石油專用管加工線測長稱重噴標裝置技術方案

丁 鵬，晏夢云，魏鵬飛，李 鑫，馬永剛

（1.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280；2.西安電力高等專科學校，陜西西安 710032；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；4.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070）

0 引言

我國近幾年已經成為石油專用管的第一大生產國，但中高端石油管產量占比不高，分析其主要原因有：①專業化智能化生產設備技術依賴進口；②生產過程控制及檢測技術依賴進口；③高等級鋼材及特殊扣石油管方面技術薄弱。因此，需要提高我國石油專用管的等級質量，向中國智能制造邁進。

目前，石油專用管加工線技術提升或建造時，配套設備要求自動化、智能化，精度、檢測技術、工藝復雜性、控制技術等均要求很高。在這樣的技術背景下，結合國外加工線設備特點，設計開發的將石油專用管測長、稱重、噴標、涂色環等4 項工藝加工過程集成到一套設備上完成，控制采用集成化程序控制，根據工序工位特點多工位同時進行，大幅縮短石油管在線生產時間，提高石油管加工質量。

1 設計方案

系統設計方案有測長、稱重、噴標、涂色環等4 個主體工位，輔助工位有步進梁、上料和下料工位。石油管經步進梁取料橫向進入測長→稱重→噴標→涂色環→進入輸出輥道，鋼管輸出（圖1）。計算機程序控制鋼管進料、測長、稱重等所有工序，主控軟件實時錄入各個工位的測量數據及鋼管狀態信息，經過程序控制，將生產線設計要求的測量信息，如鋼管等級標準、規格型號、接箍扣型、管長、管重等噴印在鋼管上。生產過程控制對生產情況進行詳細管理，統計、查詢、判別、實時跟蹤石油管型號、規格及參數，可進行數據管理，報表打印等工作，還可進行人工預設定及項目參數的修改，并具有電氣、氣壓、油壓、故障、誤操作等實時診斷和報警。

圖1 設備工序工位布置

2 技術參數

石油管外徑：Φ48～180 mm，Φ114～340 mm，Φ219～508 mm（系列化）；長6～15 m，工序周期15～90 s（根據生產線規格要求設計調整，圖2）；外徑公差：±1%；彎曲度：≤1.5 mm/m（管端≤3 mm/m）；橢圓度：≤0.8%。

圖2 設備各工位工作周期（以Φ180 mm 為例）

3 設備組成

石油管稱重、測長、噴標、涂色環設備主要由稱重裝置、測長裝置、噴標裝置、涂色環裝置、步進式移管機、輔助裝置及電氣測控裝置等部分組成。

（1）鋼管稱重工位由底座、電子秤（稱重傳感器）、整體稱重梁、鋼管V 形架組成。當鋼管移送到稱重工位時，傳感器檢測到工位有未測量鋼管，鋼管延時穩定靜止，確認后啟動測量程序，稱重傳感器將測量數據經濾波、轉換、數字處理，將鋼管測量的實際重量記錄在計算機內，同時顯示在儀表上。鋼管測量的重量值在生產線控系統內永久保存，隨時可查詢、核對、打印。稱重測量完成后，由步進式移管機再工作一個循環將鋼管從稱重系統移到下一個工位，從而完成稱重循環（圖3）。

圖3 稱重工位結構原理

稱重范圍按石油管生產線規格標準確定；稱重精度≥1/3000，符合中國國家商業三級秤標準；根據測長、稱重結果對重量不合格鋼管作出判斷并報警。

（2）測長工位由V 形臺架、測長油缸（氣缸）、20對光電傳感器和計數模塊等部分組成（圖4）。當鋼管移送到測長工位時，傳感器檢測到工位有未測量鋼管，確認后啟動測量程序，測長油缸推動鋼管向前移動，通過測長位移傳感器和光電開關來測量長度，計算機接收到測量完成信號后，根據記錄的位移傳感器和光電開關位移值計算出鋼管長度。當計算機模塊故障或計算值超過實際允許值時系統報警，并重新測量核對，如報警不能排除，則稱重工位工作完成后，系統自動退出。若該工位沒有管子，直接認為該工位工序完成。

圖4 測長工位結構原理

石油管測長范圍為4500～15000 mm，測長精度為0～+2.0 mm。

（3）噴標工位由噴印支撐架及氣動標記噴印機等組成，包括噴標桁架、橫移機構、噴頭升降機構、防碰撞機構、噴頭及其控制器、氣路系統和控制系統（圖5）。

圖5 噴標工位結構原理

噴標桁架是整個噴標系統設備安裝支架，由立柱及橫梁組成。橫移機構安裝升降機及噴標頭，可在整個橫梁前后極限位置內自由移動，橫梁下方安裝齒輪齒條，為橫移機構提供移動動力及導向，通過控制系統及伺服電機完成。在噴標工位，鋼管噴標基點位置同鋼管一端的距離是設定好的，每次當鋼管進入噴標工位時，第一步是管端對齊到位，然后將噴標頭移動到設定好的基點位置準備噴標，噴標數據是前兩個工位測量的鋼管重量及長度，其他參數是本批鋼管的等級標準、規格型號、接箍扣型等。

噴標頭升降由氣路系統、電磁閥、氣缸、直線滾珠導軌、傳感器等組成。當橫移機構移動到基點位置后，噴標頭在鋼管噴涂的起點定位、噴涂距離、位置方向判斷等精確調整靠升降機構所有部件協調動作來完成。

