石油井架用非標(biāo)大H型鋼焊接生產(chǎn)線

陳　峰， 李旺順， 馬彬鋒， 楊　凱， 李俊輝， 王振安，?！∫悖?guó)剛

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西　西安　710032；2.西北鋁加工廠， 甘肅　定西　748111；3.寶石咸陽(yáng)石油鋼管鋼繩有限公司， 陜西　咸陽(yáng)　712000）

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石油井架用非標(biāo)大H型鋼焊接生產(chǎn)線

陳峰1， 李旺順2， 馬彬鋒1， 楊凱2， 李俊輝1， 王振安3，牛毅2，劉國(guó)剛2

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西西安710032；2.西北鋁加工廠， 甘肅定西748111；3.寶石咸陽(yáng)石油鋼管鋼繩有限公司， 陜西咸陽(yáng)712000）

通過(guò)分析井架用焊接H型鋼生產(chǎn)的工藝瓶頸，在最大幅度節(jié)約投資成本的前提下，設(shè)計(jì)出成套出口石油井架用大H型鋼的專用生產(chǎn)線。此生產(chǎn)線投產(chǎn)后，在產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求的同時(shí)，成材率也達(dá)到95%以上，可以作為生產(chǎn)高精度井架用大H型鋼的參考。

H型鋼焊接矯直井架

井架用大H型鋼的交貨狀態(tài)在翼緣斜度、腹板中心偏差以及全長(zhǎng)彎曲度均有數(shù)值要求[1]（見表1和表2）。通過(guò)表1和表2的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：出口石油井架H型鋼的產(chǎn)品質(zhì)量要求高于現(xiàn)有熱軋H型鋼要求；石油井架用H型鋼大多數(shù)為非標(biāo)H型鋼，尺寸規(guī)格均大于熱軋H型鋼，其精整矯直工藝較難用傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)。

表1　熱軋和井架用焊接H型鋼產(chǎn)品質(zhì)量要求對(duì)比

表2　熱軋和井架用焊接H型鋼產(chǎn)品規(guī)格對(duì)比

出口井架用非標(biāo)H型鋼限制用火焰方式進(jìn)行矯整，導(dǎo)致傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的出口井架用非標(biāo)H型鋼的產(chǎn)品成材率不及30%，嚴(yán)重制約產(chǎn)品交貨期和企業(yè)生產(chǎn)利潤(rùn)。中石油陜西某公司出口井架用大H型鋼生產(chǎn)企業(yè)與中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)新的工藝和裝備，使焊接石油井架用H型鋼的成材率達(dá)到95%以上，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率均得到大幅提高。

1　原有井架用焊接H型鋼生產(chǎn)工藝及存在瓶頸

數(shù)控火焰切割定尺下料—人工組焊—手工自動(dòng)吐絲電弧焊焊接—火焰矯直—翼緣冷矯直—收集。組焊過(guò)程中需人工調(diào)整腹板和翼緣的位置。冷矯機(jī)械為簡(jiǎn)易翼緣矯直機(jī)，無(wú)法實(shí)施彎曲矯直，矯直過(guò)程中無(wú)類封閉型孔型對(duì)H型鋼斷面進(jìn)行矯形。圖1是該生產(chǎn)線產(chǎn)品的主要缺陷形式。

圖1　傳統(tǒng)焊接井架用H型鋼的主要缺陷形式

1）腹板和翼緣的切割面均為毛面，組焊過(guò)程中這些毛面成為基準(zhǔn)面，易于造成腹板不對(duì)正、腹板和翼緣不均勻偏心缺陷，導(dǎo)致后續(xù)形成大的焊接變形。

2）組焊完成后，無(wú)中間檢驗(yàn)及時(shí)效過(guò)程，焊接時(shí)工件未采取任何防止變形的工藝措施，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形。

3）焊接完成后，通過(guò)火焰對(duì)彎曲部位進(jìn)行局部加熱、矯直，容易造成局部脫碳，影響使用強(qiáng)度。若火焰加熱部位較多，則容易發(fā)生隱患。

