孫博文,萬家平,蔡 靈
(南通中遠(yuǎn)海運船務(wù)工程有限公司,江蘇南通 226001)
海洋工程裝備及高技術(shù)船舶是《中國制造2025》制造強國戰(zhàn)略的重要組成部分,也是我國實行“一帶一路”倡議的重要支撐。在國家持續(xù)支持、行業(yè)不斷努力下,現(xiàn)代造船模式在國內(nèi)逐步建立,我國的船舶工業(yè)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展,造船三大指標(biāo)位居世界前列。隨著計算機、數(shù)控、液壓及精密機械技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及造船工藝的不斷發(fā)展,造船工藝裝備正向著自動化、機械化和柔性自動化方向發(fā)展[1]。
船舶的管路系統(tǒng)按用途可分為2大類:1)動力管系,即為推進(jìn)裝置服務(wù)的管系,保證推進(jìn)裝置的正常運行;2)船舶管系,即為全船服務(wù)的管系,保證船舶的生命力、安全航行以及船員和旅客的正常生活和工作。船舶管系的設(shè)計、加工和安裝是造船工程中的一項重要內(nèi)容。管系具有規(guī)格多、品種多、數(shù)量多的特點,需要在較短的設(shè)計、加工和安裝周期內(nèi)完成繁重的工作任務(wù)。隨著國際市場上船舶工業(yè)競爭加劇,各國都在努力降低船舶產(chǎn)品的總造價,縮短船舶產(chǎn)品制造周期。有效提高船舶管系的生產(chǎn)技術(shù)水平已成為船舶工業(yè)重要發(fā)展目標(biāo)。
管系預(yù)制可以提高船舶工程施工速度、縮短工期、提高工程安裝質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益。大量實踐證明,建立管道預(yù)制生產(chǎn)線,提高管道預(yù)制水平是保證管道施工質(zhì)量、提高施工速度和降低施工成本的重要途徑,是我國提升造船競爭力的重要手段之一[2]。
在一些發(fā)達(dá)國家,管道工廠化預(yù)制已覆蓋了大部分建筑機電安裝工程,90%以上的管道均在預(yù)制工廠內(nèi)完成預(yù)制,然后根據(jù)施工進(jìn)度逐步配送至現(xiàn)場進(jìn)行組合裝配安裝,管道工廠化預(yù)制技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)高的水平[3]。在中國,工業(yè)管道工廠化預(yù)制技術(shù)趨于成熟,在石油、化工等工程項目建設(shè)中,管道工廠化預(yù)制已得到廣泛應(yīng)用[4]。但在民用建筑機電工程中,管道工廠化預(yù)制技術(shù)的應(yīng)用尚處于初步發(fā)展階段,有待進(jìn)一步推廣[5]。
根據(jù)船廠的實際生產(chǎn)環(huán)境條件,管道預(yù)制生產(chǎn)線工作的電力條件是380 V、50 Hz;可以在海拔低于1 000 m的環(huán)境下正常工作;管道預(yù)制生產(chǎn)線適應(yīng)的環(huán)境溫度范圍是-5 ℃~60 ℃;月平均相對濕度不大于80%;日平均相對濕度不大于85%;可以在有鹽霧及海洋性氣候條件下正常工作;在地震烈度不超過VII級時,管道預(yù)制生產(chǎn)線可以正常工作。
管道預(yù)制生產(chǎn)線由管道切割坡口區(qū)、管件坡口打磨區(qū)、管段組對焊接區(qū)、總體物流輸送系統(tǒng)和管道智能預(yù)制配套組成。
