管道預(yù)制智能化的思考和實踐

廉 江

中石化南京工程有限公司 江蘇南京 211100

最近10 年來，隨著石油、石化、化工、海工項目蓬勃發(fā)展，工藝管道預(yù)制施工逐漸成為石油化工建設(shè)中的核心工作之一。尤其是在海外項目中，管道預(yù)制廠的建設(shè)與推廣在降低運營成本、增強市場競爭能力、拓展業(yè)務(wù)模式、提高業(yè)務(wù)收入及利潤水平、規(guī)避政策風(fēng)險等方面發(fā)揮了越來越重要的作用。許多實例證明，加強管道施工的預(yù)制水平和預(yù)制深度，是提高管道施工質(zhì)量/ 速度、降低施工成本，以及保障項目順利完成的重要途徑[1]。

1 管道預(yù)制智能化的瓶頸

目前，在以工藝管道為核心任務(wù)的工程建設(shè)項目中，各大型石油化工施工企業(yè)已經(jīng)認可并在實際施工中采取了車間預(yù)制+ 現(xiàn)場安裝的模式，同時普遍認為提升工廠化預(yù)制深度是提升質(zhì)量、效率和縮短工期的重要手段，也是未來發(fā)展的大趨勢。但在現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，以下幾個方面直接或間接地制約著管道預(yù)制智能化的實施。

（1）自動氬弧焊打底的質(zhì)量和效率問題制約著管道預(yù)制的成本。采用傳統(tǒng)的單一埋弧焊填充蓋面焊接功能，在管道預(yù)制中僅在大直徑厚壁管道上有明顯優(yōu)勢，沒有實現(xiàn)相對手工焊預(yù)制全部管徑、壁厚范圍上的成本優(yōu)勢。

（2）符合智能化要求的設(shè)備價格相對較貴。

（3）管道預(yù)制在管理和實施方面缺乏技術(shù)和人員，成熟的技術(shù)人員尤其短缺。

（4）管道預(yù)制的實施受到業(yè)主材料供應(yīng)和設(shè)計院圖紙?zhí)峁┑男屎推ヅ湫杂绊戄^大。

（5）大多數(shù)施工企業(yè)忽視小管徑管道自動化預(yù)制的重要性，片面地認為提升大管徑焊接效率是管道預(yù)制的關(guān)鍵。

（6）自動化設(shè)備制造商迎合客戶追求低成本的喜好，一味降低成本，忽視客戶的根本需求。

2 工藝管道智能制造的實施方案

采用高效的自動焊可以提高焊接效率和質(zhì)量，并在一定程度上實現(xiàn)普工替代高技能焊工，從而降低加工成本。優(yōu)質(zhì)、高效、低成本是管道預(yù)制的根本，也是工藝管道智能制造實施方案的基本前提。總結(jié)起來，以下三點是在推廣工藝管道智能制造時必須具備的條件：

（1）對管道預(yù)制與安裝的根本目標(biāo)“優(yōu)質(zhì)、高效、低成本”具有深刻認識；

（2）已經(jīng)掌握創(chuàng)新工藝、裝備、軟件和成功應(yīng)用經(jīng)驗；

（3）對“精益高效生產(chǎn)”理論的實踐應(yīng)用、深刻理解及總結(jié)改進。

3 工藝管道智能制造的工藝流程

工藝管道智能制造流程圖見圖1。

圖1 工藝管道智能制造流程圖

4 工藝管道智能制造需要解決的問題

（1）解決核心焊接工藝難題：氬弧焊自動打底焊接工藝；

（2）解決普工替代高技能焊工難題；

（3）解決“管道精益高效生產(chǎn)”效率問題；

（4）實現(xiàn)從自動拆圖、備料、自動下料、精密高效開坡口、高效組對、智能焊接的全過程“智能管理”新模式；

（5）解決設(shè)備級信息化管控問題，實現(xiàn)專家參數(shù)調(diào)用、設(shè)備故障報警、設(shè)備維保管控、材料消耗、耗品累積、用電累積、產(chǎn)能累積、生成日報表、周報表、月報表等專家信息化數(shù)據(jù)庫。

