海洋油氣生產(chǎn)平臺的上部模塊智能制造工藝流程

閆孟嬌，劉 慶，李應(yīng)曉，楊立昆，劉 婷

(1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司 船舶及海洋工程工藝技術(shù)研究院，上海 200090；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300191)

0 引 言

海洋強(qiáng)國建設(shè)是綜合國力提升的必經(jīng)道路，也是中國特色社會主義事業(yè)的重要組成部分。作為深海戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，海洋工程裝備，尤其是海洋油氣生產(chǎn)平臺的上部模塊是先進(jìn)制造技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用的綜合體，具有高風(fēng)險、高投入、高收益、高技術(shù)和高附加值等特征，產(chǎn)業(yè)輻射范圍較廣，并對國民經(jīng)濟(jì)可作出持續(xù)貢獻(xiàn)[1]。

在海工市場低迷的時期，海工行業(yè)的生存和發(fā)展需靠自身的核心競爭力，發(fā)展智能制造、建設(shè)智能工廠是主要及重要的選項(xiàng)。利用信息化手段及自動化裝備，將重復(fù)性勞作交予機(jī)器設(shè)備完成，既去除了人為影響因素，又可保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動和生產(chǎn)效率[2]。

海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊智能制造工藝流程的研究是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。本文對海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊現(xiàn)有工藝流程進(jìn)行分析，提出智能化建造需求，并對智能制造工藝流程開展分析，優(yōu)化海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊建造生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。研究內(nèi)容可作為海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊智能制造總體工藝方案的理論依據(jù)。

1 傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程

當(dāng)前海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)的建造模式主要為傳統(tǒng)順序建造法，一般采用橫向分片、縱向分段的預(yù)制方案。即先將模塊的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行分段分片建造，根據(jù)擬建造平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和起重機(jī)的吊裝能力，以甲板腿為起點(diǎn)連線其所在的主梁位置，進(jìn)而將平臺各層甲板分片。甲板片在船體車間建造完成后運(yùn)輸至舾裝車間或外場預(yù)舾裝，甲板片預(yù)制后將直接運(yùn)輸?shù)酵垦b車間進(jìn)行噴涂作業(yè)。噴涂完成后在組塊總裝場地進(jìn)行主結(jié)構(gòu)空間總組作業(yè)。結(jié)構(gòu)片運(yùn)輸或吊裝至滑道或總裝墊墩上，最后進(jìn)行機(jī)管電等專業(yè)的總裝工作[3-5]，包括管道、設(shè)備、附件和托架等的安裝。海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊傳統(tǒng)工藝建造流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)工藝建造流程

傳統(tǒng)建造流程中的不足之處如下：

(1)鋼板種類多、數(shù)量大、存放周期長，且只有簡單的靠人工記錄的鋼板分類、擺放信息和材料清單。材料擺放位置變化后不能及時記錄，造成材料堆放位置信息混亂。生產(chǎn)需要的鋼板需經(jīng)常進(jìn)行大量的翻板尋找，不僅效率低下，而且浪費(fèi)大量能源。

(2)現(xiàn)有切割機(jī)和型材切割生產(chǎn)線均為單機(jī)作業(yè)，缺乏工業(yè)聯(lián)網(wǎng)功能，無法對切割機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和管理，工件信息管理不可控。

(3)甲板片生產(chǎn)工場大量生產(chǎn)工作依靠人工作業(yè)，生產(chǎn)效率低、質(zhì)量控制差、焊接工作量大、組對及焊接質(zhì)量要求高、檢驗(yàn)要求較高[6]。

目前，行業(yè)內(nèi)的海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊制造主要仍采用上述傳統(tǒng)順序建造法模式，生產(chǎn)手段也仍以半自動與手工作業(yè)為主；隨著先進(jìn)技術(shù)水平的快速發(fā)展，業(yè)內(nèi)各制造企業(yè)也正在探索新模式、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用，但至今尚未有已投產(chǎn)的智能制造基地。

2 智能制造需求

現(xiàn)代造船正逐步向自動化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。世界各國船舶與海洋工程生產(chǎn)制造先進(jìn)企業(yè)，如韓國現(xiàn)代重工、德國邁爾船廠、新加坡吉寶、南通中遠(yuǎn)川崎等，大力應(yīng)用鋼板自動切割生產(chǎn)線、焊接機(jī)器人等自動化設(shè)備，推行精細(xì)化生產(chǎn)管理、智能管控技術(shù)，通過數(shù)字化技術(shù)、智能制造應(yīng)用，生產(chǎn)周期縮短至原來的1/2，作業(yè)人員減少2/3，生產(chǎn)效率提升約70%，為企業(yè)帶來新發(fā)展。