管道切割坡口生產(chǎn)線由管道數(shù)控相貫線切割機、滾床系統(tǒng)、三爪卡盤驅(qū)動器、等離子電源系統(tǒng)、排煙除塵系統(tǒng)、氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、管道縱向物流輸送系統(tǒng)和管道預(yù)制橫向輸送系統(tǒng)組成。
批量緩存準(zhǔn)備切割下料的管子,統(tǒng)一存放在上料端緩存工位架中,開始工作時,由上料端氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將緩存的原材料管子氣動翻轉(zhuǎn)至滾床內(nèi)。先在管端任意位置進(jìn)行一次切割,切割點為數(shù)控原點,然后數(shù)控切割根據(jù)工控機數(shù)控切割方案,執(zhí)行單管所有的切割坡口,包括直切、帶坡口切割、管端相貫線、管體相貫線切割,之后通過滾床內(nèi)置的V型輥道將完成坡口切割的管子電動輸送出來,管子承接通過下料端縱向物流承接從滾床輸送的管子,管子下料通過橫向物流將管子平穩(wěn)移動到半成品緩存工位架進(jìn)行打磨清掃,或直接平移到長距離輸送系統(tǒng)上,再運送到組對焊接生產(chǎn)線。
1)上料端氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)
利用氣缸驅(qū)動翻轉(zhuǎn)臂的形式,將原材料管子從緩存料架翻轉(zhuǎn)到滾床,實現(xiàn)自動上料,且配有擋料機構(gòu)可以防沖擊。該翻轉(zhuǎn)機構(gòu)適應(yīng)管徑為DN50-400、壁厚3 mm~25 mm、長度600 mm~6 000 mm的管子,管子材質(zhì)可以是碳鋼、不銹鋼、合金鋼或低溫鋼,控制方式為手動控制或自動控制。
2)出料端縱向物流
切割下料端管道縱向物流輸送系統(tǒng)(見圖 1)工作原理是電機減速機驅(qū)動V型輥輪旋轉(zhuǎn),V型輥輪再驅(qū)動管子前進(jìn)后退,將管子輸送至切斷坡口機,切割完成后將管子電動輸送到輸出端的輥道物流。設(shè)備適應(yīng)管徑為DN50-400、壁厚3 mm~25 mm的管子,管子的材質(zhì)可以是碳鋼、不銹鋼、合金鋼或低溫鋼。適應(yīng)管長為600 mm~6 000 mm,線體長度為6 000 mm,線體高度為800 mm,傳送速度為0 m/min~15 m/min。V型輥子采用鋼制,淬火后磨削加工,外包聚源脂膠,輸送管件時平穩(wěn)、無噪聲。安裝后直線誤差不大于 2 mm。輥子上表面直線度不大于2 mm,采用電力輸送,最大承重不超過5 t。另配有其他安全保護(hù)措施,如軸承采用鋼板包圍防護(hù),電機均設(shè)有防護(hù)罩,所有V型輥道均為包聚氨酯輥道,設(shè)備設(shè)有漏電保護(hù)與接地系統(tǒng)。
圖1 切割下料端管道縱向物流輸送系統(tǒng)圖
3)橫向物流輸送系統(tǒng)
系統(tǒng)可以實現(xiàn)管子在工位之間的橫向平穩(wěn)移動,滿足管子、管子+管頭等偏心工件的橫向平移需要,平移時平穩(wěn)、無沖擊。該系統(tǒng)可提高管道預(yù)制廠的自動化水平,降低吊裝過程的安全風(fēng)險。系統(tǒng)適用管徑為DN50-400、壁厚3 mm~25 mm的管子,傳送長度超過600 mm,軌道長度為7 m,線體高度800 mm。如圖2所示,三維橫向物流輸送系統(tǒng)擁有2套小車,同步絲杠升降機,2臺小車同步電動升降,行程為±30 mm,行走方式是由兩臺小車自驅(qū)動,同步電動行走,速度為0 m/min~25m/min,最大承重不超過5 t,由控制臺集中控制。
圖2 三維橫向物流輸送系統(tǒng)模型