5 管道預(yù)制智能制造的設(shè)備配置

管道預(yù)制智造設(shè)備配置包括七個方面，具體如圖2所示。

圖2 管道預(yù)制智能制造生產(chǎn)線配置

5.1 拆圖軟件與管理

目前，市場上存在兩種情況：一是國外項目，往往海外終端用戶會提供IDF 或PCF 等格式的電子設(shè)計版圖紙，這樣處理比較簡單，只需要將該格式的圖紙直接導(dǎo)入軟件中轉(zhuǎn)化即可，只需進行預(yù)制口和安裝口的拆圖標(biāo)定，最終軟件自動生成單線圖和管段圖、統(tǒng)計材料表和管件表，為后續(xù)精藝智能生產(chǎn)提供保障。這種拆圖原則為“預(yù)制先行、安裝輔助”。

二是國內(nèi)工程，設(shè)計公司只提供紙板圖紙，這就比較麻煩，需要在軟件上重建模型。但好在目前已有功能強大的軟件，通過數(shù)據(jù)建模，模型重建非常快，模型建造過程中直接標(biāo)定預(yù)制口和安裝口，后續(xù)圖紙和表單都自動生成。如圖3 所示。

圖3 3D管道設(shè)計圖紙

目前，中石化南京工程有限公司采用Spoolgen 軟件對單線圖到管段圖的轉(zhuǎn)化進行自動設(shè)計和生成，減少手工錯誤，提升了拆圖效率；材料管理系統(tǒng)采用SPM，以此控制和管理材料，進行全單線圖配料，實時掌握材料狀態(tài)和缺口；焊接過程中采用自主研發(fā)的焊接控制系統(tǒng)WMS，對焊接全過程進行控制；使用二維碼掃描對焊工、管道進行精準定位和控制，提升了產(chǎn)品質(zhì)量控制和智能化的管段預(yù)制控制。見圖4 和圖5。

圖4 控制效果欠佳的生產(chǎn)

圖5 有效控制的管道預(yù)制生產(chǎn)

5.2 智能化下料

管道智能下料在管徑24inch 范圍內(nèi)分兩種規(guī)格：一是2～14inch 中小管徑，采用國際領(lǐng)先的高效切斷與坡口一體化精密坡口一體機，一次下料自動完成兩個坡口，管子壁厚最厚可達25mm，實現(xiàn)自動上料、定長、切斷與開坡口，以及出料、下料等功能，DN200 sch40 的管子一次切斷二個坡口2min 內(nèi)完成。

二是8～24inch 的大管徑、大壁厚的管道下料，采用國際領(lǐng)先的高效自動上料、定長、高速鋸床切斷、數(shù)控高效端面坡口機精密的坡口加工方式，能夠完成U型、V 型、雙V 型、X 型、內(nèi)鏜等精密坡口形式的智能化一鍵高效加工，最厚能夠完成100mm 壁厚范圍內(nèi)的管道加工。

5.3 自動物流

在管道預(yù)制中，采用兩種自動物流：一是下料后的物流；二是組對后的物流。前者采用輥道方式進行，將坡口加工完成后的管子通過自動物流輸送到相應(yīng)工位的緩存區(qū)，物流線自動實現(xiàn)分配、物流、下料、物料召喚、料滿報警燈功能。

組對后的管子因長短不一、管徑大小不同，采用半龍門吊、懸臂吊、行車方式完成轉(zhuǎn)運。未來可輔以具備縱橫向轉(zhuǎn)換的RGV 智能物流小車進行物流轉(zhuǎn)運。

5.4 高效快速組對

高效快速速組對工裝能夠?qū)崿F(xiàn)管子與法蘭、彎頭、三通等管件的快速組對功能，并且保證管子與管件的相對位置符合要求?？筛鶕?jù)要求設(shè)計成單頭組對或雙頭多功能快速組對，其中雙頭組對工裝可輕松快速完成管子兩端管件有相對位置要求的工件組對工作。圖6 為多功能快速組對示意圖。

圖6 多功能快速組對示意圖

5.5 高效多工藝自動焊接中心

焊接作為管道預(yù)制智能制造的關(guān)鍵，實現(xiàn)1G 位置氬弧焊自動打底單面焊雙面成型焊接為管道智能制造中的核心。為此，引進了高效多工藝自動焊接中心，其自然間隙組對狀況下最大錯邊量≤1.5mm，預(yù)留2～3mm 間隙狀態(tài)下最大錯邊量≤3mm。

