自動化設(shè)備和自制工裝在橇裝計量間提質(zhì)增效中的應(yīng)用

李忠?guī)r

大慶油田工程建設(shè)有限公司建材公司油氣工程橇裝設(shè)備廠

2019 年，大慶油田推行橇裝化產(chǎn)品，工程橇裝設(shè)備廠與油田設(shè)計院合作完成了第一座橇裝計量間樣板間的預(yù)制，橇裝計量間代替磚混計量間在油田內(nèi)部推廣使用。橇裝計量間有多種規(guī)格型號，以16 井計量間為例，計量間內(nèi)共計馬鞍口139 個、直口20 個、插口100 余道，在現(xiàn)場預(yù)制過程中，馬鞍口下料需要經(jīng)做樣板、劃線、號孔、開孔、開坡口、修復(fù)、敲氧化鐵等工序，不僅工序繁瑣、人工操作慢、下料誤差較大，而且在下料過程中還易產(chǎn)生廢料。由于計量間內(nèi)馬鞍口、插口較多，人工焊接管線操作效率低，焊口外觀成型較差，不僅影響生產(chǎn)效率，而且產(chǎn)品外觀質(zhì)量也難以保證[1]。使用相貫線切割設(shè)備只要預(yù)先輸入相應(yīng)程序就可以實現(xiàn)管線下料、開孔、坡口加工一次成型，不僅加工精度高、耗時短、不變形，而且批量生產(chǎn)數(shù)量越多，工作效率越高。以16 井橇裝計量間為例，計量間內(nèi)共計雙法蘭短接32 個、匯管8 組、閥門80 余個。在現(xiàn)場預(yù)制中，16 井橇裝計量間內(nèi)集油、摻水匯管中共有短接64 個，在法蘭組對焊接過程中既要保證法蘭端面在同一高度，又要保證法蘭端面的平整度，在組對焊接過程中需要反復(fù)的調(diào)整、測量，不僅影響生產(chǎn)效率，而且影響產(chǎn)品質(zhì)量。使用相貫線切割、焊接機器人設(shè)備、無縫雙頭大小頭、法蘭組對工裝、壓力試驗工裝等自動化設(shè)備及自制工裝，可以實現(xiàn)自動化程序控制、減少人工切割、焊接數(shù)量，提高產(chǎn)品預(yù)制精度，進而降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

1 管線下料、坡口、馬鞍口加工

相貫線切割設(shè)備工作流程為：首先在電腦上編輯所需要下料工件的切割程序，然后通過管件支撐調(diào)直工件，最后點擊切割，通過開口式管鉗工裝、等離子機械臂的旋轉(zhuǎn)和軌道的前后移動[2]，上管、調(diào)直、切割、換管，實現(xiàn)管線定尺和馬鞍口短節(jié)的自動切割。

傳統(tǒng)管線下料、坡口、馬鞍口加工形式為在計量間預(yù)制過程中在匯管上進行馬鞍口的氧氣乙炔切割及焊接，均是不均勻的加熱和冷卻過程，高溫區(qū)域受熱膨脹，受周邊低溫區(qū)域的剛性阻礙而不能自由伸長，產(chǎn)生熱塑性變形[3]。傳統(tǒng)管線火焊切割需要經(jīng)人工劃線、制作樣板、號孔、開孔、坡口打磨、氧化物處理等工序，不僅累計誤差較大，而且馬鞍口之間間隙不等，需要經(jīng)過反復(fù)修復(fù)，甚至可能因修復(fù)過大產(chǎn)生廢料，因此造成生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差，原材料浪費嚴重等情況。

使用相貫線切割設(shè)備進行管線下料、坡口、馬鞍口加工只需在自動化設(shè)備上預(yù)先設(shè)置操作程序，植入相應(yīng)的計量間井式，即可用于所有規(guī)格計量間管線的切割作業(yè)。自動化設(shè)備可以實現(xiàn)計量間內(nèi)所有管線切割下料、開孔、坡口加工一次成型，不僅加工精度高、耗時短，無變形、幾乎沒有氧化物，而且批量生產(chǎn)數(shù)量越多，工作效率越高。