管件打磨平臺整套設(shè)備主要由管道打磨粉塵回收系統(tǒng)、坡口打磨專用平臺和粉塵輸送管道組成。管道打磨粉塵回收系統(tǒng)整機呈圓柱形,由水箱系統(tǒng)、機架系統(tǒng)和氣旋分離系統(tǒng)組成。坡口打磨專用平臺整機呈方形,由輸送支架、主運動系統(tǒng)和輸送管道組成。粉塵輸送管道由DN80蝶閥、DN80法蘭、DN80 直管、90°彎頭(DN80)、45°彎頭(DN80)、DN150×DN80同心異徑接頭、DN150法蘭、90°彎頭(DN150)、45°彎頭(DN150)、DN150 直管、DN250×DN150同心異徑接頭組成。
管件坡口打磨專用平臺由按鈕控制接觸器控制,由電機通過鏈輪鏈條帶動皮帶旋轉(zhuǎn),工人移動管件至打磨平臺工位架,再經(jīng)滾輪運輸至皮帶上,皮帶旋轉(zhuǎn)帶動管件至合適位置,管件打磨,打磨過程中產(chǎn)生的打磨灰塵由管道打磨粉塵回收系統(tǒng)回收。管道打磨粉塵回收系統(tǒng)產(chǎn)生空氣吸力,吸收管件坡口打磨專用平臺中的打磨灰塵,再由管道打磨粉塵回收系統(tǒng)排除打磨灰塵,從而實現(xiàn)管道打磨、粉塵回收一體化。
管段組對焊接區(qū)由2臺管道預(yù)制機械組對系統(tǒng)和1套管道預(yù)制自動焊接中心組成。
管道預(yù)制組隊系統(tǒng)包括1個管道預(yù)制快速組隊器和1個管道預(yù)制機械組對中心。
1)管道預(yù)制快速組隊器的選擇
管道預(yù)制快速組隊器選用含有單個多功能組對機頭,以此來實現(xiàn)管子、管法蘭、管彎頭、管三通、管大小頭的機械快速組對(見圖 3)提高管子與法蘭、彎頭、三通等的組對效率和組對質(zhì)量。管道預(yù)制快速組隊器適應(yīng)的管的管長為200 mm~6 000 mm,管子材質(zhì)可以為碳鋼、不銹鋼或合金鋼。組對系統(tǒng)含有1臺多功能組對機頭,每對機頭最大承重1 t,所有機械上下、左右、前后等核心動作均為電動調(diào)節(jié)、無極調(diào)速。2臺支撐小車由工人在軌道上推行,單臺小車最大承重5 t。導(dǎo)軌系統(tǒng)可以滿足6 m管子單端組對要求,任何與管子接觸的部分均有防碳污染措施,例如托架小車襯不銹鋼條,對平臺及擋板做鍍鉻處理,法蘭定位銷桿為不銹鋼。
圖3 管道快速組對圖
2)管道預(yù)制機械組對中心機構(gòu)及性能設(shè)計
管道預(yù)制機械組對中心由2臺組對機頭、2臺支撐小車和1套軌道系統(tǒng)組成。組對機頭和支撐小車均坐落在軌道系統(tǒng)上,組對機頭由下層小車、蝸輪絲桿升降機構(gòu)、中層小車、線性導(dǎo)軌、上層小車、定位擋板、變位翻板、磁性水平尺和電氣系統(tǒng)9部分組成。采用手持式控制盒操作控制組對機頭的上下升降、左右平移、前后行走以及法蘭板的垂直翻轉(zhuǎn)。該設(shè)備有多功能組對機頭,每個機頭均能實現(xiàn)管管、管法蘭、管彎頭、管三通、管大小頭的機械快速組對,大大提高了管子與法蘭、彎頭、三通的組對效率和組對質(zhì)量。該設(shè)備適用管徑為DN50-400、管壁3 mm~25 mm的管子,管子材質(zhì)可以為碳鋼、合金鋼或不銹鋼,適用管長200 mm~12 000 mm。工人操作時,根據(jù)被組對的管子長短,手工移動 2臺支撐小車的位置以適應(yīng)直管段的支撐。將待組對的管子吊入或移入支撐小車,使其恰好坐落在其上的V型托架上,電動移動1臺組對機頭、2臺支撐小車的位置至管子前端進(jìn)行組對即可。三維效果如圖4所示。
圖4 管道預(yù)制機械組對中心三維效果圖
管道預(yù)制自動焊接中心由自動焊機組成,主要是懸臂式管道自動焊機和分體式管道自動焊機2大類型。
