎頭組對區、管/法蘭/彎頭組對緩存區、桁架機械手、TIG焊接區、MIG/MAG焊接區、物料小車及軌道、數字化控制系統等組成。整個生產線布局如圖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定長裝置傳輸至坡口切割一體機切斷并倒坡口后，自動傳輸至下料區，采用上料桁架機械手自動上料至組對工裝區，通過組對工裝人工組對管件與法蘭、三通、彎頭并點焊，下料桁架機械手自動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焊接機器人工作站自動TIG打底焊，打底完成的工件通過管件傳輸小車自動傳輸至MIG/MAG焊接機器人工作站自動蓋面。蓋面完成的管件通過管件傳輸小車運輸至下料區，通過天軌行車人工下料。

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

（2）管材切割坡口一體機。由數控切斷坡口機機頭、電動升降機座、循環水冷系統、操作箱及電氣控制柜、管子輸送輥道、管子定長機構組成。

（3）短管中轉打磨區。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，桁架機械手抓取到組對工裝上。

（4）管/法蘭/彎頭組對區。用于鋼管與法蘭、鋼管與彎頭、鋼管與三通組對點焊。由管道預制機械組對機、管道預制卡盤式驅動機、上下料機構、控制系統組成。

組對注意事項：

a.法蘭面應與管道中心線垂直并同心。法蘭間應保持平行，其偏差不應大于外徑的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量，在對縫處兩根管壁外表面的局部錯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，應進行點焊，管徑為100 mm以下的需均勻點焊3點，管徑在100 mm以上的需點焊4點。

（5）桁架機械手。分為上料桁架機械手和下料桁架機械手，用于工件的上下料，工件由桁架機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。

TIG焊接區為工件打底焊接，焊接層數為一層。對接焊口要求滿足ASME標準部分管路安裝手冊的規范。

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

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

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

（7）MIG/MAG焊接區為焊縫蓋面焊接區，焊接層數為多層多道。對接焊口要求滿足ASME標準部分管路安裝手冊的規范，且設備應能適應工件及組裝的偏差，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的錯邊及間隙不均勻等現象，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%混合氣體保護下的短路過渡焊接工藝，焊接方式為焊槍擺動、工件旋轉、層間不熄弧。典型焊接規格參數如表2所示。

MIG/MAG焊接區焊接機器人系統、機器人滑臺、焊接電源以及清槍剪絲等組成，此區域機器人系統、機器人滑臺配置與TIG焊接區相同。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。清槍剪絲機構具備自動清槍噴油裝置，由機器人聯動控制，按程序設定定時清理焊槍噴嘴內焊接飛濺，并向噴嘴內部噴射硅油，避免焊接時飛濺的牢固粘附。整體上保證機器人系統長時間連續無監視運轉。清槍剪絲機如圖6所示。

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

（9）物料小車及軌道。物料小車由驅動臺車、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動力，共4組。軌道采用精密加工。

2 海洋平臺運維工程管線數字化控制系統

該數字化控制系統包含上位嵌入式系統和下層PLC控制器，如圖7所示。數據傳輸框圖如圖8所示。

上位嵌入式系統由一套工控機、工控機軟件及顯示屏組成。中央控制系統完成整線的自動控制、參數設置和設備監視等功能，各個獨立工位控制系統完成各個單獨工位的信號檢測和設備控制。各個工位通過總線與中央控制系統通訊連接，某個工位故障時，其他工位仍然可以手動控制，最大限度降低設備停機時間，提高生產效率。

焊接工藝數據采集處理模塊采集焊接電源的實時運行數據（焊接電流、焊接電壓、送絲速度、保護氣體流量）后，上傳給工控機，工控機收到這些數據后實時顯示并存盤處理。顯示屏主要顯示當班的各類生產信息及組焊工藝過程控制信息，具備缺料報警、出料報警功能。

坡口機PLC控制系統采用西門子S系列PLC，通信Profinet接口，與上位機MES系統相連。通過MES系統下發生產指令，坡口一體機PLC接收到指令后，自動匹配管道參數，操作工人將管道吊裝至傳輸線后，一體機自動運行。PLC可控制坡口一體機傳輸、夾緊、切斷及管道倒坡口等動作。

掃描槍PLC系統：前序工件通過MES系統給出生產指令后會形成一個二維碼，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并下發給龍門桁架機械手。

龍門桁架機械手控制系統：采用西門子S系列PLC，通信 Profinet接口，與上位機MES系統相連。龍門桁架接收到掃碼槍數據后，通過程序自動運行到對應位置抓取工件到焊接工位。PLC系統控制龍門桁架的縱向移動和控制抓手的升降橫移及夾緊/放松。

焊接工位控制系統：采用西門子S系列PLC，它可以對機器人的啟動、停止以及相關狀態和動作進行控制，還可以執行機器人加工程序的調用與選擇;PLC采集到的系統狀態信息在觸摸屏上進行顯示，例如：機器人當前的狀態、運行的程序號、報警信息、歷史報警記錄等，如圖9～圖12所示。同時用戶可以通過觸摸屏相關的畫面，調用機器人的相關數據和動作狀態，如機器人焊接程序的調用、機器人狀態切換、機器人啟/停等操作。觸摸屏通過專用通信電纜將相關信息傳給PLC，由PLC完成相應動作的實施。

管理人員可以通過MES系統提取生產線的運行狀況和生產狀況數據。所有MES系統需要的數據均由上位機上傳，MES系統只需下發所需加工工件的數據包。MES系統與上位機之間采用TCP/IP協議通信。

3 生產節拍

（1）管道切割：4 min

（2）桁架機械手取料時間：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上：4.4 min。

（5）管道起重機運轉至TIG焊接區：4.8 min。

（6）TIG焊焊接（單層）：12英寸鋼管耗時10.2 min;

2英寸鋼管耗時1.57min。

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

產能計算：

（1）12英寸鋼管。按單班7.5 h：產能=7.5×60/10.2=44根鋼管;按寸徑計算：44×12=528寸徑/天。

（2） 2英寸鋼管。按單班7.5 h：產能=7.5×60/1.57=286根鋼管;按寸徑計算：286×2=574寸徑/天。

4 結論

該生產線自動化程度高，實用性強，與手工電弧焊相比極大地提升了生產效率，節約成本并降低勞動強度，提高產品質量和可靠性，減少對操作者操作技能的要求，操作工人只需調用對應管件的參數即可完成管道焊接。受限于管道的橢圓度影響，仍需要人工干預參與組對。后期希望提高來料管道的精度實現全自動化的生產線。

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