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1、r鳝荡专家论坛 强垂 鄹 北京石油化工学院能源工程先进连接技术北京高校工程研究中心 ( 1 0 2 6 1 7 ) 周灿丰 陈家庆 姬宜 朋 高辉 焦 向东 纪文 刚 罗 雨 朱加雷 摘要为 了满足南海深水油气 田开发的需要 , 研制了以焊接工作站为核心 的深水海底管道铺设焊接系统。焊 接工作站配 备 2套独立的双炬焊接系统 , 焊接小车外形尺寸小 、 质量轻 , 特别适合于海管铺设 工程应用 。焊接 工作 站控制系统采用 C A N O p e n现场总线和 网络技术 , 不仅增加 了系统柔性 和可靠性 , 而且实 现了现场焊接设备 的远 程监督 。 关键词 : 深水海底管道 焊接工作站 焊
2、接小车控制 系统 现场总线 中 图分 类 号 : T G4 3 4 1 海管 铺设焊 接 系统概 述 2 1 世纪,中国将大力开发南海丰富的深水油气资 源。 深水 铺管起 重船 “ 海洋 石 油 2 0 1 ” 是 中 国海洋石 油 总 公司实施深水发展战略的工程重大装备之一。文 中以 “ 海 洋石 油 2 0 1 ” 为工程 依托 。 开 展 了深 水 海底 管道 铺设 焊接 系统 研究 。 收稿 日期: 2 0 1 0 0 3 1 2 基金项 目: 国家 8 6 3高科 技资助项 目( 2 0 0 6 A A 0 9 A1 0 5 ) ; 国家 自然 科学基 金项 目( 4 0 7 7 6
3、 0 5 4 ) ; 北京市 属高等学校人 才强教计 划资助项 目( P H R2 0 1 0 0 7 1 3 4 ) ; 北 京市属高等学校人才强教计划资助项 目( P H R2 o o 9 0 5 1 9 ) 。 1 6 2 0 1 0年第 7期 油气输送管线铺设 的技术发展有 2个重要特征 , 一是采用高级别的管材降低工程成本 ,二是采用高效 的 自动焊接技术提高施工效率。A P I 5 L X 6 5高级别管 材 已经广 泛应 用于 国内海底 管 线建 设 之 中 但 是 从 世 界 范 围 内油 气输 送 管 线 建 设 用 管材 来 看 X 7 0 、 X8 0已 经得 到广 泛应
4、 用 , X I O 0则 在 2 0 0 2年 9月 首 次在 T r a n 。 s C a n a d a管线工程之 中得到应用 】 管线焊接 的施工方式 经历 了手工 电弧下 向焊工 艺 、 半 自动焊工艺和全 自动焊工艺等三个发展阶段 , 2 0 世 纪 7 0年代 以后 , G MA w 自动 焊在管 道施 工 中 的应用 发展 很快 , 已经 成 为 目前 主流 的管线铺 设焊 接方 法 。法 国 s e r i m a x和 美 国 c r c e v a n s 是 海底 管线 铺 设 和 海洋 立 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m管安装 自动焊
5、接设备的 2家主要供应商 ,发展了双炬 双丝乃至多炬多丝等高效 自动焊接系统 ,例如 s e r i ma x 的 s a t u r n e 8 - T o r c h系统采用 4个双炬焊接机头 ,即 8 根 焊丝进 行 3 6 4 8英寸 ( 9 5 4 4 1 2 1 9 m m) 大 尺 寸海 底 管线铺设焊接 , 极大地提高了焊接效率 。G MA W 自动 焊 已经 用 于多 种 海底 管 线 铺设 方 法 之 中 ,例 如 采用 J L a y方 法对 S C R立 管 ( S t e e l C a t e n a r y R i s e r s ) 进 行 焊 接 安装 。韩国
