淺述自動焊接樁腿專機在海洋鉆井平臺建造中的應用

林鳳杰

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000）

·探討與創新·

淺述自動焊接樁腿專機在海洋鉆井平臺建造中的應用

林鳳杰

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000）

結合我國鋼鐵行業產能過剩和鋼筋加工配送中心發展緩慢的現狀，提出在棒線材軋鋼廠建設鋼筋加工配送中心的設想，闡述了這個設想的做法和論證了鋼筋加工配送中心是棒線材軋鋼廠新的利潤增長點。

自動焊接專機；埋弧焊接；焊劑回收

自動焊接樁腿專機，是為自升式鉆井平臺樁腿裝配焊接成型設計的專用焊接生產線，是平臺樁腿建造的核心設備。

樁腿自動焊接生產線，通過將半舷管和齒條板組對夾緊并運用埋弧和加溫工藝焊接成型，全過程溫度、精度要求較高。主舷管單根長度約為8～12 m，主舷管焊接完成后，通過樁腿組立工裝，將主舷管裝配成三角桁架結構的分段組塊，再通過吊裝工藝，組成高度300～500英尺的自升式平臺變速齒輪箱鏈齒兼作受力腿。主打400英尺自升式平臺共需長度12 m左右的主舷管約156根。樁腿建造質量的好壞，決定著自升式平臺在海上作業環境的工作穩定性和抗波噪浪涌能力。

單根主舷管建造過程中，為減少焊接后工件的撓度變形、主齒條板與雙半舷管采用上兩組焊縫對稱焊接、下兩組焊縫對稱焊接、上下焊縫交替翻轉焊接的工藝方案。

將初步打底的半舷管和齒條板放置于專用夾持翻轉機上，通過雙側埋弧焊機頭的焊臂在機架上依靠橫移滑塊和豎向滑塊作X Y軸伺服運動，配用激光位移傳感器，使機頭上的焊嘴能夠自動精準對接焊縫。焊槍焊嘴位置設有手動微調裝置，便于微調。焊接系統通過操作臺車、懸臂梁焊臂、焊接電源組成的操作機變頻調速，在鋼軌上作縱向直線行走，可全過程自動焊接回轉，并通過焊劑回收系統，將埋弧焊接過程的焊劑進行送料和回收保溫，重復利用。

設備現場安裝施工時，為滿足焊接中心距地面950mm的高度，樁腿定位裝置、樁腿變位機均安裝到深690mm的地坑里面。

一、技術說明

1.技術參數（表1）

表1

2.主要結構

該焊接設備由焊接操作機、定位裝置（包括一組升降托架1和兩組升降托架2）、變位機、路軌、焊接電源、懸掛式焊接機頭、焊劑回收系統、控制系統等組成。如圖1所示。

圖1 樁腿焊接專機示意圖

（1）焊接操作機

該焊接操作機是采用臺車行走方式進行焊接，為保證焊接的穩定性，焊接操作機安放在經精加工后的軌道上運行，在操作機橫臂梁上安裝有兩個可升降的升降臂，兩套懸掛式埋弧焊機頭分別安裝在兩個升降臂的下端，可隨升降臂升降調整高低位置，特制的焊接扁槍安裝在電動十字拖板上，可調節焊槍左右位置和高低位置使其對準焊縫，由焊接操作機的臺車移動進行工件的縱縫焊接。

操作機的橫梁上安裝有直線導軌及齒條，兩套垂直升降焊臂安裝在橫梁移動滑板上，移動滑板可在操作機橫梁上作左右移動。升降臂分別由驅動電機、直線導軌、齒條等組成。電機驅動齒輪帶動升降立臂做垂直移動。升降機構采用恒速驅動。

焊槍上下/左右的電動拖板，采用普通直流電機驅動，行程上下100mm、左右100mm。

臺車行走導軌采用精加工的專用導軌，驅動系統直接驅動臺車滾輪。臺車滾輪為翻邊結構，兼并導向功能。臺車采用交流伺服電機驅動，速度無級可調，快速為回程速度。

（2）定位夾緊機構

每套定位裝置分為3組，包括一組升降托架1和兩組升降托架2，在裝夾工件前，根據工件長度，人工調節三組裝置的相對位置，并通過手動鎖緊裝置手動鎖緊。支撐面的高度在放置工件前用升降裝置升降到位。支撐架表面手動微調的墊板，微調量不大于5mm。三組定位裝置支撐面的相對平面度由操作工人在放置工件前找平。

定位裝置的定位塊安裝位置根據主舷管厚度調節，使主舷管中心與標尺0刻度線盡量重合，以減小靠夾緊機構對中的距離,以延長設備的使用壽命。放置工件時，盡量讓工件靠緊定位塊，再控制夾緊機構夾緊工件。

（3）翻轉變位機

該設備為頭尾式升降變位機。在裝夾和焊接工件時，變位機退到安全距離。當工件需要翻轉時，變位機頭尾座才移動到工件兩端，通過人工操作裝夾工裝上的手輪旋轉絲桿將工件裝夾到位后，方可松開定位裝置中的液壓夾緊機構，變位機帶動工件上升到最高位置，對工件進行翻轉，再將工件降到定位裝置的支撐面上，待定位裝置中的液壓夾緊機構裝夾到位后，松開對工件的夾持，讓變位機退到安全距離。

