基于“先焊后彎”的船舶管系數字化信息化生產線設計與應用

韋 剛，李秀文，沙新明

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言

《推進船舶總裝建造智能化轉型行動計劃（2019—2021）》和《智能發展船舶行動計劃（2019—2021）》明確提出我國船舶行業應迅速提升船舶先進建造技術與裝備，逐步推進船舶建造信息化、數字化、智能化的轉型升級。

管子制作是船舶建造過程的重要環節，是影響船舶建造進度的重要因素之一。管子加工車間是船舶與海洋工程管子的生產加工車間，需要按照管系的設計和工藝要求，將原料管通過特定的工序進行加工，保證高效、及時地制作高質量管段。近年來，部分船舶建造企業管子加工車間在應用成組技術的基礎上，引進了自動彎管機、校管機、自動焊接機等設備，在一定程度上提高了管子的生產效率。但是，設備不成產線、工藝技術不配套、關鍵瓶頸問題沒有解決、生產流程不暢，導致管子的生產沒有流動起來，大部分船舶建造企業的管子加工車間仍處于傳統的托盤式生產制造模式，效率低，質量也得不到保證。

目前國內船舶管加工車間生產的管子種類很多，但相對較為集中的是直管-法蘭焊接數量最多，而空間彎管-法蘭焊接、規則支管-法蘭焊接、非規則支管-法蘭焊接數量較少，并且其中一部分又可以通過直管-法蘭焊接后得到的直管工件，再通過彎管機空間折彎加工而得到。但是由于我國大部分船舶建造企業的管子加工車間仍處于傳統的生產制造模式，沒有管子無余量下料和“先焊后彎”加工等先進工藝技術與裝備，精益化水平較低，產品與造船強國的先進制造技術相比有較大差距[1]。隨著國內船舶建造企業對于產品效率和質量的提升需求越來越迫切，建立面向數字化信息化制造的船舶與海工行業管子加工車間的先進技術與裝備的研究也愈發重要，研發和應用基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線具有重要的現實意義。

傳統的“先彎后焊”管子生產模式存在的弊端：一般采用“先彎后焊”的生產流程，也就是根據管子零件的加工圖，或者根據樣棒所提供的管子的各項參數，先在彎管機上將管子彎曲成形，然后在人工校管平臺上進行管子-法蘭的定位點焊。在根據管子零件加工圖或樣棒來確定直管段的下料長度時，還要考慮彎管時的誤差和回彈量，下料長度一般要放一定的工藝余量，管子在裝配時還需要進行二次切割，浪費原材料，降低生產效率。由于管子是空間彎曲的，無法在校管機上進行裝配，法蘭需要在彎曲管上進行人工裝配，校管效率低，質量差。法蘭的焊接也需要在彎曲管上進行，無法使用自動法蘭焊接機，只能通過手工方式進行焊接，工人施工條件差，勞動強度大，安全性差，生產效率低，焊接質量得不到保證。可見傳統的“先彎后焊”管子生產模式步驟多、加工工藝落后、無法使用自動化設備、工序重復、浪費材料、生產效率低下，而且各工藝步驟的累積誤差會直接影響管子的制作質量[2]，無法滿足管系生產流水線對生產效率和質量的要求，因此解決管系生產的重要瓶頸問題，對落后制作工藝技術和生產流程的變革，采用基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線是我國船廠管子生產工藝技術和流程再造的方向[3]。

1 基于“先焊后彎”新工藝的管系生產線的設計思路

針對傳統的“先彎后焊”管子生產技術模式和流程的不足，設計基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線，如圖1所示，解決管子“先焊后彎”關鍵工藝技術。

圖1 基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線布置圖

船舶管系生產線主要包括法蘭-套管組對裝焊一體機、上下料小車、自動數控彎管機、自動化排產、自動化物流輸送等先進工藝技術和裝備，由數字化信息化控制軟件進行設備和管系物料的管理和控制。

新工藝布局結合產量要求，進行生產工藝和流程的合理配置。一方面，考慮了自動化設備和物流輸送環節，確保生產線的柔性和多產品的適用性；另一方面，生產線的管理和控制軟件系統可以實現管系自動排產和任務自動調度，具有生產準備、生產管理、進度反饋、質量跟蹤等功能，實現管子的全生產周期管理。

2 基于“先焊后彎”的管系生產線工藝流程

如圖2所示，基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線的主要工藝流程為：

圖2 基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線示例[4]

1）管子首先通過MES管理系統自動排產，如果一部分管子切割完成后需要進行自動化對接焊，這部分管子就由物流輥道自動輸送到自動化對接焊接機的緩存平臺上，生產線控制系統將需要焊接的管子的各種相關生產信息及指令發送到自動對接焊設備的上位機上，進行管子的自動化對接焊接。

2）如果一部分管子切割完成后需要進行平法蘭或套管與管子的裝配，然后進行法蘭或套管與管子的角焊縫焊接，這部分管子則由物流輥道自動輸送到法蘭、套管組對裝焊一體機的緩存平臺上，生產線控制系統將管子的各種相關生產信息及指令自動發送到法蘭、套管組對焊接設備的上位機上。法蘭、套管和管子可以采用半自動、自動方式進行組對，實現自動化定位焊以及自動化法蘭、套管焊接。

