重型鋼管的組對(duì)系統(tǒng)研發(fā)

蔣 軍

(深圳赤灣勝寶旺工程有限公司,廣東 深圳518068)

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重型鋼管的組對(duì)系統(tǒng)研發(fā)

蔣 軍

(深圳赤灣勝寶旺工程有限公司,廣東 深圳518068)

針對(duì)目前海洋工程導(dǎo)管架建造過(guò)程中遇到的重型鋼管預(yù)制效率低下的問(wèn)題，提出一種新的方案，即在鋼管卷制環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)橢圓度檢測(cè)以及多節(jié)鋼管的模擬匹配，使用“輸送輥+滾輪架”形式的自動(dòng)化組對(duì)裝置進(jìn)行多節(jié)鋼管的組對(duì)。經(jīng)實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，該方案可將整體建造效率提升約20%，為重型鋼管建造特別是海洋工程大型結(jié)構(gòu)物的建造提供了借鑒。

鋼管組對(duì)；橢圓度；滾輪架；輸送輥

0 引言

導(dǎo)管架是固定式海洋平臺(tái)的下部結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)管腿和拉筋的鋼管管徑較大(直徑1 200～2 500 mm)、壁厚較厚(25～85 mm)，絕大部分需要卷制和接長(zhǎng)。目前，對(duì)此類(lèi)重型鋼管的制造普遍采用“卷制-組對(duì)”工藝，即通過(guò)卷管機(jī)等設(shè)備先將鋼板卷制成圓筒形，然后進(jìn)行縱縫焊接，再將一節(jié)節(jié)鋼管組對(duì)并焊接環(huán)縫。在海洋工程領(lǐng)域，海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)各個(gè)部位的強(qiáng)度有著更高的要求，例如鋼管卷制和組對(duì)過(guò)程中的橢圓度、直線度和錯(cuò)邊量等。但是，目前鋼管預(yù)制工作量大、組對(duì)效率低，存在建造瓶頸，其制造效率成為制約工期的關(guān)鍵因素。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)提高鋼管組對(duì)精度和效率進(jìn)行了相關(guān)研究，例如王建秋[1]、戚寶強(qiáng)[2]和運(yùn)飛宏[3]設(shè)計(jì)的三爪定心組對(duì)系統(tǒng)利用4組三爪定心裝置將用于組對(duì)的兩節(jié)鋼管端部固定，通過(guò)激光等傳感器自動(dòng)測(cè)量鋼管橢圓度并計(jì)算當(dāng)前姿態(tài)，同時(shí)自動(dòng)計(jì)算出鋼管的校圓和調(diào)整量，最后利用三爪定心系統(tǒng)調(diào)整。該方法的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力，缺點(diǎn)是執(zhí)行效率底、適用于直徑范圍小、造價(jià)高的鋼管，對(duì)于徑厚比較小的鋼管，利用三爪定心裝置校圓很難實(shí)現(xiàn)。

本文提出一套更加有效的鋼管組對(duì)工藝方案，可以適用于較大直徑范圍鋼管的組對(duì)，且效率高、造價(jià)低，可以廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為企業(yè)達(dá)到降本增效的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

在鋼管卷制環(huán)節(jié)，需要將橢圓度控制在一定范圍內(nèi)，以達(dá)到較佳的力學(xué)性能，同時(shí)盡可能在后續(xù)組對(duì)時(shí)滿足錯(cuò)邊量要求。在組對(duì)過(guò)程中，由于縱縫的存在，往往需要將相鄰鋼管的縱縫錯(cuò)開(kāi)一定角度，這就導(dǎo)致即使單節(jié)管橢圓度滿足要求，在組對(duì)時(shí)仍然有錯(cuò)邊量過(guò)大的情形出現(xiàn)，組對(duì)時(shí)當(dāng)相鄰鋼管長(zhǎng)軸與短軸正好相對(duì)時(shí)，錯(cuò)邊量達(dá)到最大。

