核電站管道自動化預(yù)制生產(chǎn)線的設(shè)計與實施

朱若愚，扈曉剛，劉轉(zhuǎn)超，陳廣

中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

1 序言

核島安裝中輔助管道規(guī)格尺寸多，走向復(fù)雜，部件種類不一，分布位置不同，這對于管道生產(chǎn)而言是個巨大的挑戰(zhàn)，在各個指標(biāo)要求不同的情況下容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，也難以實現(xiàn)自動化和批量化生產(chǎn)，從而導(dǎo)致核島安裝管道預(yù)制的生產(chǎn)效率難以提升。

目前，國內(nèi)核電安裝輔助管道預(yù)制中主要是傳統(tǒng)手工配合傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)手工操作，數(shù)字化設(shè)備的加入為實現(xiàn)管道自動化生產(chǎn)線落地提供了重要物資條件。

通過對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行深入分析，對生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，選擇合適的數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)線的搭建，形成一套集上料、定尺、切割、坡口加工、運(yùn)送、標(biāo)識及焊接等操作的自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)各工序操作自動化。自動化生產(chǎn)線的形成可有效降低勞動強(qiáng)度與錯誤發(fā)生率，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

2 研究前景

未來幾年，國內(nèi)核電建設(shè)將邁入高峰期，傳統(tǒng)的手工操作人員培養(yǎng)周期長、施工效率低、勞動強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性受人為因素干擾大[1]，越發(fā)不能滿足核電建設(shè)快速發(fā)展的需求。因此，核電工藝管道的預(yù)制日趨走向工廠化，管道預(yù)制加工廠應(yīng)運(yùn)而生，以滿足市場需求，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展。

核電管道產(chǎn)品，生產(chǎn)加工精度高、批量大、材質(zhì)特殊，并且厚壁管較多，因而對加工設(shè)備的性能有更高的要求。此外，有些項目往往遇到管道工作量大、管道施工周期短的問題，利用車間現(xiàn)有資源和設(shè)備無法在業(yè)主要求的時間內(nèi)完成，因此有必要采用先進(jìn)、高效、智能的下料設(shè)備滿足管道預(yù)制中的下料工序。采用先進(jìn)高效的自動生產(chǎn)線，可以利用目前現(xiàn)有的人員，不僅能有效控制人工成本，還可保證加工質(zhì)量和效率[2]。

3 研究目的

為改變核電站管道預(yù)制長期的純?nèi)斯げ僮鳌⑹苋藛T能力水平影響大，以及效率提升困難的現(xiàn)狀，本項目將針對核電站管道自動化預(yù)制進(jìn)行研究，通過對產(chǎn)品進(jìn)行分析，對生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，選擇合適的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)線的搭建，對生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行效率及生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行全方面評估，對新模式下的生產(chǎn)方式進(jìn)行深入研究，對關(guān)鍵的自動焊工藝進(jìn)行研究，最終形成一條較成熟的核電站管道自動化預(yù)制生產(chǎn)線，并掌握成套技術(shù)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)在核電站管道預(yù)制應(yīng)用中的突破。

4 生產(chǎn)線設(shè)計思路

根據(jù)核電站管道預(yù)制管徑范圍，在D N65～400mm之間的管道占比90%以上，因此按照能覆蓋此類管道范圍來制定合理的工藝流程、選取合適的設(shè)備，在比較經(jīng)濟(jì)的情況下實現(xiàn)管道預(yù)制自動化程度最大化。在焊接方式上，按照核電的保守策略，選用成熟的氬弧焊方法。

擬定的工藝流程布置如圖1所示。

圖1 工藝流程布置

5 自動化生產(chǎn)線布局

利用車間場地情況，良好的設(shè)備布局方可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線功能。該生產(chǎn)線為實現(xiàn)上料定尺、切割下料、坡口加工、組對、焊接及標(biāo)識標(biāo)記一體化，實現(xiàn)生產(chǎn)線批量化生產(chǎn)，就必須實現(xiàn)工序流水化、施工標(biāo)準(zhǔn)化。