4）由于原生產(chǎn)線長(zhǎng)期采用火焰加熱的方式進(jìn)行熱矯，致使冷矯直只針對(duì)翼緣進(jìn)行矯直，全長(zhǎng)直線度矯直功能缺失，無(wú)法滿足出口井架所要求的完全冷矯出成品的工藝要求。

2　滿足出口井架用非標(biāo)H型鋼焊接生產(chǎn)的基本工藝方案

圖1表述的是焊接H型鋼的6種主要缺陷形式，其中前三種變形主要是組焊時(shí)產(chǎn)生的，后三種變形主要是焊接變形所致。因此必須在組焊與焊接過(guò)程中控制焊件變形，開發(fā)出可同時(shí)應(yīng)對(duì)全長(zhǎng)彎曲和翼緣矯直的矯直工藝，才能滿足出口井架用H型鋼的交貨要求。具體方案有：開發(fā)新型組焊機(jī)構(gòu)，嚴(yán)格控制各個(gè)焊件的位置關(guān)系，排除位置精度超差造成的廢品；焊接工藝由一次焊接完成改為對(duì)角分步焊接，中間時(shí)效的焊接工藝，可有效控制焊接變形。

初步提出如下工藝：數(shù)控火焰切割—鋼板切割面全長(zhǎng)銑削加工—預(yù)檢查—高精度組焊—自動(dòng)埋弧焊接—時(shí)效—自動(dòng)埋弧焊接—時(shí)效—冷矯—收集。其工藝優(yōu)勢(shì)為：通過(guò)嚴(yán)格控制焊接組件的位置精度、焊件變形程度，使精密矯直成為可能，極大地提高井架用非標(biāo)H型鋼的成材率。

3　出口井架用非標(biāo)H型鋼生產(chǎn)線主要裝備的技術(shù)特點(diǎn)

切割面的平整程度直接影響著腹板與翼緣的垂直度、兩翼緣切割面的平面度。因此，只有嚴(yán)格控制組焊前的鋼板尺寸精度，才能為組焊件尺寸精度的提高做好保障。開發(fā)專用機(jī)床對(duì)切割鋼板沿全長(zhǎng)進(jìn)行邊部切削，切削量控制在2 mm左右，切削時(shí)采用上、下翼緣同時(shí)加工，以確保上下翼緣的尺寸精度。

銑削機(jī)床采用C型臥式機(jī)構(gòu)，銑削頭可在床身上沿工件全長(zhǎng)移動(dòng)。工件加工面與床身平面平行，工件的夾緊采用水平液壓夾緊（如圖2所示），可減少工件調(diào)整輔助時(shí)間，提高銑削工作效率。

組焊的目的是確定翼緣和腹板精確位置，并點(diǎn)焊保持，為后續(xù)連續(xù)焊接提供條件。傳統(tǒng)的組焊過(guò)程為：先進(jìn)行下翼緣和腹板的組焊，工件位置控制依靠人工確定，點(diǎn)焊時(shí)機(jī)構(gòu)只對(duì)工件局部夾持；待下翼緣和腹板組焊完畢后，再組焊上翼緣和腹板，點(diǎn)焊時(shí)仍然采用手工電弧焊焊接，此過(guò)程中上翼緣和下翼緣沒有任何約束。其中，該設(shè)備主要存在如下缺陷：組焊時(shí)為局部點(diǎn)焊，焊接后變形程度隨著H型鋼長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而加大；組焊時(shí)翼緣和腹板的初始位置和夾持位置均依靠人工調(diào)整，精度受限；采用手工電弧焊焊接對(duì)生產(chǎn)效率和勞動(dòng)環(huán)境極為不利。

圖2　銑削專用機(jī)床工作示意圖

新型組焊機(jī)采用組焊前腹板位置自動(dòng)調(diào)整，焊接時(shí)多部位夾持，且夾持位置自動(dòng)調(diào)整，位置控制精度可達(dá)±0.1 mm，焊接采用連續(xù)式埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行組焊，由傳統(tǒng)的點(diǎn)焊改為小焊角連續(xù)焊接，焊接生產(chǎn)效率和組焊精度都有很大程度的提高。圖3為新型組焊機(jī)組工藝平面示意。