1)懸臂式管道自動焊機主機及性能
立柱懸臂式主機是安裝槍架系統(tǒng)、焊槍及控制系統(tǒng)的主體,包含立柱、懸臂、可行走底座小車系統(tǒng)、配套導(dǎo)軌、拖鏈、電機、絲桿、回轉(zhuǎn)盤等部件,采用三爪自定心卡盤夾緊驅(qū)動管子,支撐小車輔助支撐管段。焊接主機可在配套軌道上電動行走,實現(xiàn)焊縫的自動冷熱絲 TIG/MIG/MAG。焊接主機工作時,立柱懸臂主機可沿工件軸向電動行走,并可以調(diào)節(jié)焊槍位置,實現(xiàn)焊槍左右、上下、前后動作調(diào)整;工控機控制系統(tǒng)內(nèi)置存儲多套焊接程序,使用時直接調(diào)用焊接程序進(jìn)行焊接,同時可以對焊接程序進(jìn)行修改、存儲、導(dǎo)出,支持雙向通信。一次焊接合格率98%以上。焊接工作時,自動冷絲TIG/熱絲TIG/MIG/MAG打底、填充、蓋面焊接,各焊槍可快速電動切換,無需人工更換焊槍。裝配合格,焊縫處無影響成形的銹蝕、內(nèi)錯邊等自然和人為缺陷。組對誤差≤1.5 mm(氬弧打底)、≤3 mm(氣保打底)。焊縫外觀余高≤1.5 mm,無裂紋、未焊透、未熔合缺陷,表面氣孔、咬邊、根部內(nèi)凹等無明顯缺陷。立柱懸臂主機可0°~120°手工回轉(zhuǎn)。特制懸臂式管道自動焊接主機可在主機配套軌道上電動行走,橫臂上下升降行程可調(diào),配套軌道為箱型模塊式結(jié)構(gòu)。三爪自定心卡盤采用電動驅(qū)動電動升降、手工夾緊的方式,使工件在旋轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)偏心、軸向竄動,相比不可升降卡盤,輔助效率提高了5倍。從動支撐小車采用手工升降的方式,且可以在配套軌道上手工推行,最大承重為5 t。可行走底座小車到達(dá)焊接位置后,可自動卡緊,小車頂部設(shè)置有包聚氨酯的從動滾輪,小車高度采用人工調(diào)節(jié),而且配有不同管子使用刻度,供調(diào)節(jié)高度時參考。主控制系統(tǒng)為數(shù)字化全自動集中控制,界面直觀、維護(hù)方便。控制箱為流線型控制箱,外觀簡潔大方、可旋轉(zhuǎn)角度以減小光線對顯示器的影響??刂葡到y(tǒng)內(nèi)設(shè)置開機密碼保護(hù)(可設(shè)定密碼,對不同級別操作人員進(jìn)行權(quán)限設(shè)置)功能。觸摸屏安裝在便于操作、觀察焊縫的位置,通過設(shè)定,可對焊接速度、焊槍擺動寬度、擺動速度、焊接行程等焊接參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)定??深A(yù)存設(shè)置參數(shù),焊接程序控制系統(tǒng)將自動焊專用焊接程序(A-WPS)集成在控制系統(tǒng)內(nèi),有助于節(jié)省大量的焊接工藝開發(fā)所需投入的人工成本、材料成本和時間成本,縮短設(shè)備“投入-產(chǎn)出”周期。采用人機對話模式的焊接程序控制系統(tǒng)內(nèi)存儲不少于50套焊接工藝參數(shù),操作員僅需要選擇配套的焊接工藝序號即可進(jìn)行焊接工作,并可通過手持式控制盒進(jìn)行焊接參數(shù)的實時微調(diào)。安全防護(hù)措施包括:焊接主機行走功能設(shè)置限位,防止主機開出軌道外;焊接主機絲桿升降設(shè)置升降限位,保障升降行程;焊接主機橫臂調(diào)節(jié)設(shè)置伸縮限位,保障伸縮行程;設(shè)備配置有可靠的安全保護(hù)、急停按鈕、接地及保險裝置,以防止誤操作或意外事故造成設(shè)備損壞和人員傷亡;帶有異常故障自動停機功能。