與傳統(tǒng)的火焰切割進行對比，相貫線切割機就是用數(shù)字程序驅(qū)動機床運動，隨著機床的運動，隨機配帶的切割工具對管道進行切割[4]。自動化設(shè)備切割下料環(huán)縫和馬鞍口的效率分別可提高3 倍和10倍左右。以16 井計量間為例，計量間內(nèi)可用設(shè)備切割的馬鞍口139 個，直口20 個，使用相貫線切割設(shè)備只需要一名操作工操作機器、一名管鉚工配合即可，完成一臺計量間馬鞍口與直口的切割只需要1 天時間，而人工切割需要1 個5 人組成的小隊進行劃線、號孔、切割、修理、打磨等程序，需要兩天時間才能完成管線開孔與切割。一臺16 井計量間使用相貫線切割設(shè)備可以節(jié)約人工約8 個工日，按照每個工人200 元/日計算，使用自動化切割設(shè)備可以降低人工成本約1 600 元。相貫線切割應(yīng)用見圖1，相貫線切割與傳統(tǒng)火焊切割數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 相貫線切割與傳統(tǒng)火焊切割數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of data between intersecting line cutting and traditional fire welding cutting

圖1 相貫線切割應(yīng)用Fig.1 Application of intersecting line cutting

2 管線焊接

焊接機器人本體外觀類似人的手臂，主要包括六個關(guān)節(jié)軸運動和三個坐標系領(lǐng)域。焊接形式為混合氣體保護焊，焊機配備1.2 mm 氣體保護焊絲，焊接保護氣體為氬氣與二氧化碳混合氣。通過示教器手動編程，可以在不超出機器人本體手臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的條件下，在坐標系領(lǐng)域范圍內(nèi)完成全位置多角度焊接作業(yè)。機器人示教器見圖2。

圖2 機器人示教器Fig.2 Robot teaching device

起弧滅弧、焊槍角度、焊接參數(shù)調(diào)整、停留時間、焊槍擺幅等數(shù)據(jù)都可以通過編程形成焊接指令，從而讓焊接機器人精確制導(dǎo)，精準地完成焊接作業(yè)。

操作人員根據(jù)施焊部件進行點對點程序編制，所有焊接程序的制定都不是一成不變的，例如一道圓弧焊接作業(yè)至少需要三個點的編程才可以完成。同樣的圓弧作業(yè)，程序編制六個點或者九個點也可以完成，區(qū)別在于編程點越多，焊槍走位越完美，施焊程序越精確，但相應(yīng)的編程時間也就更長。同樣的施焊作業(yè)，在組對條件相對精確和焊接原點設(shè)定一致的前提下，操作人員可以通過坐標系內(nèi)程序偏移用同樣指令對相同條件的施焊作業(yè)進行批量焊制，焊接效果可以達到完全一致。

若使用傳統(tǒng)的人工管線焊接，以16 井計量間為例，一座計量間內(nèi)對接與插接焊口數(shù)量共計約有400 余道焊口，人工焊接需要1 名管鉚工與2 名電焊工配合，先點焊固定，再進行焊接，需要3 天可以焊接完成間內(nèi)管線；使用焊接機器人管線焊接，一座16 井計量間內(nèi)管線焊接，需要1 名操作工人操作焊接機器人、1 名管鉚工和1 名電焊配合，要1 天就可以焊接完成。

將傳統(tǒng)的人工管線焊接與焊接機器人管線焊接對比。以16 井計量間為例，一座計量間內(nèi)對接與插接焊口數(shù)量共計約有400 余道，管線人工焊接不僅焊縫外觀成型差、變形大，而且焊接一次合格率較低。焊接機器人焊接時送絲的速度由電腦設(shè)定，使得產(chǎn)品質(zhì)量有了進一步的提高，質(zhì)量可控性強[5]，對接焊縫及插口不僅焊縫成型美觀、沒有咬邊、氣孔、飛濺、藥皮等質(zhì)量缺陷，且變形小，焊接一次合格率可達到99.87%。

同樣道理，孕前孕媽媽體重較重，意味著自身體內(nèi)脂肪較多，所以在24周前增重3千克即可，因為還有2千克左右的間質(zhì)其實孕媽媽已經(jīng)儲備了；如果孕前孕媽媽體重較為理想，到24周增重4千克左右也可以了，適當?shù)貎淞艘幌聽I養(yǎng)；孕前較瘦的孕媽媽，24周前可以增重5～6千克，是為了彌補孕前的營養(yǎng)儲備不足。所以體重是一個行之有效的監(jiān)測能量是否充足的最簡單的方法，但稱量體重的方法一定要對，那就是早晨起床，空腹，排空二便，穿同樣的衣服，最好是內(nèi)衣，在同一個秤上稱重，這樣做是為了稱出凈體重，減少其他因素對體重的影響，這樣的體重才有可比性，否則由于外在因素的影響，不能準確反映體重的增加幅度。

