石油井架用非標大H型鋼焊接生產線

陳　峰， 李旺順， 馬彬鋒， 楊　凱， 李俊輝， 王振安，牛　毅，　劉國剛

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

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石油井架用非標大H型鋼焊接生產線

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，劉國剛2

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

通過分析井架用焊接H型鋼生產的工藝瓶頸，在最大幅度節約投資成本的前提下，設計出成套出口石油井架用大H型鋼的專用生產線。此生產線投產后，在產品質量達到要求的同時，成材率也達到95%以上，可以作為生產高精度井架用大H型鋼的參考。

H型鋼焊接矯直井架

井架用大H型鋼的交貨狀態在翼緣斜度、腹板中心偏差以及全長彎曲度均有數值要求[1]（見表1和表2）。通過表1和表2的對比可以發現：出口石油井架H型鋼的產品質量要求高于現有熱軋H型鋼要求；石油井架用H型鋼大多數為非標H型鋼，尺寸規格均大于熱軋H型鋼，其精整矯直工藝較難用傳統的方式實現。

表1　熱軋和井架用焊接H型鋼產品質量要求對比

表2　熱軋和井架用焊接H型鋼產品規格對比

出口井架用非標H型鋼限制用火焰方式進行矯整，導致傳統工藝生產的出口井架用非標H型鋼的產品成材率不及30%，嚴重制約產品交貨期和企業生產利潤。中石油陜西某公司出口井架用大H型鋼生產企業與中國重型機械研究院股份公司聯合攻關，研發新的工藝和裝備，使焊接石油井架用H型鋼的成材率達到95%以上，產品質量和生產效率均得到大幅提高。

1　原有井架用焊接H型鋼生產工藝及存在瓶頸

數控火焰切割定尺下料—人工組焊—手工自動吐絲電弧焊焊接—火焰矯直—翼緣冷矯直—收集。組焊過程中需人工調整腹板和翼緣的位置。冷矯機械為簡易翼緣矯直機，無法實施彎曲矯直，矯直過程中無類封閉型孔型對H型鋼斷面進行矯形。圖1是該生產線產品的主要缺陷形式。

圖1　傳統焊接井架用H型鋼的主要缺陷形式

1）腹板和翼緣的切割面均為毛面，組焊過程中這些毛面成為基準面，易于造成腹板不對正、腹板和翼緣不均勻偏心缺陷，導致后續形成大的焊接變形。

2）組焊完成后，無中間檢驗及時效過程，焊接時工件未采取任何防止變形的工藝措施，不能及時發現和糾正焊接過程中產生的變形。

3）焊接完成后，通過火焰對彎曲部位進行局部加熱、矯直，容易造成局部脫碳，影響使用強度。若火焰加熱部位較多，則容易發生隱患。

4）由于原生產線長期采用火焰加熱的方式進行熱矯，致使冷矯直只針對翼緣進行矯直，全長直線度矯直功能缺失，無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H型鋼焊接生產的基本工藝方案

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產生的，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程中控制焊件變形，開發出可同時應對全長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：開發新型組焊機構，嚴格控制各個焊件的位置關系，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角分步焊接，中間時效的焊接工藝，可有效控制焊接變形。

初步提出如下工藝：數控火焰切割—鋼板切割面全長銑削加工—預檢查—高精度組焊—自動埋弧焊接—時效—自動埋弧焊接—時效—冷矯—收集。其工藝優勢為：通過嚴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H型鋼的成材率。

3　出口井架用非標H型鋼生產線主要裝備的技術特點

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。開發專用機床對切割鋼板沿全長進行邊部切削，切削量控制在2 mm左右，切削時采用上、下翼緣同時加工，以確保上下翼緣的尺寸精度。

銑削機床采用C型臥式機構，銑削頭可在床身上沿工件全長移動。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），可減少工件調整輔助時間，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，并點焊保持，為后續連續焊接提供條件。傳統的組焊過程為：先進行下翼緣和腹板的組焊，工件位置控制依靠人工確定，點焊時機構只對工件局部夾持；待下翼緣和腹板組焊完畢后，再組焊上翼緣和腹板，點焊時仍然采用手工電弧焊焊接，此過程中上翼緣和下翼緣沒有任何約束。其中，該設備主要存在如下缺陷：組焊時為局部點焊，焊接后變形程度隨著H型鋼長度的增長而加大；組焊時翼緣和腹板的初始位置和夾持位置均依靠人工調整，精度受限；采用手工電弧焊焊接對生產效率和勞動環境極為不利。

圖2　銑削專用機床工作示意圖

新型組焊機采用組焊前腹板位置自動調整，焊接時多部位夾持，且夾持位置自動調整，位置控制精度可達±0.1 mm，焊接采用連續式埋弧自動焊進行組焊，由傳統的點焊改為小焊角連續焊接，焊接生產效率和組焊精度都有很大程度的提高。圖3為新型組焊機組工藝平面示意。