2)分體式管道自動焊機主要構(gòu)成及性能
分體式管道自動焊機由固定的立柱、橫臂、電動伸縮臂、槍架系統(tǒng)和主控制箱等組成。采用立柱固定,立柱系統(tǒng)電動升降、無級調(diào)速。主驅(qū)動小車可在配套軌道上電動行走,以躲開立柱及橫臂的影響。橫臂上安裝有壓緊輪,2組4個包聚氨酯滾輪壓緊、從動,壓緊橫臂上設(shè)置有緩沖限位系統(tǒng),避免將管子壓變形。伸縮臂電動伸縮調(diào)節(jié),加大了焊縫的位置調(diào)節(jié)范圍。槍架系統(tǒng)包括氬弧與氣保焊槍和調(diào)節(jié)擺動系統(tǒng)。系統(tǒng)無須人工轉(zhuǎn)動主機位移,實現(xiàn)快速、安全、高效上下管,并實現(xiàn)焊縫的自動冷熱絲TIG/MIG/MAG焊接,一次焊接合格率達(dá)98%以上。工控機控制系統(tǒng)內(nèi)置存儲多套焊接程序,使用時直接調(diào)用焊接程序進(jìn)行焊接,同時可以對焊接程序進(jìn)行修改、存儲、導(dǎo)出,實現(xiàn)雙向通信。適用焊縫包括管管、管彎頭、管法蘭、管三通、管大小頭等。焊接工作時,自動冷絲 TIG/熱絲 TIG/MIG/MAG打底、填充、蓋面焊接;各焊槍可快速電動切換、無需人工更換焊槍。配置有氬弧焊焊縫跟蹤系統(tǒng),滿足管子一定橢圓度范圍內(nèi)焊槍的自動跟蹤。焊接過程中,左右擺動可自動微調(diào)。
管道總體物流系統(tǒng)由管道預(yù)制低壓滑線供電輸送系統(tǒng)、管道橫向自動輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)線配套工位架組成。
管道預(yù)制低壓滑線供電輸送系統(tǒng)不僅可以提高管道預(yù)制廠的自動化程度,還可以降低吊裝過程的安全風(fēng)險。采用36 V安全電壓不間斷供電驅(qū)動小車沿著軌道電動輸送,傳送速度2 m/min~20m/min,傳送長度大于1 000 mm,線體長度為40 m。系統(tǒng)適用管徑為DN50-400。
管道橫向自動輸送系統(tǒng)1套設(shè)置在預(yù)制車間中部,將完成坡口切割的管子輸送到組對焊接區(qū),另1套設(shè)置在預(yù)制車間側(cè)面,將焊接完的管段輸送到復(fù)雜區(qū)、半成品區(qū)。系統(tǒng)適用管徑為 DN50-400,輸送機構(gòu)是鏈條齒輪機構(gòu),輸送速度 0 m/min~10 m/min,傳送長度大于1 000 mm,軌道長度10 m,線體高度 800 mm。雙絲杠升降機可電動升降,升降行程為±30 mm。
生產(chǎn)線配套工位架采用H型鋼+槽鋼的結(jié)構(gòu)形式,頂部鋪設(shè)方木條,適應(yīng)管徑 DN50-400,管子材質(zhì)可以為碳鋼、不銹鋼、合金鋼或低溫鋼。適應(yīng)管長為1 000 mm~6 000 mm,料架尺寸為6 000 mm×2 600 mm×800 mm,可承重20 t。支腳帶螺栓調(diào)節(jié)機構(gòu),可上下調(diào)節(jié)以彌補地面的不平整及設(shè)備可能的高度誤差。料架頂部鋪設(shè)方木條,管子與方木條接觸,可有效保護(hù)管體油漆層不被刮傷,末端設(shè)置聚氨酯擋塊,確保管子不會跌落。
1)進(jìn)度控制模塊??删幹乒艿李A(yù)制工作包,匯總統(tǒng)計工作包的下料清單和材料清單,提供管道預(yù)制周度進(jìn)度報告、管道預(yù)制總體進(jìn)度報告,提供管線、管段、焊縫預(yù)制狀態(tài)報告、預(yù)制狀態(tài)清單,提供管道預(yù)制深度報表,管理管段可預(yù)制工作量。