自動焊接生產(chǎn)工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工焊接工藝，一定程度上解決了傳統(tǒng)手工焊接工藝工作強度大、環(huán)境條件差、產(chǎn)品合格率低等問題[6]。經(jīng)過對一臺橇裝計量間預(yù)制跟蹤，一座16 井計量間內(nèi)單節(jié)管線焊接，使用焊接機器人可以縮短預(yù)制周期2 天，節(jié)約人工6 個工日，實現(xiàn)節(jié)約生產(chǎn)成本約1 200 元[7]。焊接機器人應(yīng)用見圖3。

圖3 焊接機器人應(yīng)用Fig.3 Application of welding robot

3 專利技術(shù)

無縫雙頭大小頭專利技術(shù)是指雙頭大小頭、單頭大小頭通過電磁設(shè)備加熱和壓力機通過模具先壓成型一側(cè)，然后在壓制成型另一側(cè)。

3.1 傳統(tǒng)的雙頭大小頭預(yù)制技術(shù)

傳統(tǒng)雙頭大小頭預(yù)制由兩個大小頭和一個直管段組對焊接而成，組對前要打磨4 道坡口、留好間隙，反復(fù)測量直線度，合格后進行焊接，焊接完成后進行無損檢測，無損檢測不合格還需要返修，既加大了生產(chǎn)成本又降低了工作效率。

3.2 無縫雙頭大小頭專利技術(shù)

專利產(chǎn)品無縫雙頭大小頭、單頭大小頭通過電磁設(shè)備加熱和壓力機壓制、采用不同的方法與工藝加工而成，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且省去了打磨坡口、組對、焊接、無損檢測等多道環(huán)節(jié)，試壓過程中也不用檢查這根管是否滲漏，降低了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率。

3.3 傳統(tǒng)技術(shù)與專利技術(shù)對比

每座16 井橇裝計量間內(nèi)共計48 個大小頭，專利產(chǎn)品無縫雙頭大小頭只需要1 名操作工人與1 名機器操作人員配合，1 天即可完成，人工焊接需要管鉚工1 人與電焊工配合，完成48 組大小頭組對焊接需要3 天時間完成，探傷機控制器包括主回路、控制回路及電源回路。主回路將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓，再經(jīng)LC 回路濾波成平滑的直流電壓，最后經(jīng)斬波器變換成頻率可調(diào)的脈沖電壓[8]。焊縫焊接完成后需要無損檢測，無損檢測需要2 人配合1 天時間完成檢測，使用專利產(chǎn)品可以節(jié)約人工6 個工日，成本約1 200 元，節(jié)約射線底片成本約4 320 元，共計節(jié)約生產(chǎn)成本約5 520 元。無縫雙頭大小頭見圖4，傳統(tǒng)技術(shù)與專利技術(shù)成本對比見表2。

表2 傳統(tǒng)技術(shù)與專利技術(shù)成本對比Tab.2 Cost comparison between traditional technology and patented technology

圖4 無縫雙頭大小頭Fig.4 Seamless double head reducer

4 計量間雙法蘭短接組對工裝

雙法蘭短接組對工裝工作原理為：工裝由一段槽鋼和兩片法蘭及螺紋組成，工裝兩端各組對一塊法蘭當模具，法蘭的高度一致，兩法蘭的所有孔都平行，工裝一端是固定端，另一端是滑動端。在組對時兩個磨具法蘭各放一塊同規(guī)格法蘭，法蘭與法蘭間放入石棉墊后，用臨時螺栓固定后把中間短節(jié)放在法蘭中間，通過調(diào)整滑動端螺紋設(shè)定法蘭短節(jié)的長度，可以保障所有雙法蘭短節(jié)孔是平行的并且尺寸一致、組對間隙一致。卡具上配有限位裝置前后可調(diào)，可實現(xiàn)所有尺寸短管兩端組裝法蘭組裝需要，使此類管件組對誤差維持在1 mm 以內(nèi)。組對后采用氬弧焊打底點焊固定，采用管道自動焊接工作站進行焊接，組對工裝適用于所有型號計量間內(nèi)立管與法蘭組對的需要，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且保障了計量間整體質(zhì)量。

傳統(tǒng)的雙法蘭短接組對方式是指法蘭先與一側(cè)短接組對，然后在與另一側(cè)短接組對，不同組短接間長度與標準值比較略有誤差；雙法蘭短接組對工裝是通過調(diào)整滑動端螺紋設(shè)定法蘭短節(jié)的長度，可以保障所有雙法蘭短節(jié)孔是平行的并且尺寸一致、組對間隙一致。

