管道預制智能化的思考和實踐

廉 江

中石化南京工程有限公司 江蘇南京 211100

最近10 年來，隨著石油、石化、化工、海工項目蓬勃發展，工藝管道預制施工逐漸成為石油化工建設中的核心工作之一。尤其是在海外項目中，管道預制廠的建設與推廣在降低運營成本、增強市場競爭能力、拓展業務模式、提高業務收入及利潤水平、規避政策風險等方面發揮了越來越重要的作用。許多實例證明，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/ 速度、降低施工成本，以及保障項目順利完成的重要途徑[1]。

1 管道預制智能化的瓶頸

目前，在以工藝管道為核心任務的工程建設項目中，各大型石油化工施工企業已經認可并在實際施工中采取了車間預制+ 現場安裝的模式，同時普遍認為提升工廠化預制深度是提升質量、效率和縮短工期的重要手段，也是未來發展的大趨勢。但在現場實際生產過程中，以下幾個方面直接或間接地制約著管道預制智能化的實施。

（1）自動氬弧焊打底的質量和效率問題制約著管道預制的成本。采用傳統的單一埋弧焊填充蓋面焊接功能，在管道預制中僅在大直徑厚壁管道上有明顯優勢，沒有實現相對手工焊預制全部管徑、壁厚范圍上的成本優勢。

（2）符合智能化要求的設備價格相對較貴。

（3）管道預制在管理和實施方面缺乏技術和人員，成熟的技術人員尤其短缺。

（4）管道預制的實施受到業主材料供應和設計院圖紙提供的效率和匹配性影響較大。

（5）大多數施工企業忽視小管徑管道自動化預制的重要性，片面地認為提升大管徑焊接效率是管道預制的關鍵。

（6）自動化設備制造商迎合客戶追求低成本的喜好，一味降低成本，忽視客戶的根本需求。

2 工藝管道智能制造的實施方案

采用高效的自動焊可以提高焊接效率和質量，并在一定程度上實現普工替代高技能焊工，從而降低加工成本。優質、高效、低成本是管道預制的根本，也是工藝管道智能制造實施方案的基本前提。總結起來，以下三點是在推廣工藝管道智能制造時必須具備的條件：

（1）對管道預制與安裝的根本目標“優質、高效、低成本”具有深刻認識；

（2）已經掌握創新工藝、裝備、軟件和成功應用經驗；

（3）對“精益高效生產”理論的實踐應用、深刻理解及總結改進。

3 工藝管道智能制造的工藝流程

工藝管道智能制造流程圖見圖1。

圖1 工藝管道智能制造流程圖

4 工藝管道智能制造需要解決的問題

（1）解決核心焊接工藝難題：氬弧焊自動打底焊接工藝；

（2）解決普工替代高技能焊工難題；

（3）解決“管道精益高效生產”效率問題；

（4）實現從自動拆圖、備料、自動下料、精密高效開坡口、高效組對、智能焊接的全過程“智能管理”新模式；

（5）解決設備級信息化管控問題，實現專家參數調用、設備故障報警、設備維保管控、材料消耗、耗品累積、用電累積、產能累積、生成日報表、周報表、月報表等專家信息化數據庫。

5 管道預制智能制造的設備配置

管道預制智造設備配置包括七個方面，具體如圖2所示。

圖2 管道預制智能制造生產線配置

5.1 拆圖軟件與管理

目前，市場上存在兩種情況：一是國外項目，往往海外終端用戶會提供IDF 或PCF 等格式的電子設計版圖紙，這樣處理比較簡單，只需要將該格式的圖紙直接導入軟件中轉化即可，只需進行預制口和安裝口的拆圖標定，最終軟件自動生成單線圖和管段圖、統計材料表和管件表，為后續精藝智能生產提供保障。這種拆圖原則為“預制先行、安裝輔助”。

二是國內工程，設計公司只提供紙板圖紙，這就比較麻煩，需要在軟件上重建模型。但好在目前已有功能強大的軟件，通過數據建模，模型重建非常快，模型建造過程中直接標定預制口和安裝口，后續圖紙和表單都自動生成。如圖3 所示。

圖3 3D管道設計圖紙

目前，中石化南京工程有限公司采用Spoolgen 軟件對單線圖到管段圖的轉化進行自動設計和生成，減少手工錯誤，提升了拆圖效率；材料管理系統采用SPM，以此控制和管理材料，進行全單線圖配料，實時掌握材料狀態和缺口；焊接過程中采用自主研發的焊接控制系統WMS，對焊接全過程進行控制；使用二維碼掃描對焊工、管道進行精準定位和控制，提升了產品質量控制和智能化的管段預制控制。見圖4 和圖5。

圖4 控制效果欠佳的生產

圖5 有效控制的管道預制生產

5.2 智能化下料

管道智能下料在管徑24inch 范圍內分兩種規格：一是2～14inch 中小管徑，采用國際領先的高效切斷與坡口一體化精密坡口一體機，一次下料自動完成兩個坡口，管子壁厚最厚可達25mm，實現自動上料、定長、切斷與開坡口，以及出料、下料等功能，DN200 sch40 的管子一次切斷二個坡口2min 內完成。

