核電站管道自動化預制生產線的設計與實施

朱若愚，扈曉剛，劉轉超，陳廣

中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

1 序言

核島安裝中輔助管道規格尺寸多，走向復雜，部件種類不一，分布位置不同，這對于管道生產而言是個巨大的挑戰，在各個指標要求不同的情況下容易出現質量問題，也難以實現自動化和批量化生產，從而導致核島安裝管道預制的生產效率難以提升。

目前，國內核電安裝輔助管道預制中主要是傳統手工配合傳統機械設備進行生產，相比傳統手工操作，數字化設備的加入為實現管道自動化生產線落地提供了重要物資條件。

通過對目標產品進行深入分析，對生產線進行詳細設計，選擇合適的數字化設備進行生產線的搭建，形成一套集上料、定尺、切割、坡口加工、運送、標識及焊接等操作的自動化生產線，實現各工序操作自動化。自動化生產線的形成可有效降低勞動強度與錯誤發生率，提高生產效率和質量穩定性。

2 研究前景

未來幾年，國內核電建設將邁入高峰期，傳統的手工操作人員培養周期長、施工效率低、勞動強度大，產品質量穩定性受人為因素干擾大[1]，越發不能滿足核電建設快速發展的需求。因此，核電工藝管道的預制日趨走向工廠化，管道預制加工廠應運而生，以滿足市場需求，促進企業發展。

核電管道產品，生產加工精度高、批量大、材質特殊，并且厚壁管較多，因而對加工設備的性能有更高的要求。此外，有些項目往往遇到管道工作量大、管道施工周期短的問題，利用車間現有資源和設備無法在業主要求的時間內完成，因此有必要采用先進、高效、智能的下料設備滿足管道預制中的下料工序。采用先進高效的自動生產線，可以利用目前現有的人員，不僅能有效控制人工成本，還可保證加工質量和效率[2]。

3 研究目的

為改變核電站管道預制長期的純人工操作、受人員能力水平影響大，以及效率提升困難的現狀，本項目將針對核電站管道自動化預制進行研究，通過對產品進行分析，對生產線進行詳細設計，選擇合適的設備進行生產線的搭建，對生產線設備的運行效率及生產質量進行全方面評估，對新模式下的生產方式進行深入研究，對關鍵的自動焊工藝進行研究，最終形成一條較成熟的核電站管道自動化預制生產線，并掌握成套技術，實現自動化生產在核電站管道預制應用中的突破。

4 生產線設計思路

根據核電站管道預制管徑范圍，在D N65～400mm之間的管道占比90%以上，因此按照能覆蓋此類管道范圍來制定合理的工藝流程、選取合適的設備，在比較經濟的情況下實現管道預制自動化程度最大化。在焊接方式上，按照核電的保守策略，選用成熟的氬弧焊方法。

擬定的工藝流程布置如圖1所示。

圖1 工藝流程布置

5 自動化生產線布局

利用車間場地情況，良好的設備布局方可實現自動化生產線功能。該生產線為實現上料定尺、切割下料、坡口加工、組對、焊接及標識標記一體化，實現生產線批量化生產，就必須實現工序流水化、施工標準化。

設備布局原則如下。

1）利用現有車間空間，不可有空間浪費。

2）滿足施工邏輯，按照施工工序進行排布。

3）設備配置數量合理，滿足連續作業需求。

4）操作簡易化，節約操作人員數量。

按照以上布局原則，規劃布置的自動化生產線如圖2所示。

圖2 自動化生產線分布示意

根據自動化生產線的合理布局規劃，實際設備安裝嚴格按照規劃進行。該自動化生產線可實現原材料上料、自動化運輸至高速鋸床、根據圖樣信息自動定長下料、自動化運輸至坡口機工位。坡口機根據圖樣和設計文件要求自動開坡口，自動退出坡口機并轉移至組對工位，完成組對后通過自動焊進行焊接，對焊接完成的接頭進行激光標記。

6 設備選用及布置

為實現自動化生產線設計功能，需按照設計目標進行設備選型。

（1）管子數控切割坡口系統（適應管徑：DN50～400mm）配置如下：①管道數控切割帶鋸床1臺。②管道切割數控定長系統1套。③管道數控端面坡口機1臺（CNC全數控）。④管道縱向物流輸送系統2套（帶鋸床進料、出料）。⑤管道縱向物流輸送系統1套（坡口機）。