設(shè)備布局原則如下。

1）利用現(xiàn)有車間空間，不可有空間浪費(fèi)。

2）滿足施工邏輯，按照施工工序進(jìn)行排布。

3）設(shè)備配置數(shù)量合理，滿足連續(xù)作業(yè)需求。

4）操作簡易化，節(jié)約操作人員數(shù)量。

按照以上布局原則，規(guī)劃布置的自動化生產(chǎn)線如圖2所示。

圖2 自動化生產(chǎn)線分布示意

根據(jù)自動化生產(chǎn)線的合理布局規(guī)劃，實際設(shè)備安裝嚴(yán)格按照規(guī)劃進(jìn)行。該自動化生產(chǎn)線可實現(xiàn)原材料上料、自動化運(yùn)輸至高速鋸床、根據(jù)圖樣信息自動定長下料、自動化運(yùn)輸至坡口機(jī)工位。坡口機(jī)根據(jù)圖樣和設(shè)計文件要求自動開坡口，自動退出坡口機(jī)并轉(zhuǎn)移至組對工位，完成組對后通過自動焊進(jìn)行焊接，對焊接完成的接頭進(jìn)行激光標(biāo)記。

6 設(shè)備選用及布置

為實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線設(shè)計功能，需按照設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行設(shè)備選型。

（1）管子數(shù)控切割坡口系統(tǒng)（適應(yīng)管徑：DN50～400mm）配置如下：①管道數(shù)控切割帶鋸床1臺。②管道切割數(shù)控定長系統(tǒng)1套。③管道數(shù)控端面坡口機(jī)1臺（CNC全數(shù)控）。④管道縱向物流輸送系統(tǒng)2套（帶鋸床進(jìn)料、出料）。⑤管道縱向物流輸送系統(tǒng)1套（坡口機(jī)）。

切割坡口工序設(shè)備布置如圖3所示。

圖3 切割坡口工序設(shè)備布置

（2）管段組對焊接系統(tǒng) 配置如下。

1）管道預(yù)制機(jī)械組對中心1臺，典型設(shè)備如圖4所示，每個機(jī)頭均能實現(xiàn)管-管、管-法蘭、管-彎頭、管-三通、管大小頭的機(jī)械快速組對，提高管子與法蘭、彎頭、三通的組對效率與質(zhì)量（包含2臺多功能組對機(jī)頭、2臺支撐小車、1套軌道）。

圖4 管段組對

2）懸臂式管道自動焊機(jī)2臺（適應(yīng)管徑：DN50～400mm）：包括1臺卡盤驅(qū)動、1臺分體式壓緊驅(qū)動、1臺懸臂式焊接主機(jī)、焊接電源（TIG、MIG焊接）、支撐小車＋配套軌道。典型設(shè)備如圖5所示。

圖5 懸臂式管道自動焊設(shè)備

3）全位置管道自動焊機(jī)1臺（氬弧焊，適用φ88.9～φ273mm），對于復(fù)雜型管段及懸臂式自動焊后相接的管段焊縫，管道不易于轉(zhuǎn)動，采用全位置管道自動焊機(jī)焊接，典型設(shè)備如圖6所示。

圖6 全位置管道自動焊設(shè)備

（3）在線標(biāo)識設(shè)備 配置如下：懸臂式光纖激光打標(biāo)機(jī)2臺，1臺用于切割工位的材料信息標(biāo)識，1臺用于焊接工位的管段及接頭信息標(biāo)識。

7 自動化生產(chǎn)線工藝流程

自動化生產(chǎn)線工藝流程主要包括以下8個方面：

1）原料上料：使用桁車從原材料上料架橫移至鋸床縱向輸送系統(tǒng)。

2）數(shù)控定長：在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入需要切割的長度，齒輪齒條+導(dǎo)軌+伺服電動機(jī)+數(shù)控系統(tǒng)自動定長小車自動行走至準(zhǔn)確位置，完成定長工作。