2)詳圖設(shè)計模塊。采集詳圖設(shè)計日報信息,進(jìn)行平立面、原始單線圖紙管理,進(jìn)行安裝單線圖、預(yù)制管段圖管理,提供詳圖設(shè)計狀態(tài)報告。
3)信息管理模塊。進(jìn)行項目、管線、管段、焊縫、材料、長度信息管理,打印員工、焊工、圖紙、材料、出庫單、切坡、組焊、管段標(biāo)識二維碼,導(dǎo)入PDSoft管線、管段、焊縫、材料信息,導(dǎo)入SpoolGen管段、焊縫、材料、長度信息,導(dǎo)入Marian材料入庫信息,導(dǎo)入SP3D管線信息,導(dǎo)出管段、焊縫信息至CMS,導(dǎo)出管段入庫、出庫信息至Marian。
4)材料控制模塊。編制材料需求計劃,進(jìn)行材料入庫管理、材料配料管理,進(jìn)行材料出庫管理、材料發(fā)放管理,進(jìn)行材料庫存管理、材料缺口管理,根據(jù)批號進(jìn)行材料可追溯性管理,提出材料總體狀態(tài)報告,提出尚可配料管段清單、管段配料狀態(tài)報告。
5)切割下料模塊。采集切割下料、坡口加工日報信息,提出管子已經(jīng)切割、坡口管段清單,提出管子尚待切割、坡口管段清單,提出管子切割、坡口狀態(tài)報告、清單。
6)組對焊接模塊。采集焊縫組對、焊接日報信息,提出已經(jīng)組對、焊接管段清單,提出尚待組對、焊接管段清單,提出焊縫組焊狀態(tài)報告、清單。
7)質(zhì)量控制模塊。采集焊縫檢查、檢驗日報信息,采集管段檢查、檢驗日報信息,提出已經(jīng)檢查、檢驗管段清單,提出尚待檢查、檢驗管段清單,提出焊縫焊接工作記錄。
8)無損檢測模塊。提出射線檢驗總委托單,采集射線檢驗日委托單信息、焊接射線檢驗記錄信息,提出焊縫射線檢驗報告,提出射線檢驗結(jié)果通知,分類統(tǒng)計焊接一次合格率。
9)成品管理模塊。采集管段入庫日報表信息,采集管段交接日報表信息,進(jìn)行管段交貨運輸包管理,統(tǒng)計已經(jīng)交接管段清單,統(tǒng)計尚待交接管段清單,進(jìn)行管段現(xiàn)場需求計劃管理。
管道工廠預(yù)制智能管理系統(tǒng)與工業(yè)標(biāo)簽打印機配套使用,打印管理軟件自動生成的各類二維碼,是管道工廠預(yù)制智能化的必備條件之一。
工控機裝載智能化管道預(yù)制自動焊機控制系統(tǒng),可直接于機器上或離線編輯器編程;可使用菜單選擇輸入焊接參數(shù),如外徑、壁厚、焊接工藝標(biāo)號等;支持U盤、網(wǎng)線、WIFI或G代碼直接導(dǎo)入或轉(zhuǎn)換導(dǎo)入;可記錄、儲存、反饋自動焊接過程中的電流、電壓、焊接速度、線能量等數(shù)據(jù);具有人性化的交互界面,操作簡單,曲線成像非常直觀;動態(tài)焊接一目了然;具備斷點記憶、故障自我診斷、操作失誤智能判別、自動報警顯示等功能;具有豐富、可擴(kuò)充的宏程序調(diào)用及編輯功能;具有中英文顯示、人機對話功能;具有在線和離線的編程方式,可通過U盤、網(wǎng)絡(luò)等和外部交換信息。
船舶管道預(yù)制生產(chǎn)線可提高船舶工程管道施工速度、縮短施工周期、提高管系工程安裝質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益。中遠(yuǎn)管道預(yù)制生產(chǎn)線的建立對中遠(yuǎn)船舶智能制造的進(jìn)程起到了支撐與推動作用,符合我國船舶工業(yè)由大做強的訴求,對維護(hù)我國海洋權(quán)益,加快海洋發(fā)展,保障戰(zhàn)略運輸安全具有重要意義。