因此，本文提出一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和模擬組對(duì)方案，即在鋼管卷制過(guò)程中對(duì)鋼管兩端進(jìn)行實(shí)時(shí)輪廓測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。一方面可以計(jì)算出鋼管橢圓度以判斷所卷鋼管是否達(dá)到要求；另一方面將需要組對(duì)的管端輪廓進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬組對(duì)，以判斷是否符合錯(cuò)邊量要求，對(duì)不合格的鋼管有針對(duì)性地卷制校圓，直到符合要求。

在鋼管組對(duì)環(huán)節(jié)，通過(guò)控制鋼管的中心同軸度、橫向位移、縱向位移和旋轉(zhuǎn)等實(shí)現(xiàn)精確組對(duì)。在具體實(shí)施中采用N+1組對(duì)方案，每次都通過(guò)對(duì)一端的單節(jié)鋼管進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)組對(duì)，再將組對(duì)完的鋼管橫向移動(dòng)到另一端，空出該端后進(jìn)行第N+1節(jié)鋼管的組對(duì)。為了達(dá)到效率和成本的最佳組合，本文提出“滾輪架+輸送輥”方案，滾輪架用于對(duì)單節(jié)鋼管的同軸度、縱向旋轉(zhuǎn)以及管端位移的調(diào)整，輸送輥用于鋼管橫向移動(dòng)。

2 方案實(shí)施

2.1 輪廓測(cè)量

圖1 鋼管輪廓測(cè)量原理圖

圖2 測(cè)量原理圖

利用激光測(cè)距儀能精確地測(cè)量出管端的輪廓，目前有多種測(cè)量方案：一種是將激光測(cè)距儀放置在鋼管內(nèi)部，通過(guò)旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距儀或者旋轉(zhuǎn)鋼管的方式測(cè)量輪廓[4]；另一種是將激光測(cè)距儀放置在鋼管外側(cè)，激光指向鋼管中心，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管的方式測(cè)量出輪廓[5]。為實(shí)現(xiàn)卷制過(guò)程中的在線測(cè)量，激光測(cè)距儀只能放置在外側(cè)?？紤]到卷板機(jī)卷制過(guò)程中鋼管的旋轉(zhuǎn)并非繞著一固定中心軸，因而后一種方案的誤差較大。

本文將鋼管固定，兩組激光測(cè)距儀相對(duì)交叉放置在鋼管外側(cè)，通過(guò)上下掃描的方式進(jìn)行輪廓測(cè)量。圖1為該方法的測(cè)量原理圖。4個(gè)激光測(cè)距儀3，4，5，6分別放置在立柱上可以上下掃描。

圖2為測(cè)量原理圖，激光測(cè)距儀3和6之間的距離為L(zhǎng)36，激光測(cè)距儀4和5之間的距離為L(zhǎng)45，兩兩交叉的角度為α(見(jiàn)圖1)。實(shí)際需要測(cè)量的鋼管截面與鋼管中心軸線垂直，設(shè)垂直截面與L36所在截面夾角為β(見(jiàn)圖1)。當(dāng)激光測(cè)距儀整體移動(dòng)到某一高度時(shí)，可以測(cè)得1組數(shù)據(jù)：L3，L4，L5，L6，由這4個(gè)數(shù)值可以得到2個(gè)鋼管截面在該高度上的弦長(zhǎng)D36=L36-L3-L6，D45=L45-L4-L5，將D36和D45按各自?shī)A角投影到垂直截面上可得該截面上的弦長(zhǎng)D為

因此

圖3 管端擬合輪廓

為了準(zhǔn)確計(jì)算β，可以將測(cè)得所有高度上的數(shù)值按式(2)進(jìn)行計(jì)算并求平均值。最后，將β值代入式(1)即可求得出弦長(zhǎng)D，經(jīng)過(guò)1次掃描之后可以根據(jù)多個(gè)高度上的弦長(zhǎng)值擬合出截面的輪廓形狀。

與利用1組激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量的方法相比，利用2組激光測(cè)距儀測(cè)量鋼管輪廓的方法不要求鋼管放置時(shí)軸向要與激光測(cè)距儀的連線垂直，即使鋼管任意擺放也可以進(jìn)行精確測(cè)量，實(shí)用性高。另外，鋼管不動(dòng)、激光測(cè)距儀上下移動(dòng)的方式可以避免由于鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的誤差，提高測(cè)量精準(zhǔn)度。