防撞機構的作用是保護噴標頭，噴標頭是整個噴標工位的核心部件，也是最容易受外力機械損壞的部件，所有的橫移、前申、旋轉方向等動作都需要判斷。

噴標頭和控制器是噴標工位的核心部件，控制器操作噴標頭所有動作，并控制協調涂料系統、氣路系統、清洗系統完成噴標（圖6）。

圖6 噴標設備結構組成

當鋼管移送到噴標工位時，傳感器檢測到工位有未噴標鋼管，確認后啟動噴標程序，油缸推動鋼管向前移動端頭定位，工控機將前面幾個工位測量的數據傳輸給PLC。噴標內容包括鋼管重量及長度等其他信息。檢測到噴標工位有管子后，噴標頭移動到位，PLC 驅動小車，在運動過程中進行噴標操作。

（4）涂色環工位。石油管噴標完成后，待涂料表干后，電動旋轉滾輪帶動鋼管作低速旋轉，由油漆涂色環裝置涂色環，完成后出料，進入下一循環。涂色環采用粘附的方法，外側由2 個支撐滾輪，中間3 個涂色環滾輪與鋼管表面始終保持0.1～0.4 mm 的間隙，并附加烘干機，以強化油漆的干燥。色帶寬度25 mm；色環間距25 mm；色環道數3 道；色帶在重合處誤差不超過1 mm。

（5）出料工位。涂色環完成后移管機將管子移到出料工位，中央控制室綜合判斷本根鋼管是否已經按要求完成所有工位工序，并判正確性，等待進入生產線下一生產環節。

（6）步進式移管裝置由電機、減速器、傳動軸及步進梁式傳送臺、控制驅動等部分組成，實現鋼管的上料、移位及下料等功能。5 工位步進機構由電機通過減速器、傳動軸帶動步進梁傳送臺正向旋轉，通過偏心布置的支撐梁將鋼管水平移動一定的距離，步進距離根據生產線石油管規格調整。

（7）控制系統實現稱重、測長、噴標、涂色環及平移等各種功能的協調。將工件的跟蹤、產品是否合格的判斷、各種工位信息的傳輸、數據的顯示采集及管理、PLC、工控機等工作連接起來，組成一個層次分明的系統。控制方式既有手動，又有自動，可根據生產現場的需要進行選擇，還可方便地從手動切換到自動或從自動切換到手動。

（8）輔助系統有上料工位、出料工位、氣動系統、液壓系統、潤滑系統、電氣系統等。

4 系統設計特點

系統設計方案配置采用集散型控制結構，將稱重、測長、噴標、傳動機構、光電開關、位置傳感器、稱重傳感器、控制器、數據處理等控制功能全部集成在計算機上，實現了操作、管理、信號采集、故障診斷等多種功能的綜合自動化。其典型特征是分散集中化、智能網絡化，是一種分散集中式智能控制系統。其基本特點如下：

（1）生產線所有設備集中控制，每個工藝模塊設備單獨程序控制，通過PLC 程序化自動控制，進料是開始，出料是結束，而上位機可實現大范圍的協調等高級控制功能。

（2）信息處理、決策控制等工作分散與生產控制的各個環節，在層次上出現的是一種縱向的遞階結構，其功能出現了前端化，局部集中化、全局分散化。對主機的性能要求不高，但系統有較強的穩定性。

（3）為大型生產企業管理數據集成留有連機接口和網絡接口。

5 系統軟件設計

在系統主控界面中顯示不同的操作按鈕，包括自動噴號、設置、統計查詢和人員管理、狀態等。點擊不同的按鈕，分別進入自動噴號、打印、參數設置、統計查詢和人員管理等操作。系統能自動生成和保存打印和噴印模板，為工作人員提供了極大便利。

通過人機界面輸入管徑值，噴頭與鋼管的間隔自動保持在最佳值。操作界面上可顯示噴印內容，可在本程序執行期間，人工修改下一程序操作的修正參數。可實現自動程控和人工修改操作的瞬間切換。能將實時測量的長度數據和重量數據噴印到相應的鋼管上，并能進行支數統計和形成各種報表并能打印。

軟件可以自動監視系統各工位的工作狀態，噴標的字符、稱重、測長的結果；自動實現噴標、測長、稱重狀態的故障診斷和報警；統計查詢方式可設定多種方式（編號、類別、日期等）。

數據系統管理、人員管理、密碼管理，保證系統的合理性和可靠性；數據統計結果可以按照柱狀圖、折線圖顯示，也可以按照生產企業要求，打印、存儲為相應的表格（入庫單、尺碼單等）。

6 結束語

石油專用管測長、稱重、噴標、涂色環設備方案是集機、電、液、光、計算機控制集成化系統設計，具有測長稱重精度高、速度快、穩定性好，噴標速度快、字體清晰，自動化程度高、功能齊全等優點。設備運行安全可靠，擴展調整靈活方便，可實現對各種規格石油管、鋼管的測長、稱重、噴標、涂色環的生產線專用設備。設備技術方案應用以來，已先后應用于成都鋼管專用管、山東墨龍專用管、渤海裝備專用管、西姆萊斯專用管、華凌西鋼專用管等加工線配套，也成為太原重工、中冶建城、西安重型等設計院技術配套的優選方案。