3）啟動切割：根據(jù)定長系統(tǒng)內(nèi)已設(shè)置好的切割長度，進(jìn)行高速切割。

4）橫向平移：使用桁車將切割完成的管子移到坡口加工工位。

5）坡口加工：根據(jù)坡口要求，在CNC數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置的坡口形式，操作設(shè)備完成各類坡口形狀的加工。

6）管道轉(zhuǎn)運(yùn)：通過桁車或移動存儲小車轉(zhuǎn)運(yùn)。

7）組對標(biāo)識：使用管道預(yù)制機(jī)械組對中心，實現(xiàn)管-管、管-法蘭、管-彎頭、管-三通、管大小頭的機(jī)械快速組對，并對產(chǎn)品和坡口進(jìn)行標(biāo)識。

8）自動焊接：多數(shù)接頭采用懸臂式管道自動焊機(jī)進(jìn)行TIG自動焊，少量接頭采用全位置管道自動焊機(jī)進(jìn)行TIG自動焊，并采用移動式懸臂光纖激光打標(biāo)機(jī)、曲面打標(biāo)機(jī)實現(xiàn)接頭標(biāo)識。

8 生產(chǎn)線實際應(yīng)用情況分析

8.1 施工效率分析

現(xiàn)場針對一批相同規(guī)格的核級產(chǎn)品，分別采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方法和自動化生產(chǎn)線兩種方式開展效率對比分析，主要包括管道切割下料、坡口加工、組對及焊接等方面，分析使用自動化生產(chǎn)線后效率的提升情況，見表1。

表1 生產(chǎn)線效率情況

根據(jù)對傳統(tǒng)生產(chǎn)方法和自動化生產(chǎn)線針對相同核級產(chǎn)品的生產(chǎn)耗時統(tǒng)計結(jié)果，生產(chǎn)效率可達(dá)到20%以上，并且對規(guī)格較大的產(chǎn)品，生產(chǎn)效率提升更為明顯。

自動化焊接設(shè)備主要用于管道對接焊縫，與傳統(tǒng)工藝相比，可以使用全氬焊接，對比氬電聯(lián)焊來說，可以省去層間清理以及最終焊縫打磨試件等工序。如傳統(tǒng)工藝焊接φ273mm×21.4mm，從焊接開始至焊縫表面打磨完成，需資深熟練工人2人，共16個工時，而采用自動化焊接設(shè)備焊接同樣的規(guī)格，焊接完成需16個工時，相當(dāng)于焊接過程效率提高了50%。

8.2 焊接合格率分析

自動焊設(shè)備在生產(chǎn)線中的應(yīng)用，不僅提高了焊接效率，同時降低了對核級焊工的需求，緩解了核級焊工不足的現(xiàn)狀。短時間內(nèi)可培養(yǎng)的自動焊操作工，使用自動焊設(shè)備也可保障較高的產(chǎn)品合格率。收集了近一年自動化生產(chǎn)線設(shè)備的焊接合格率和手工對接焊的合格率，其中手工焊的合格率為98.64%，自動焊的合格率為98.83%。自動化生產(chǎn)線使用的自動焊設(shè)備整體合格率較手工焊略有提升，可證明自動焊設(shè)備可保障產(chǎn)品質(zhì)量。

9 結(jié)束語

核電站管道自動化預(yù)制生產(chǎn)線的設(shè)計與實施，可提高核電管道預(yù)制施工速度、縮短施工周期、提高經(jīng)濟(jì)效益。與傳統(tǒng)手工方法相比，整體施工效率可提高20%以上，焊接合格率略有提升。本研究可為后續(xù)核電管道預(yù)制自動化提供應(yīng)用參考。