2.2 管端模擬匹配

在測(cè)量需要對(duì)接的相鄰管端輪廓后，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬匹配，如圖3所示，通過(guò)多個(gè)高度弦長(zhǎng)端點(diǎn)的連線畫(huà)出管端輪廓后，首先計(jì)算出輪廓中心O，其次將兩個(gè)管端的圓心對(duì)齊后根據(jù)縱縫錯(cuò)開(kāi)角度計(jì)算出各個(gè)位置處的錯(cuò)邊量，最后在卷管階段對(duì)不滿足要求的錯(cuò)邊量所在位置，有針對(duì)性地校圓，直至滿足要求。

由于代價(jià)函數(shù)較為復(fù)雜，難以直接通過(guò)導(dǎo)數(shù)求解，本文采用梯度下降法進(jìn)行迭代求解。迭代求解公式為

式中：α為下降因子；m為迭代次數(shù)。

設(shè)定迭代終止閾值T，即當(dāng)max[(xm+1-xm),(ym+1-ym)]≤T時(shí)，認(rèn)為(xm+1,ym+1)即為求得的輪廓中心坐標(biāo)。

對(duì)于縱縫識(shí)別，主要依據(jù)鋼管在縱縫焊接過(guò)程中焊縫位置處不平滑且存在局部凸起的現(xiàn)象，如圖3中所示，標(biāo)明縱縫的位置處有明顯的凸起。根據(jù)這一特征，首先利用曲線擬合將所有端點(diǎn)擬合成一個(gè)近似圓形的管端輪廓，其次計(jì)算各個(gè)端點(diǎn)距離輪廓中心坐標(biāo)之間的距離(即半徑)以及該半徑與擬合后的管端輪廓之間的交點(diǎn)，最后計(jì)算各個(gè)端點(diǎn)與相應(yīng)交點(diǎn)之間的距離，距離最大的點(diǎn)即為縱縫位置。

2.3 鋼管組對(duì)系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鋼管組對(duì)系統(tǒng)如圖4所示，輸送架由多個(gè)輸送輥組成，輸送輥配備了電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)輸送輥的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了節(jié)省成本，可以采用1～2個(gè)電動(dòng)機(jī)控制1～2個(gè)輸送輥，其他輸送輥通過(guò)鏈條與其相連轉(zhuǎn)動(dòng)。輸送輥的具體作用是將組對(duì)完成的鋼管向左邊輸送以空出右邊組對(duì)區(qū)域。滾輪架用于單節(jié)鋼管(筒節(jié))的管口位置調(diào)節(jié)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)等，由主、從2個(gè)滾輪架組成，主動(dòng)滾輪架放置在最外端，從動(dòng)滾輪架位于靠近組對(duì)的焊縫端，2個(gè)滾輪架均具有行走、升降、平移和滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)功能；從動(dòng)滾輪架配置了升降支撐輥筒機(jī)構(gòu)，滿足組對(duì)N+1鋼管組對(duì)后的工件傳送支承。圖4中從動(dòng)滾輪架上的升降支撐輥筒機(jī)構(gòu)放置在靠近輸送輥的一端，如果為了突出輸送輥與滾輪架之間的間隙以便于環(huán)縫焊接，還可以將該升降支撐輥筒機(jī)構(gòu)放在靠近主動(dòng)滾輪架的一端。

圖4 組對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 輸送及組對(duì)功能

圖5為輸送輥及滾輪架的細(xì)節(jié)圖，其中傳輸輥道的輥筒采用V型輥筒設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮被輸送鋼管的直徑范圍，既要適應(yīng)較大范圍管徑的變化，還要保證自身長(zhǎng)度及重量不太大。在輸送輥的兩側(cè)設(shè)置防墜架，防止鋼管直徑過(guò)大時(shí)在輸送過(guò)程中失衡。