圖5 雙法蘭組對工裝Fig.5 Double flange assembly tooling

5 匯管短接與法蘭組對工裝

匯管短接與法蘭組對工裝是通過一個工字鋼及四組螺紋及墊板組成的匯管組，組對工裝可以提高匯管與短接及法蘭組對的效率及質(zhì)量。工裝由工字鋼的面當平臺，把四組螺紋分別按照匯管長度固定在工字鋼兩側(cè)，通過調(diào)節(jié)管線支撐螺栓高度以適應(yīng)不同規(guī)格的管徑。

傳統(tǒng)的匯管短接與法蘭組對方式是首先將法蘭與短接焊接，然后將短接與匯管焊接，需要測量法蘭高度及點焊固定然后焊接，費事費力，且誤差較大；匯管短接與法蘭組對工裝是指首先將短接與法蘭焊接，然后通過調(diào)節(jié)支撐將管線與法蘭間距設(shè)置圖紙要求距離，然后點焊法蘭焊接。

將傳統(tǒng)組對方式與匯管短接與法蘭組對工裝對比。以16 井橇裝計量間為例，集油、摻水匯管中共有短接64 個，在組對焊接過程中很難保證法蘭端面在同一高度且又要保證法蘭端面的平整度。單個短節(jié)在組對及焊接過程中需要反復(fù)的調(diào)整、測量、矯正，使所有短節(jié)在一個平面上，這就難以保障匯管與短節(jié)的焊接尺寸及質(zhì)量，嚴重影響了計量間的生產(chǎn)效率及施工進度。使用匯管短接與法蘭組對工裝，根據(jù)圖紙設(shè)計要求匯管與短節(jié)及法蘭的組對高度設(shè)置工裝組對高度，即可組對焊接匯管上所有的法蘭及短接，不僅提高了匯管的組對質(zhì)量，而且提高了匯管的預(yù)制效率。經(jīng)過對比分析，每座16 井計量間可以節(jié)約人工約3 個工日，成本約600元。法蘭組對工裝見圖6。

圖6 法蘭組對工裝Fig.6 Flange assembly tooling

6 閥門試壓工裝

閥門試壓工裝是指將閥門開關(guān)閉合將閥門兩端法蘭置于試壓工裝絲杠盲板中心，通過進水管線對閥門的上端進行水壓試驗。此工裝可同時試驗6 個閥門產(chǎn)品。

傳統(tǒng)閥門試壓是指傳統(tǒng)試壓時機器每次只能試壓一個閥門。閥門試壓工裝試壓是指試驗工裝通過管線并聯(lián)，一次可以試驗6 個閥門。

將統(tǒng)閥門試壓與試壓工裝對比。以16 井橇裝計量間為例，間內(nèi)共計需要安裝閥門87 個，且計量間內(nèi)閥門規(guī)格不同。廠內(nèi)傳統(tǒng)的閥門試壓裝置每次只能試驗1 個閥門，在實際檢驗過程中每個閥門需要穩(wěn)壓30 min，再加上準備的時間約40 min，每座計量間內(nèi)閥門試壓共計需要3 480 min，嚴重影響了產(chǎn)品預(yù)制工期。在這種狀況下自制閥門試壓裝置，新自制的閥門試驗工裝一次可以試驗6 個閥門，減少了閥門試壓對預(yù)制工期的影響。經(jīng)過改進后，每座16 井橇裝計量間閥門試壓可以減少人工約5 個工日，每座16 井橇裝計量間共計可節(jié)約成本約1 000 元。閥門試壓工裝見圖7。

圖7 閥門試壓工裝Fig.7 Valve pressure testing tooling

7 結(jié)束語

使用相貫線切割設(shè)備、焊接機器人、匯管短接與法蘭組對工裝不僅提高了管線下料精度，而且焊縫沒有咬邊、氣孔、飛濺、藥皮等質(zhì)量缺陷，焊道成型美觀，一次合格率可達到99.87%。管線切割、開孔、坡口加工一次成型，不僅加工精度高、耗時短，無變形、幾乎沒有氧化物，而且批量生產(chǎn)數(shù)量越多，工作效率越高。提升了產(chǎn)品質(zhì)量及外觀形象。

相貫線切割設(shè)備和機器人焊接的數(shù)字化程度高，下料精確、焊接合格率高，避免原材料浪費，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在橇裝產(chǎn)品預(yù)制過程中，選用自動化的切割、焊接設(shè)備及適合的工裝選用可以提升產(chǎn)品質(zhì)量、避免原材料浪費，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了企業(yè)降本、提質(zhì)、增效。