二、控制系統原理

本設備控制系統包含焊接控制、定位翻轉控制和臺車行走伺服控制等組成。

其中臺車行走伺服控制系統由變頻器和伺服電機、伺服驅動器部分組成，伺服控制可實現勻速無振動行走并長時間保持焊接過程的穩定性，提高焊接質量。

通過與林肯NA-5全自動控制系統協同，可實現固態電路精確控制焊接工藝，引弧特性、焊接開始和停止、焊縫尺寸和外形、電弧穩定，降低焊接成本。提高生產率，提高熔敷率，焊接速度快、消除生產瓶頸。重復焊接成本低，鎖定焊絲位置調節，使用按鈕實現焊接質量一致性生產。操作多樣化，焊接程序、送絲速度、焊絲尺寸、焊接參數和方法可在寬廣范圍內調節。

翻轉定位控制系統通過使用變頻器控制液壓泵站和翻轉機構電機動作，實現液壓缸注油速度穩定性和夾緊持久性。在單根主舷管重量重達12t的前提下，仍能實現180°的平穩翻轉和定位夾緊，并保持焊接過程的定位穩定性，減少由于外力導致的撓度變形，保持焊道的一致性，提高焊接質量。

三、優點特性

1.自動埋弧焊接系統

自動埋弧焊接系統通過林肯NA-5全自動埋弧焊接技術，于伺服驅動的X Y軸懸臂焊槍系統，集合操作機臺車的Z軸行走系統，可實現半舷管與齒條板雙縫的全方位三維自動激光掃描焊接。

通過計時裝置自動控制焊絲回燒回軸時間；

行走開關控制焊接時行走機構自動行走即停止、不焊接時進行系統設置的行走及步行走；

根據應用場合調節焊接參數和行走程序獲得最佳的起弧、焊接和收弧功能；

焊接時送絲速度不同的起弧送絲速度確保最佳的引弧性能；

帶預設置功能的啟動模塊選配件能在焊接開始的一段時間內控制熔深、焊縫尺寸和其他；

送絲速度和電弧電壓能在焊接前或焊接過程中設定；

電壓波動、送絲力、電源負載和環境變化、產生壓降，送死速度和電弧電壓均能保持不變；

行走機構既可當停止按鈕按下、息弧時、也可在收弧或回燒結束時停止行走；

可調延時計時器在焊接結束時，控制焊絲的回燒以防止弧坑粘絲。可將焊絲從弧坑中回抽以利于裝卸或將焊絲頭去渣以便再次起弧。

電壓偏離預設置值，會自動關閉。

2.定位夾緊系統

定位夾緊系統可提供3～5T的液壓夾緊力。當齒條板和主舷管通過專用夾持工裝吊裝到位后，液壓夾緊裝置以0.5m/min的速度行使夾緊動作。當單側雙縫埋弧焊道焊接填充完成后，定位夾緊機構撤離，變位機動作。通過變位翻轉機構實現主舷管整體的180°翻轉，夾緊裝置再次夾緊動作，操作機進行對側的雙縫埋弧焊道填充焊接作業。

定位夾緊系統替代傳統的車間行吊吊裝工藝，具有占用空間小，安全系數高、人員操作方便，焊接成型穩定性高，撓度系數低等優點。

3. 變位翻轉系統

本設備通過2組翻轉機構和夾持工裝，實現8～12t主舷管整體翻轉。翻轉機構通過變頻調速，通過齒輪變速實現對大載重量鋼結構件的勻速翻轉。翻轉機兩側有激光定位，當定位夾持系統松開主舷管后，翻轉機構會從兩側勻速向齒條板對角行進，同步進行夾持，并配有手動蝸輪蝸桿，增強翻轉前夾緊的阻尼系數。夾緊工序完成后，變位機會自動按照設定的程序，勻速將主舷管半成品旋轉180°，并放置到定位夾緊工位上。定位機在此動作夾緊，焊接操作機進行另外一側的雙縫埋弧焊接。

本設備的變位翻轉系統，完全取代傳統的吊裝翻轉工藝，翻轉速度快，穩定性好，翻轉后無需移位即可快速進行定位夾緊和埋弧焊接工序。安全系數高，只需操作人員遙控即可實現全程的自動動作。降低了吊裝的作業風險，翻轉速度是傳統工藝的5～8倍。

四、結語

中集來福士海洋工程有限公司作為國內第一批入選“海工行業白名單”的海工制造企業，目前擁有2套全自動樁腿焊接專機生產線。自投入以來，每年的主舷管建造產能可達880～1000根左右，可同時滿足5條400英尺的自升式平臺的樁腿建造需求。通過將制造技術自動化、智能化，不僅大大降低事故發生率，提升建造速度，還可以提升產品的質量，贏得客戶的認可。公司目前已為大連造船廠、新加坡吉寶、外高橋、中遠川崎等知名海工客戶提供樁腿建造服務。隨著科技的發展，智能化海工建造業將會插上科技的翅膀，為中國制造業在國際上贏得更廣泛的聲譽和影響力。

[1]埋弧焊的推薦坡口[S].GB/T985.2-2008.

[2]埋弧焊用不銹鋼焊絲和焊劑[S].GB/T17854-1999.

[3]自升式平臺樁腿用鋼板[S].GB/T31945-2015.

[4]自升式海洋平臺齒條式樁腿鎖緊裝置[S].GB/T32079-2015.

[5]ABS材料與焊接規范[S].2008.

[6]CCS海上移動式平臺入級及建造規范[M].北京：人民交通出版社.2005.

[7]林肯NA-5全自動焊接系統說明書[Z].

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1671-0711（2016）05-0041-03