圖3　新型組焊機(jī)組平面示意圖

如圖3所示，其工藝過(guò)程如下：組焊所需要的下翼緣鋼板沿縱向運(yùn)輸至下翼緣遞送裝置的最前端，并咬入夾持輥系（2）的下水平引料輥；腹板存儲(chǔ)及遞送裝置橫向?qū)⑺椒胖酶拱暹f送到組焊中心線，腹板遞送裝置的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將腹板翻轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，并咬入夾持輥系（2）的引料立輥；上翼緣存儲(chǔ)及遞送裝置將上翼緣遞送至組焊中心線，并通過(guò)自身的支撐輥遞送至夾持輥系（2）的上水平引料輥；翼緣夾持輥系（2）的翼緣夾持立輥伸出將上、下兩翼緣夾緊，與H型鋼端面形狀相吻合的模具的端部推料裝置將組合件推入夾持輥系（2）的成組夾持輥；待組合件端頭和對(duì)齊裝置對(duì)齊后，夾持輥系（2）中腹板夾持輥啟動(dòng)，自動(dòng)焊（2）開始對(duì)組合件對(duì)角焊接，直至小焊角焊接完畢。出料導(dǎo)輥對(duì)焊接中和焊接后的H型鋼進(jìn)行出料和導(dǎo)向，立輥裝置對(duì)腹板高度大于500 mm 的H型鋼進(jìn)行導(dǎo)向。見圖4。

圖4　夾持輥系（2）中的一組夾持輥

該新型組焊設(shè)備（技術(shù)性能見表3）的特點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)焊接前自動(dòng)化拼板，較人工拼板節(jié)約了大量的輔助時(shí)間；夾持輥系（1）和（2）中的腹板夾持輥和下翼緣遞送輥均為主動(dòng)輥，且有同步控制系統(tǒng)，腹板夾持輥的輥縫調(diào)整精度為±0.1 mm，能夠有效的保證組焊精度；夾持輥系（1）和（2）中的成組夾持輥構(gòu)成類封閉孔型[2]，避免了單一布置所帶來(lái)的H型鋼易于跑偏問題；夾持輥系（2）中的成組類封閉孔形，其輥縫調(diào)節(jié)采用液壓和電動(dòng)相結(jié)合的方式，在組合件未對(duì)齊之前，液壓輥縫缸活塞收回，待組合件對(duì)齊之后，焊接開始，液壓輥縫缸活塞伸出，壓緊腹板和上翼緣鋼板，可更好地控制組合件斷面形狀。

表3　新型組焊機(jī)主要技術(shù)性能指標(biāo)

為了達(dá)到分步焊接及中間時(shí)效的目的，將H型鋼設(shè)置為45°布置自動(dòng)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)，配合自動(dòng)吐絲埋弧焊機(jī)進(jìn)行焊接。工件一次調(diào)平后經(jīng)一次自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，即可完成4道焊縫的焊接，根據(jù)工藝要求確定焊接道次。避免過(guò)大的焊接量造成焊接變形，這也是控制中間變形、降低冷矯負(fù)荷、提高成材率的關(guān)鍵措施。

該焊接平臺(tái)的特點(diǎn)：焊接過(guò)程中4道焊縫為對(duì)角焊接狀態(tài)，焊接過(guò)程中變形??；焊件的翻轉(zhuǎn)采用柔性可調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)技術(shù)，能滿足不同規(guī)格焊件的無(wú)沖擊噪音翻轉(zhuǎn)。