圖5 輸送輥以及滾輪架細(xì)節(jié)圖

主、從滾輪架均采用了全電動(dòng)絲桿調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)精度高(可達(dá)到毫米級(jí))，且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)可調(diào)，同時(shí)設(shè)計(jì)2種速度調(diào)節(jié)模式，即在高速狀態(tài)下可以迅速改變管口位置，低速狀態(tài)下具有管口組對(duì)微調(diào)功能。主、從滾輪架的平移在設(shè)計(jì)時(shí)也需要有2種模式即獨(dú)立移動(dòng)及同步移動(dòng)，其中：獨(dú)立移動(dòng)是當(dāng)組對(duì)單節(jié)管的長(zhǎng)度變化時(shí)，通過(guò)二者之間的獨(dú)立移動(dòng)調(diào)節(jié)二者之間的距離，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的單節(jié)管；同步移動(dòng)則可以將單節(jié)管整體移動(dòng)并靠近待組對(duì)的管端附近。通過(guò)滾輪架能實(shí)現(xiàn)管口上下、左右、前后的低速移動(dòng)，達(dá)到多自由度對(duì)鋼管的調(diào)整以滿足直線度以及管口錯(cuò)邊量的調(diào)整。

3 效益及分析

海洋工程對(duì)工期的要求非常嚴(yán)格，在大型海洋工程結(jié)構(gòu)物的建造過(guò)程中，鋼管組對(duì)一直是各建造廠家面臨的問(wèn)題，是整個(gè)建造效率的瓶頸環(huán)節(jié)：一方面卷管效率相對(duì)較高容易造成鋼管積壓，占用場(chǎng)地面積；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的組對(duì)方式需要占用較大的場(chǎng)地面積，在場(chǎng)地面積有限的前提下難以布置多條生產(chǎn)線。在采用本文所述的重型鋼管組對(duì)系統(tǒng)后，卷管階段的耗時(shí)與之前相比增加了約20%，但組對(duì)階段的效率卻提升了近50%，整體建造效率提升了近20%，節(jié)約了場(chǎng)地面積。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的鋼管模擬匹配以及自動(dòng)組對(duì)方案可以大大提升鋼管組對(duì)效率，有效地解決大型海洋工程結(jié)構(gòu)物的建造瓶頸，且質(zhì)量可靠，實(shí)現(xiàn)低投入高產(chǎn)出，為企業(yè)降本增效提供了有益的途徑。

后續(xù)還需進(jìn)一步研究及完善的地方主要有以下兩點(diǎn)：

(1) 輪廓測(cè)量環(huán)節(jié)，采用的雙立柱式結(jié)構(gòu)雖然有較高的精度，但比較占用空間且儀器價(jià)格較高。下一步可嘗試?yán)脭?shù)字圖像法對(duì)鋼管輪廓進(jìn)行測(cè)量，從而進(jìn)一步降低成本、解決空間占用的問(wèn)題。

(2) 在組對(duì)環(huán)節(jié)，本文的方法需要先對(duì)錯(cuò)邊量以及直線度進(jìn)行測(cè)量，然后再進(jìn)行調(diào)整。下一步可研究測(cè)量反饋與調(diào)整執(zhí)行同步動(dòng)作的人工智能方案，以進(jìn)一步提高效率。

[1] 王建秋.鋼管組對(duì)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010.

[2] 戚寶強(qiáng).鋼管自動(dòng)組對(duì)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2012.

[3] 運(yùn)飛宏.自動(dòng)鋼管組對(duì)機(jī)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2012.

[4] 梅劍春，葉青，田建國(guó).鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)精密工程,2014,22(4):816-821.

[5] 許曄,吳瑞珉,金成國(guó),等.直縫焊管管端直徑及橢圓度的檢測(cè)方法[J].物理測(cè)試,2010,28(2):48-51.

Research of Steel Pipe Fit-Up System

JIANG Jun

(Shenzhen Chiwan Sembawang Engineering Co.，Ltd.,Shenzhen 518068， Guangzhou,China)

In order to solve the problem of low efficiency of heavy tube manufacture in jacket construction,a new method is proposed,which is to measure ovality of the tube for fit-up simulation using computer in steel pipe rolling stage and take an automatic technique of “delivery roll with turning rolls” in real fit-up stage.The efficiency of jacket construction increases about 20%.The method is valuable for heavy tube manufacture especially for the construction of large ocean structures.

steel pipe fit-up; ovality; turning roll; delivery roll

2017-02-21

蔣 軍(1968-)，男，高級(jí)工程師

1001-4500(2017)03-0081-05

TG441

A