圖3　新型組焊機組平面示意圖

如圖3所示，其工藝過程如下：組焊所需要的下翼緣鋼板沿縱向運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；腹板存儲及遞送裝置橫向將水平放置腹板遞送到組焊中心線，腹板遞送裝置的翻轉機構將腹板翻轉至垂直狀態，并咬入夾持輥系（2）的引料立輥；上翼緣存儲及遞送裝置將上翼緣遞送至組焊中心線，并通過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；待組合件端頭和對齊裝置對齊后，夾持輥系（2）中腹板夾持輥啟動，自動焊（2）開始對組合件對角焊接，直至小焊角焊接完畢。出料導輥對焊接中和焊接后的H型鋼進行出料和導向，立輥裝置對腹板高度大于500 mm 的H型鋼進行導向。見圖4。

圖4　夾持輥系（2）中的一組夾持輥

該新型組焊設備（技術性能見表3）的特點是：可實現焊接前自動化拼板，較人工拼板節約了大量的輔助時間；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輥，且有同步控制系統，腹板夾持輥的輥縫調整精度為±0.1 mm，能夠有效的保證組焊精度；夾持輥系（1）和（2）中的成組夾持輥構成類封閉孔型[2]，避免了單一布置所帶來的H型鋼易于跑偏問題；夾持輥系（2）中的成組類封閉孔形，其輥縫調節采用液壓和電動相結合的方式，在組合件未對齊之前，液壓輥縫缸活塞收回，待組合件對齊之后，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　新型組焊機主要技術性能指標

為了達到分步焊接及中間時效的目的，將H型鋼設置為45°布置自動翻轉平臺，配合自動吐絲埋弧焊機進行焊接。工件一次調平后經一次自動翻轉，即可完成4道焊縫的焊接，根據工藝要求確定焊接道次。避免過大的焊接量造成焊接變形，這也是控制中間變形、降低冷矯負荷、提高成材率的關鍵措施。

該焊接平臺的特點：焊接過程中4道焊縫為對角焊接狀態，焊接過程中變形小；焊件的翻轉采用柔性可調節翻轉技術，能滿足不同規格焊件的無沖擊噪音翻轉。

冷矯設備是保證最終直線度的關鍵設備。若大規格非標規格的H型鋼按照輥式型材矯直的理念設計，則會存在設備龐大、工藝模具制備困難的缺陷[3]。當前普遍采用的方式為翼緣矯直方案，翼緣矯直方案結構參數小、投資低，但不能對被矯材進行斷面彎曲矯整，因此矯直精度提高受限，無法達到出口井架的要求[4]。該生產線創造性地提出了帶有液壓保護的整環節矯直方案，其主要特點為：形成一個完整的矯直環節，可對圖1中的后三類缺陷進行高精度的矯直；通過設置液壓保護裝置（安裝在1—6號立彎組合輥的壓進機構中），可安全地對前三類缺陷進行矯正；對于涵蓋圖1中兩種以上缺陷的非標H型鋼也可以實施一次性矯直；由于輥子布置方式對被矯H型鋼形成了類封閉型結構，可以很好的對H型鋼進行高精度的斷面矯形。圖5為冷矯設備的輥系結構。

圖5　冷矯設備的輥系結構

如圖5所示，序號3、4、5、6、7、8中的錐形輥在具備翼緣矯正功能的同時，可形成一個大的反彎環節，配合序號1和2對H型鋼進行一個反向的全長矯直；序號3、4、5、6、7、8中的立輥對H型鋼的另一個方向進行全長矯直，從而達到全方位矯整H型鋼的目的。

4　結語

該生產線于2013年7月投產，成品率均達到95%以上。運行情況表明，生產線工藝設置合理，自動化程度高，避免了人工參與對成品質量的影響，矯直前a、b、d型缺陷基本可以避免；組焊和冷矯設備的技術指標及產品質量均穩定，滿足了高精度焊接大型非標H型鋼的交貨要求。生產線中的冷矯方案可以為國內高精度焊接H型鋼生產廠家提供參考。

[1]中國重型機械工業協會.重型機械標準[M].昆明：云南科技出版社，2007.

[2]馬賓鋒，李輝，秦金，等.國產首套鋁及鋁合金十二輥型材矯整機[J].機械管理開發，2014（6）：14-16.

[3]曹燕.H型鋼輥式矯直機及矯直輥設計特點[J].冶金設備，2003 （6）：16-17.

[4]崔莆.矯直機械與矯直原理[M].北京：機械工業出版社，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，現從事管棒型材精整設備的研究和開發工作，高級工程師。