每個焊接系統(tǒng)上實現(xiàn)氬弧焊、H- TIG 熱絲氬弧焊自動打底，MAG/ SAW/ 熱絲TIG 焊填充蓋面的多工藝覆蓋。多工藝上實現(xiàn)極性和焊槍的快速切換，將單套設(shè)備的預(yù)制效率提升到150～300DI（包括高效自動打底時間統(tǒng)計），適用于普通碳鋼以及對線能量輸入嚴格的不銹鋼、合金鋼和雙相鋼等管道預(yù)制的所有材質(zhì)，真正解決了普工替代高技能焊工，以及降低成本和提高自動焊覆蓋率的目的。高效多工藝自動能焊接中心系統(tǒng)見圖7。

圖7 高效多工藝自動焊接中心系統(tǒng)圖

驅(qū)動機構(gòu)采用管鉗（U 型變位機）為主要回轉(zhuǎn)工裝，適用于兩端和中間具備三通的管件/ 直管/ 三通/ 管件的復(fù)雜管道預(yù)制形式，管鉗中間開U 型卡盤便于管道從上而下放入。由于焊縫位置永遠靠近管鉗旋轉(zhuǎn)動力盤附近，很好地解決了管道旋轉(zhuǎn)過程中的軸向竄動和徑向跳動。旋轉(zhuǎn)采用交流伺服電機控制，控制精度高，反應(yīng)速度快，夾緊也采用交流伺服電機控制夾緊。管鉗（U 型變位機）應(yīng)用見圖8 所示。

圖8 管鉗（U型變位機）應(yīng)用

5.6 全位置自動焊接系統(tǒng)

全位置焊接也叫固定口焊接，是采用機器夾持在管道上，焊槍旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)5G、6G 位置的一種自動焊接方法。其過程相當(dāng)復(fù)雜，焊接參數(shù)范圍窄，組對要求高，其熔池在整個焊接過程中受到三種力：重力、表面張力和電弧吹力，但在不同的焊接位置只有重力方向相同，其它兩種力的方向始終在變化。所以全位置焊接過程中受力很復(fù)雜，在不同的位置需要分成若干個區(qū)間來設(shè)置不同的焊接參數(shù)，以滿足焊接要求。焊接過程中熔池受力情況如圖9 所示。

圖9 全位置熔池受力

中石化南京工程有限公司采用的全位置自動焊接系統(tǒng)目前可實現(xiàn)2～12inch 管道的自動焊接，如圖10所示。此技術(shù)和裝備的應(yīng)用，有助于解決工廠預(yù)制中為提高預(yù)制深度時涉及到5G、6G 位置焊接，在普通壁厚條件下較手工焊可提升效率2 倍以上。

5.7 設(shè)備信息化群控系統(tǒng)

通過焊接信息化系統(tǒng)將生產(chǎn)線上所有設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機，形成設(shè)備級物聯(lián)網(wǎng)，并實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和生產(chǎn)過程信息透明化、可視化。

5.7.1 生產(chǎn)監(jiān)控

解決生產(chǎn)線設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控和維護保養(yǎng)提示，并實現(xiàn)參數(shù)管理(焊接專家參數(shù)庫調(diào)用)及監(jiān)控。

5.7.2 透明化

信息化系統(tǒng)將統(tǒng)計各個工位設(shè)備的產(chǎn)量信息，集中監(jiān)控各個工件使用的參數(shù)信息，以及統(tǒng)計各個工件使用的焊絲/ 氣體/ 功耗的信息，將整個設(shè)備狀況完全透明化。

5.7.3 可視化

信息化系統(tǒng)將各個工位設(shè)置“可視化”終端，可實時顯示當(dāng)前工位工作內(nèi)容及相應(yīng)信息，設(shè)置焊接區(qū)域的軟件數(shù)據(jù)庫，實時記錄每個工件的焊接工藝參數(shù)及操作人員等相關(guān)信息，便于今后做質(zhì)量跟蹤。

5.7.4 遠程服務(wù)

信息化實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程服務(wù)，讓使用者簡單操作，遠程后臺服務(wù)實現(xiàn)零距離服務(wù)。

6 結(jié)語

在管道預(yù)制中圍繞實現(xiàn)“自動化打底技術(shù)”提出管道預(yù)制智能制造的方案，通過在全生命周期中的各個工序所需要的智能化設(shè)備的應(yīng)用、數(shù)字化及信息化管理，有助于進一步發(fā)揮管道預(yù)制工作低成本、高質(zhì)量和高效益等優(yōu)勢。