二是8～24inch 的大管徑、大壁厚的管道下料，采用國際領先的高效自動上料、定長、高速鋸床切斷、數控高效端面坡口機精密的坡口加工方式，能夠完成U型、V 型、雙V 型、X 型、內鏜等精密坡口形式的智能化一鍵高效加工，最厚能夠完成100mm 壁厚范圍內的管道加工。

5.3 自動物流

在管道預制中，采用兩種自動物流：一是下料后的物流；二是組對后的物流。前者采用輥道方式進行，將坡口加工完成后的管子通過自動物流輸送到相應工位的緩存區，物流線自動實現分配、物流、下料、物料召喚、料滿報警燈功能。

組對后的管子因長短不一、管徑大小不同，采用半龍門吊、懸臂吊、行車方式完成轉運。未來可輔以具備縱橫向轉換的RGV 智能物流小車進行物流轉運。

5.4 高效快速組對

高效快速速組對工裝能夠實現管子與法蘭、彎頭、三通等管件的快速組對功能，并且保證管子與管件的相對位置符合要求。可根據要求設計成單頭組對或雙頭多功能快速組對，其中雙頭組對工裝可輕松快速完成管子兩端管件有相對位置要求的工件組對工作。圖6 為多功能快速組對示意圖。

圖6 多功能快速組對示意圖

5.5 高效多工藝自動焊接中心

焊接作為管道預制智能制造的關鍵，實現1G 位置氬弧焊自動打底單面焊雙面成型焊接為管道智能制造中的核心。為此，引進了高效多工藝自動焊接中心，其自然間隙組對狀況下最大錯邊量≤1.5mm，預留2～3mm 間隙狀態下最大錯邊量≤3mm。

每個焊接系統上實現氬弧焊、H- TIG 熱絲氬弧焊自動打底，MAG/ SAW/ 熱絲TIG 焊填充蓋面的多工藝覆蓋。多工藝上實現極性和焊槍的快速切換，將單套設備的預制效率提升到150～300DI（包括高效自動打底時間統計），適用于普通碳鋼以及對線能量輸入嚴格的不銹鋼、合金鋼和雙相鋼等管道預制的所有材質，真正解決了普工替代高技能焊工，以及降低成本和提高自動焊覆蓋率的目的。高效多工藝自動能焊接中心系統見圖7。

圖7 高效多工藝自動焊接中心系統圖

驅動機構采用管鉗（U 型變位機）為主要回轉工裝，適用于兩端和中間具備三通的管件/ 直管/ 三通/ 管件的復雜管道預制形式，管鉗中間開U 型卡盤便于管道從上而下放入。由于焊縫位置永遠靠近管鉗旋轉動力盤附近，很好地解決了管道旋轉過程中的軸向竄動和徑向跳動。旋轉采用交流伺服電機控制，控制精度高，反應速度快，夾緊也采用交流伺服電機控制夾緊。管鉗（U 型變位機）應用見圖8 所示。

圖8 管鉗（U型變位機）應用

5.6 全位置自動焊接系統

全位置焊接也叫固定口焊接，是采用機器夾持在管道上，焊槍旋轉實現5G、6G 位置的一種自動焊接方法。其過程相當復雜，焊接參數范圍窄，組對要求高，其熔池在整個焊接過程中受到三種力：重力、表面張力和電弧吹力，但在不同的焊接位置只有重力方向相同，其它兩種力的方向始終在變化。所以全位置焊接過程中受力很復雜，在不同的位置需要分成若干個區間來設置不同的焊接參數，以滿足焊接要求。焊接過程中熔池受力情況如圖9 所示。

圖9 全位置熔池受力

中石化南京工程有限公司采用的全位置自動焊接系統目前可實現2～12inch 管道的自動焊接，如圖10所示。此技術和裝備的應用，有助于解決工廠預制中為提高預制深度時涉及到5G、6G 位置焊接，在普通壁厚條件下較手工焊可提升效率2 倍以上。

5.7 設備信息化群控系統

通過焊接信息化系統將生產線上所有設備通過網絡聯機，形成設備級物聯網，并實現設備狀態監控和生產過程信息透明化、可視化。

5.7.1 生產監控

解決生產線設備運行狀態監控和維護保養提示，并實現參數管理(焊接專家參數庫調用)及監控。

5.7.2 透明化

信息化系統將統計各個工位設備的產量信息，集中監控各個工件使用的參數信息，以及統計各個工件使用的焊絲/ 氣體/ 功耗的信息，將整個設備狀況完全透明化。

5.7.3 可視化

信息化系統將各個工位設置“可視化”終端，可實時顯示當前工位工作內容及相應信息，設置焊接區域的軟件數據庫，實時記錄每個工件的焊接工藝參數及操作人員等相關信息，便于今后做質量跟蹤。

5.7.4 遠程服務

信息化實現遠程監控和遠程服務，讓使用者簡單操作，遠程后臺服務實現零距離服務。

6 結語

在管道預制中圍繞實現“自動化打底技術”提出管道預制智能制造的方案，通過在全生命周期中的各個工序所需要的智能化設備的應用、數字化及信息化管理，有助于進一步發揮管道預制工作低成本、高質量和高效益等優勢。