切割坡口工序設備布置如圖3所示。

圖3 切割坡口工序設備布置

（2）管段組對焊接系統 配置如下。

1）管道預制機械組對中心1臺，典型設備如圖4所示，每個機頭均能實現管-管、管-法蘭、管-彎頭、管-三通、管大小頭的機械快速組對，提高管子與法蘭、彎頭、三通的組對效率與質量（包含2臺多功能組對機頭、2臺支撐小車、1套軌道）。

圖4 管段組對

2）懸臂式管道自動焊機2臺（適應管徑：DN50～400mm）：包括1臺卡盤驅動、1臺分體式壓緊驅動、1臺懸臂式焊接主機、焊接電源（TIG、MIG焊接）、支撐小車＋配套軌道。典型設備如圖5所示。

圖5 懸臂式管道自動焊設備

3）全位置管道自動焊機1臺（氬弧焊，適用φ88.9～φ273mm），對于復雜型管段及懸臂式自動焊后相接的管段焊縫，管道不易于轉動，采用全位置管道自動焊機焊接，典型設備如圖6所示。

圖6 全位置管道自動焊設備

（3）在線標識設備 配置如下：懸臂式光纖激光打標機2臺，1臺用于切割工位的材料信息標識，1臺用于焊接工位的管段及接頭信息標識。

7 自動化生產線工藝流程

自動化生產線工藝流程主要包括以下8個方面：

1）原料上料：使用桁車從原材料上料架橫移至鋸床縱向輸送系統。

2）數控定長：在數控系統內輸入需要切割的長度，齒輪齒條+導軌+伺服電動機+數控系統自動定長小車自動行走至準確位置，完成定長工作。

3）啟動切割：根據定長系統內已設置好的切割長度，進行高速切割。

4）橫向平移：使用桁車將切割完成的管子移到坡口加工工位。

5）坡口加工：根據坡口要求，在CNC數控系統中設置的坡口形式，操作設備完成各類坡口形狀的加工。

6）管道轉運：通過桁車或移動存儲小車轉運。

7）組對標識：使用管道預制機械組對中心，實現管-管、管-法蘭、管-彎頭、管-三通、管大小頭的機械快速組對，并對產品和坡口進行標識。

8）自動焊接：多數接頭采用懸臂式管道自動焊機進行TIG自動焊，少量接頭采用全位置管道自動焊機進行TIG自動焊，并采用移動式懸臂光纖激光打標機、曲面打標機實現接頭標識。

8 生產線實際應用情況分析

8.1 施工效率分析

現場針對一批相同規格的核級產品，分別采用傳統生產方法和自動化生產線兩種方式開展效率對比分析，主要包括管道切割下料、坡口加工、組對及焊接等方面，分析使用自動化生產線后效率的提升情況，見表1。

表1 生產線效率情況

根據對傳統生產方法和自動化生產線針對相同核級產品的生產耗時統計結果，生產效率可達到20%以上，并且對規格較大的產品，生產效率提升更為明顯。

自動化焊接設備主要用于管道對接焊縫，與傳統工藝相比，可以使用全氬焊接，對比氬電聯焊來說，可以省去層間清理以及最終焊縫打磨試件等工序。如傳統工藝焊接φ273mm×21.4mm，從焊接開始至焊縫表面打磨完成，需資深熟練工人2人，共16個工時，而采用自動化焊接設備焊接同樣的規格，焊接完成需16個工時，相當于焊接過程效率提高了50%。

8.2 焊接合格率分析

自動焊設備在生產線中的應用，不僅提高了焊接效率，同時降低了對核級焊工的需求，緩解了核級焊工不足的現狀。短時間內可培養的自動焊操作工，使用自動焊設備也可保障較高的產品合格率。收集了近一年自動化生產線設備的焊接合格率和手工對接焊的合格率，其中手工焊的合格率為98.64%，自動焊的合格率為98.83%。自動化生產線使用的自動焊設備整體合格率較手工焊略有提升，可證明自動焊設備可保障產品質量。

9 結束語

核電站管道自動化預制生產線的設計與實施，可提高核電管道預制施工速度、縮短施工周期、提高經濟效益。與傳統手工方法相比，整體施工效率可提高20%以上，焊接合格率略有提升。本研究可為后續核電管道預制自動化提供應用參考。