在船舶與海洋工程建造過程中，產(chǎn)品質(zhì)量取決于勞動者的技能水平，產(chǎn)品質(zhì)量不可控導(dǎo)致大量返工、怠工現(xiàn)象，嚴(yán)重影響企業(yè)形象，因此開展海洋油氣生產(chǎn)平臺的上部模塊智能制造是大勢所趨。利用機(jī)械化和自動化工裝設(shè)備、信息化和數(shù)字化的物流管控、標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化的現(xiàn)場管理，實(shí)現(xiàn)降本增效，推動海工行業(yè)發(fā)展。海洋油氣生產(chǎn)平臺的上部模塊智能制造工藝流程的研究是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。

3 智能制造典型工藝流程

3.1 鋼材堆場主要工藝流程

原材料通過卡車運(yùn)輸進(jìn)入中間通道，利用智能行車進(jìn)行原材料的卸料工作，卸料后每種原材料需要確認(rèn)信息正確，通過對進(jìn)堆場材料進(jìn)行貼碼，對物料進(jìn)行身份標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)材料身份信息采集。掃描后信息進(jìn)入系統(tǒng)，按照系統(tǒng)指示，智能行車將原材料放置到指定的區(qū)域和庫位。圖2為鋼材堆場的智能存儲過程中的入庫和出庫流程。

圖2 鋼材堆場的智能存儲入庫和出庫流程

成品管子堆場區(qū)的海管管子原材料，根據(jù)系統(tǒng)指令，通過中間物流通道利用電動平板車送到海管制作車間。工藝管原材料通過電平車配送到工藝管制作車間。

鋼板堆場區(qū)和型材堆場區(qū)的原材料根據(jù)系統(tǒng)指令，通過智能行車直接放置到預(yù)處理線的上料輥道，進(jìn)行預(yù)處理作業(yè)。

半成品部件臨時堆場用于半成品部件的暫存，根據(jù)系統(tǒng)指令，通過電動平板車將半成品送到部件堆放區(qū)，如后道工序需要通過，根據(jù)系統(tǒng)指令，通過電動平板車配送到內(nèi)場指定工作區(qū)域，或者電平車送往外場組裝區(qū)域。

鋼材堆場智能吊運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼板信息的自動識別、跟蹤、采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉褕鑫锪瞎芾硐到y(tǒng)。能實(shí)時反映鋼板位置堆垛等信息，避免尋找鋼板時的翻板工作量，可提升鋼板的尋找效率約300%。該系統(tǒng)的應(yīng)用減少了尋找鋼材時無效的起重機(jī)吊運(yùn)工作，達(dá)到日常運(yùn)行過程中的降本節(jié)能。

3.2 鋼材智能切割主要工藝流程

預(yù)處理后的鋼板根據(jù)系統(tǒng)給定的任務(wù)清單從預(yù)處理線輥道進(jìn)入切割加工工場。同時，不需要切割、直接進(jìn)行拼板的鋼板通過輥道送到平面分段車間。需要切割的鋼板被程控行車自動吊起，送到鋼板緩存位。切割機(jī)進(jìn)行自動化作業(yè)，根據(jù)集控站指令將材料切割成與打碼一一相對應(yīng)的零件。切割機(jī)切割完成后，程控行車將鋼板整體吊往交換分揀工作臺。分揀輥道上設(shè)置零部件識別設(shè)備(視頻識別)，分揀工作臺由人工按照系統(tǒng)的指令，依靠機(jī)械手根據(jù)零件的工序和分道原則分揀到不同的托盤內(nèi)，并將揀料結(jié)果實(shí)時反饋至制造執(zhí)行管理系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)。圖3為板材切割工藝流程圖。

圖3 板材切割工藝流程

預(yù)處理后的型鋼根據(jù)系統(tǒng)給定的任務(wù)清單從進(jìn)料橫移輥道移至理料工位后，再通過輥道輸送至倒角機(jī)進(jìn)行翼板的倒角。利用型材專用吊排將型材吊至型材緩存工位。根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)指令安排，行車將型材放到型材切割流水線上，切割機(jī)切割之前讀取型材數(shù)據(jù)，并加載數(shù)控指令，切割機(jī)進(jìn)行自動化作業(yè)，根據(jù)集控站指令將材料切割成與打碼一一相對應(yīng)的零件。在切割機(jī)完成切割后，零件移至短料橫移分揀輥道，零件管理系統(tǒng)根據(jù)零件識別碼按照既定的流向規(guī)格對零件進(jìn)行分類，放入相應(yīng)托盤，并將揀料結(jié)果實(shí)時反饋到MES系統(tǒng)內(nèi)。圖4為型鋼切割工藝流程圖。