冷矯設(shè)備是保證最終直線度的關(guān)鍵設(shè)備。若大規(guī)格非標(biāo)規(guī)格的H型鋼按照輥式型材矯直的理念設(shè)計(jì)，則會(huì)存在設(shè)備龐大、工藝模具制備困難的缺陷[3]。當(dāng)前普遍采用的方式為翼緣矯直方案，翼緣矯直方案結(jié)構(gòu)參數(shù)小、投資低，但不能對(duì)被矯材進(jìn)行斷面彎曲矯整，因此矯直精度提高受限，無(wú)法達(dá)到出口井架的要求[4]。該生產(chǎn)線創(chuàng)造性地提出了帶有液壓保護(hù)的整環(huán)節(jié)矯直方案，其主要特點(diǎn)為：形成一個(gè)完整的矯直環(huán)節(jié)，可對(duì)圖1中的后三類缺陷進(jìn)行高精度的矯直；通過(guò)設(shè)置液壓保護(hù)裝置（安裝在1—6號(hào)立彎組合輥的壓進(jìn)機(jī)構(gòu)中），可安全地對(duì)前三類缺陷進(jìn)行矯正；對(duì)于涵蓋圖1中兩種以上缺陷的非標(biāo)H型鋼也可以實(shí)施一次性矯直；由于輥?zhàn)硬贾梅绞綄?duì)被矯H型鋼形成了類封閉型結(jié)構(gòu)，可以很好的對(duì)H型鋼進(jìn)行高精度的斷面矯形。圖5為冷矯設(shè)備的輥系結(jié)構(gòu)。

圖5　冷矯設(shè)備的輥系結(jié)構(gòu)

如圖5所示，序號(hào)3、4、5、6、7、8中的錐形輥在具備翼緣矯正功能的同時(shí)，可形成一個(gè)大的反彎環(huán)節(jié)，配合序號(hào)1和2對(duì)H型鋼進(jìn)行一個(gè)反向的全長(zhǎng)矯直；序號(hào)3、4、5、6、7、8中的立輥對(duì)H型鋼的另一個(gè)方向進(jìn)行全長(zhǎng)矯直，從而達(dá)到全方位矯整H型鋼的目的。

4　結(jié)語(yǔ)

該生產(chǎn)線于2013年7月投產(chǎn)，成品率均達(dá)到95%以上。運(yùn)行情況表明，生產(chǎn)線工藝設(shè)置合理，自動(dòng)化程度高，避免了人工參與對(duì)成品質(zhì)量的影響，矯直前a、b、d型缺陷基本可以避免；組焊和冷矯設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品質(zhì)量均穩(wěn)定，滿足了高精度焊接大型非標(biāo)H型鋼的交貨要求。生產(chǎn)線中的冷矯方案可以為國(guó)內(nèi)高精度焊接H型鋼生產(chǎn)廠家提供參考。

[1]中國(guó)重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì).重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)[M].昆明：云南科技出版社，2007.

[2]馬賓鋒，李輝，秦金，等.國(guó)產(chǎn)首套鋁及鋁合金十二輥型材矯整機(jī)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2014（6）：14-16.

[3]曹燕.H型鋼輥式矯直機(jī)及矯直輥設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].冶金設(shè)備，2003 （6）：16-17.

[4]崔莆.矯直機(jī)械與矯直原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

（編輯：賀焱）

The Non-standard H-beam Welding Production Line for Oil Derrick

CHEN Feng1，LI Wangshun2，MA Binfeng1，YANG Kai2，LI Junhui1，WANG Zhen’an3，NIU Yi2，LIU Guogang2
（1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710032；2. Northwestern Aluminium Fabrication.，Dingxi Gansu 748111；3.Baoshi Xianyang petroleum Steel Tube&Wire Pope Co.，Ltd.，Xianyang Shaanxi 712000）

This paper analyzes bottlenecks of H-beam production process.Under the premise of saving the biggest investment cost,this paper designs complete sets of special H-beam production line for exported oil derrick.After this production line is put into production,the product quality meets the requirements,at the same time，the yield is more than 95%，which can be used as a reference for H-beam production of high-precision derrick.

H-beam，welding，straightening，derrick

TG457.11

A

1672-1152（2016）02-0047-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.18

2015-11-19

陳峰（1981—），男，現(xiàn)從事管棒型材精整設(shè)備的研究和開發(fā)工作，高級(jí)工程師。