3）管子和法蘭裝焊完成后，如果需要進行彎管，則這部分管子由物流輥道系統自動輸送到自動數控彎管機的緩存平臺上，生產線系統將管子的各種相關生產信息及指令自動發送到數控彎管機的上位機上，彎管機在操作人員的監控下，實現法蘭或套管焊接后的管子自動彎管。

基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線實現了人、控制系統和設備之間的互補與協作，集成了工藝數據流、加工信息流及物流系統，大幅減少人工數量，大幅提升設備在有效時間內的工作效率和原材料的利用率，其工藝方法的優點為：

1）法蘭或套管的裝焊是在直管時進行的，因此可以在水平狀態下操作，安全性好，勞動強度小，焊接效率高，有利于使用自動焊接或半自動焊接，提高管子的裝焊質量和生產效率。

2）可以實現管子無余量下料，通過定長一次下料切割可以減少管子加工工序，縮短工藝流程，大大提高管子生產效率，有效降低生產成本。

3）法蘭或套管與管子焊接后再進行彎管，管子制造質量的關鍵技術在于控制彎管精度，也就是控制兩端法蘭在管子彎曲成形后的空間相對位置，這需要進行大量的彎管試驗，積累不同管子生產廠家和管子規格的大量彎管數據，主要是彎曲成形力、管截面扁平化、最小彎曲半徑、起皺及彎管旋拉彎成形過程中的回彈量與成形缺陷等，其中最重要參數的是管子回彈量。

3 基于“先焊后彎”的管系數字化信息化的構建

數字化信息化的構建使用西門子WinCC組態軟件為核心，通信連接快速，開發高效，診斷和維護方便，與SIMATIC S7系列的PLC連接方便，并且提供廣泛的通信通道選件和附加功能件，方便實現非西門子PLC系統連接。數據記錄使用Microsoft SQL Server 2005作為組態數據和歸檔數據的存儲數據庫，可以使用多種數據訪問方法，方便訪問歸檔數據，還可以使用多種方法顯示數據，如趨勢曲線圖等，也可以導出到Excel文件中，還能進行采集、顯示和歸檔運行信息，并由過程數據狀態產生超過閾值的報警信息。過程歸檔功能具有強大的數據處理能力，并可以在歸檔管理中靈活控制歸檔的動作和內容，通過調用集成打印功能，可以實現所見即所得的打印輸出。

由于目前大部分的彎管機缺乏系統、全面的彎管工藝設計系統，彎管工藝參數的確定主要依靠操作人員的傳統經驗，造成彎管工藝文件的預見性和可繼承性差，指導性不強，因此需要通過大量的試驗來修正工藝文件。傳統彎管加工工藝設計中，由于存在著理論分析與實際加工情況的偏差，管材回彈、拉伸數據的獲取是在彎管測量機上通過樣件多次測量校正實現的，需要實現這類工藝參數的數字化支持，構建基于“先焊后彎”的管系數字化信息化的體系結構。該體系分為用戶界面層，事務處理、控制、通信、應用層和數據處理層等3層實施，實現彎管的設計制造一體化，完成彎管數字化制造的信息共享和交換，提高彎管的加工質量和數控彎管機的加工效率，滿足精度造船和現代造船模式對船舶管系的制作要求。

構建基于“先焊后彎”的管系數字化信息化的體系結構，主要研發數字化彎管系統的總體集成模式與體系結構、功能設計、運行設計等，通過對數字化彎管系統總體規劃設計，研究彎管三維建模與展開技術，研究彎管的快速建模和彎管的理論展開與修正展開技術，研究增量彎管程序的編制與管形檢測修正技術，研究修正增量管形數據得到增量彎管程序的方法，研究數控彎管知識庫和功能模型等。

4 基于“先焊后彎”的管系管系數字化信息化生產線的應用

2020年8月，招商局重工（江蘇）有限公司基本建成了基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線，并進行試生產應用，已生產“先焊后彎”管子約5 000根，經測算與原先傳統的“先彎后焊”管子生產相比，生產效率提升約50%，質量提升約40%，數控彎管的精度與理論線形相比達到±1 mm，滿足管系生產流水線對生產效率和質量的要求，為公司降低直接和間接成本數十萬元。圖3為“先焊后彎”自動化數控彎管機，圖4為“先焊后彎”管子小票示意圖。

圖3 “先焊后彎”自動化數控彎管機

圖4 “先焊后彎”管子小票示意圖

5 結論

本文設計基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數字化信息化生產線，可以實現法蘭和管子在直管狀態下自動裝配和焊接，然后使用自動彎管機進行空間折彎，集成了法蘭或套管與管子的組對裝焊一體機、上下料小車、自動數控彎管機、自動化排產、自動化物流輸送等先進工藝技術和裝備，由數字化信息化控制軟件進行設備和管系物料的管理和控制，實現法蘭或套管與管子的自動化定位和裝配、法蘭或套管與管子的自動化焊接、帶法蘭或套管的管子的自動化數控彎管。通過大量的彎管試驗，積累不同管子生產廠家和管子規格的大量彎管數據，攻克“先焊后彎”核心工藝技術難題，實現管子無余量下料（定長一次切割），減少管子加工工序，縮短工藝流程，有效降低生產成本，大大提高管子的裝焊質量和生產效率，是我國船廠管子生產工藝技術和流程再造的方向，具有廣闊的應用前景，對提升我國船舶先進建造技術與裝備、推進船舶建造信息化、數字化、智能化的轉型升級具有重要的參考價值。