圖4 型鋼切割工藝流程

鋼板和型鋼智能切割生產(chǎn)線通過生產(chǎn)管控平臺與企業(yè)管理系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)及生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)。自動識別板材信息、統(tǒng)一切割調(diào)度并對切割過程進(jìn)行監(jiān)控、切割后的自動分揀，實(shí)現(xiàn)了對切割零件信息采集確認(rèn)、信息傳遞、信息管理全過程的實(shí)施跟蹤。與傳統(tǒng)的切割機(jī)需要人工識別型材信息后再導(dǎo)入相關(guān)切割指令相比，智能切割提升了切割機(jī)的切割效率，消除了人工誤操作的風(fēng)險，提高了設(shè)備工作效率，并相應(yīng)地減少了生產(chǎn)人員。

3.3 甲板片主要工藝流程

根據(jù)生產(chǎn)管控平臺下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)，零部件托盤運(yùn)輸至平面線各工位的備料區(qū)。在平面分段流水線的分段預(yù)制工位上先進(jìn)行甲板片甲板板的拼板、定位、作業(yè)。在完成拼板定位作業(yè)的整片板上安裝主梁和次梁。完成主梁和次梁安裝后，將焊接機(jī)器人運(yùn)行至工位上，通過視覺拍照定位和焊縫尋找，結(jié)合分段三維模型轉(zhuǎn)化成焊接模型。啟動機(jī)器人焊接工作，完成該分段內(nèi)的平角焊、立角焊和部分仰焊。在完成主、次梁之間的焊縫和主、次梁與甲板板之間的焊縫后，用焊接機(jī)器人或者埋弧焊機(jī)完成拼板焊接。將工位1或工位2上的甲板片體分段通過運(yùn)輸臺車運(yùn)輸至工位3，用車間內(nèi)的起重機(jī)將另一工位上生產(chǎn)的較小甲板片體分段吊運(yùn)至工位3進(jìn)行合龍和部分預(yù)舾裝作業(yè)。合龍完成的甲板片體分段通過運(yùn)輸臺車的頂升，落位至平板車或模塊車上運(yùn)出車間。圖5為平面分段流水線工藝流程圖。

圖5 平面分段流水線工藝流程

智能平面分段流水線作業(yè)可使得大量焊接工作自動化：焊接質(zhì)量相較于傳統(tǒng)的人工手工焊接更穩(wěn)定；可以連續(xù)不間斷地工作，焊接效率顯著提升，相較于傳統(tǒng)人工焊接，效率提升約20%；由于采用機(jī)械化作業(yè)，可減少人工需求。

4 典型廠區(qū)智能制造應(yīng)用效果

天津某海工基地以提升海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊制造質(zhì)量、效率和效益為核心內(nèi)容，適應(yīng)性地創(chuàng)新設(shè)計海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊智能制造模式，圍繞海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊制造特征及管控需求，擬構(gòu)建智能制造總體方案，目前該工程正處于建設(shè)過程中，預(yù)計2022年基地進(jìn)行示范應(yīng)用。

圖6為某海工基地某鋼結(jié)構(gòu)制造車間，車間左側(cè)四跨為鋼材堆場，整個鋼材堆場采用信息化管理手段，建立倉儲管理系統(tǒng)，管理鋼材的出入庫和庫位坐標(biāo)。第一跨和第二跨配備智能起重機(jī)，按照終端顯示及任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行鋼板吊裝和庫位移動。第五跨和第六跨分別配置鋼板智能切割分揀系統(tǒng)和型鋼切割生產(chǎn)線，對鋼板和型鋼進(jìn)行統(tǒng)一切割調(diào)度并對切割過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對切割零件信息采集確認(rèn)、信息傳遞、信息管理全過程實(shí)施跟蹤。第七跨配置智能平面分段流水線，機(jī)器人焊接系統(tǒng)完成大量焊接工作，保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率。

圖6 天津某海工基地某鋼結(jié)構(gòu)制造車間智能制造應(yīng)用示例

5 結(jié) 論

海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊智能制造工藝流程對海洋平臺的智能制造解決方案具有重要意義。對關(guān)鍵工藝流程及相應(yīng)工場進(jìn)行梳理分析，同時借鑒成熟智能制造工藝，提供滿足國內(nèi)環(huán)境下的海洋油氣生產(chǎn)平臺智能制造流程的需求及改造方案，為海洋油氣生產(chǎn)平臺上部模塊智能制造提供工藝技術(shù)基礎(chǔ)，推動海洋油氣裝備制造行業(yè)向信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展。