6、 H y u n d a i 则开发了带激光视觉传感器的 海底管线铺设 自动焊接系统 ,用于管道窄间隙坡 口焊 缝跟 踪 。 文 中开 发 的海 底 管 线铺 设 焊接 设 备 ,与现 有 的多 数 同类设 备 相 比 不仅 严 格 地 控 制 了焊 接 小车 尺寸 和 质量 , 而且创造性地采用现场 总线和网络技术 , 不仅实 现了同步驱动 、 车载计算和全位置焊接等功能 , 而且显 著提高数据交换能力和系统可扩展性 ,为建立海管铺 设计算 机集 成 焊接 系统 打 下 了基础 。 2海 管铺设 焊 接工 作 站设计 深 水铺 管 起 重 船“ 海 洋 石 油 2 0 1 ” ( 图 1 )
7、 由荷 兰 G U S T O公司进行船型设计 ,国内船舶设计公司 自主进 行 详 细设 计 ,采 用 了一 系列 国际上 最 先 进 的技 术 和装 备 , 为中国首条 D P 一 3动力定位双层 甲板 自航深水铺管 起 重船 作 业水 深 l 5 3 0 0 0 m。 图 1 深 水 铺 管 起 重 船 “ 海 洋 石 油 2 0 1 ” “ 海 洋 石 油 2 0 1 ” 采用 双 层 甲板 。 即 “ A 甲板 ” 可储 存 9 0 0 0 t 钢 管 , “ 主 甲板 ” 为 铺 管 作 业 甲板 , 配 置钢 管 双 节 点预 制 线 和主铺 管 作 业 线 即海 管铺 设 焊 接
8、 主作 业 线 。主铺 管作 业线 采用 轨 道式 自动 焊接 , 配 备 5个 焊接 工作站 、 1个 A U T( 无损 检验 ) 及修补站 以及 2个节点 浇 注站 采 用双 节点 模 式进 行 管线 铺设 。对 于外 径 4 8 英 寸 ( 1 2 1 9 mm) 、 壁 厚 1 英 寸 ( 2 5 4 m m) 的钢 管 , 焊 接 能 力为 9 5 根管 1 h时 。 专家论坛r蜉掳 “ 海 洋 石 油 2 0 1 ” 海 管 铺 设 焊接 主作 业 线 的每个 焊 接站包括 2套相同的双炬焊接系统 ,除了共用配 电箱 之外 , 这 2套焊接系统完全独立 , 即采用双车双炬布置 方
9、式 , 如 图 2所示 。 双炬焊 接 是指 每 个 焊接 小车 安装 2 把 焊枪 , 焊枪 间距大 约 5 0 n M T l , 焊 接时 形成 2个独 立熔 池 , 区别 于 双 丝 共熔 池 的 T a n d e m双 丝 焊 接 有 时也 称 之为双单丝焊接。双炬焊接与单炬焊接相 比 不仅焊接 效率提高 了一倍 ,而且后面焊矩能够有效改善前面焊 矩 的焊道韧性并降低接头硬度 。 数 字化逆 变焊接 电源 双炬焊接小车 图 2海 管 铺 设 双 车 双 炬 焊 接 系 统 双 车 焊接 是 指 在 同一 圆导 轨上 面 安装 2台 自动 焊 接小车 两侧同时焊接 , 其 中一 台焊
10、接小车先从 1 2点 位 置 引弧 向下 焊 接 另外 一 台 焊接 小 车 与之 有一 个 时 间差 , 从 相 同位 置 开始 向下 焊接 。后 面几个 站采 用相 同 的操 作 方 法 , 但是 引 弧 位 置要 与 前一 站 错 开 , 以避 免 未 融合等缺陷的产生。 3自动 焊接 小车 设计 自动 焊接 小 车 安装 在 圆导 轨上 。圆导 轨 如 图 3所 示 , 由 2个 半 环 导 轨 组 合 而成 , 采 用 高 强 度铝 合 金 , 燕 翅形 弹簧钢片支撑 、 快开锁 紧结构 , 外圆柱 面上加工有 直齿 , 实现与焊接小车驱动齿轮的啮合。 焊接小车三维模 型如 图 4所
11、示 ,主要 由小车锁紧 机构 、 小 车底板、 小车行走机构 、 焊枪横 向摆动机构 、 焊 枪高低调整机构和焊枪组件等组成 。小车底板是其他 各个构件的安装机架 。 采用整块高强度铝合金板材 。 数 控铣 削 加工 而成 。 小 车 锁 紧机 构安 装 在 小 车底 板 下面 采用 滑 杆一 弹簧结构式 , 锁 紧快速可靠 。小车行走机构 、 焊枪横向 摆动机构安装在小 车底板上面, 而焊枪高低调整机构 、 焊枪组件则顺次安装在焊枪横 向摆动机构外侧。小车 行走机构采用带编码器和减速器 的一体化伺服电机驱 2 0 1 0年第 7期 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .
12、c o mr曙荡专家论坛 z 动 , 通过同步带将运动传递到焊接小车驱动齿轮。为了 控制焊接小车横向尺寸 ,行走机构选择的伺服电机功 率较小 , 为了保证负载能力足够 , 采用 了 2个伺服电机 同步驱动 的配 置 。 图 3圆导轨 三维模型 图 4焊 接 小 车 三维 模 型 焊枪横 向摆 动机构同样采用一体化伺 服 电机 驱 动 , 通 过齿 轮一 齿 条实 现焊 枪横 向摆 动 。焊 枪 高低 调 整 机构也是采用一体化伺服电机驱动 , 通过丝杠一 螺母实 现焊枪高低调节 。焊枪组件安装在焊枪高低调整机构 外侧 , 组件高低和角度可以手动适当调节 , 前后 2把焊 枪 是小 型 直柄焊
13、枪 , 组件 下 端是 保 护气 罩 , 焊枪 和 保 护 气 罩均 是特殊 设计 和制造 而 成 。 研 制成 功 的 自动焊 接小 车 如 图 5所示 外形 尺 寸 严 格控 制在 长 3 7 0 m m 2 8 5 m m1 7 5 mm 以内。海 管 带有混凝土配重层 ,为 了保证铺设效率 、控制铺设成 本 , 管道两端混凝土配重层剥离长度是严格控制的, 该 自动焊接小车的尺寸能够满足在该狭小空间进行焊接 的需要 。该 自动 焊接小 车 质量 小于 l 6 k g , 较 轻 的 自重 有利于大幅度降低操作人员的工作强度。 1 8 2 O 1 O年第 7期 图 5 焊接小车 4自动焊
14、接控 制系统 设计 自动焊接控制系统框图如图 6所示。选择 C 6 9 2 5 工 业 P C机作 为 系统 的主控 制器 ,该 控制 器结 构 紧凑 , 具备 E t h e r c a t 以太网功能 。主站的 C A N o p e n模块是通 过 C 6 9 2 5 P C机上 的 E t h e r c a t 以太 网接 口扩 展 出来 的 , 扩展的中间环节需要加一个以太网耦合模块 E K 1 1 0 0 , 通 过 E KI 1 0 0扩 展 的 C A N O p e n主站 E L 6 7 5 1模 块 就 可 以实现与带 C A N O p e n接 口的从站进行数据交换
15、 , 这些 从站包括焊接电源 、 手控盒和焊接小车。 F r o n i u s 焊接电 源 的 C A N O p e n接 口是 通 过 B e c k h o ff的 5 1 2 0实 现 的 , 焊 接小 车 E l m o驱动 器 同样 带 C A N O p e n接 口。主 控制 器 C 6 9 2 5系统 中同时还 可以运行 B e c k h o ff的 t w i n c a t 软 P L C软件 。 软 P L C与传统 的硬件 P L C相 比, 不仅执 行时间更快 在执行软 P L C的同时还可以运行组态软 件 , 而且软 P L C与组态王通过 A D S接 口(
16、 软接 口) 可以 进行 系统 内部 的数据 交换 实 现焊 接数 据 实时 存 储 的 功能 , 从而一台 P C可以同时实现 P L C功能以及组态软 件的功能 ,因为将硬件 P L C的功能完全移植到 P C机 中 减少了设备成本。 与现有的多数管道 自动焊接系统相 比, “ 海洋石油 2 0 1 ” 的系统设计具备以下技术特点。 4 1 焊车行 走 同步驱动 焊接 行走采 用 2个 伺 服 电机驱 动 , 2个 电机 的同步 是通 过驱 动器 内置 的同步 控制程 序来 实现 的 。 4 2车载计算 焊车行走 、 焊枪横 向摆动 、 焊枪高低调整的 4个驱 动器集成在焊接小车车体之上
17、,驱动器具备很高的智 能 实现了车载计算 其显著优点是减少 了大量的连接 电缆 。驱动器 自带 模拟 量输 入接 口, 因而倾 角传感 器输 出的焊车位置信号直接传输给驱动器。程序根据不同 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o mI 悍 掰 钟 糕 雕 : 墨 I 嚣。霸 g唾 : I 替 。 键姗 : - 口 : 躯鳐穗嘲 : I 獭 蕊商嬲鼷硪 : Ethemet 0 盘 ; : 专家论坛r蜉掳 图 6自动焊接控制系统框图 的焊车位置进行计算 ,控制焊接 电源输出不 同的焊接 电流 , 从而方便地实现全位置焊接。 4 3 C AN O p e n总线 控制 系 统采
18、用 基 于 C A N O p e n总线 的设计 , 实 现 了 主控 单元 与 焊接 电源 、手 控 盒 和焊 接 小 车之 间 的数据 交换 ,并能 通 过 E t h e r n e t 以太 网 络 实现 更 高 层 次 的数 据交互。特别是通过采用 C A N O p e n总线技术 , 不仅各 个单元之间连接线缆大为减少 ,而且焊接系统可扩展 性得到巨大提高。 研制 成 功 的海 底 管 道铺 设 自动 焊 接 系统 如 图 7所 示 图 7海管铺设 自动焊接 系统 5自动 焊接 试验 焊 接 试 验 用 钢管 为 1 6 Mn ,外 径 3 2 3 9 m m,壁 厚 1 2
19、7 mm, 焊 丝 为 A WS 5 1 8 E R 7 0 S 一 6 , 直 径 1 0 m m, 保 护气 体 为 5 0 C O 2 + 5 0 A r 。 自动 焊接 试 验 为钢 管 表 面 堆焊 ,焊接 过 程 之 中焊 枪横向摆动 ,保护气体流量 5 0 I Mmi n ,焊接电流 l l 0 A, 焊接 电压 1 6 7 V, 弧长 5 m m, 前面焊枪在 1 2点位 置 引 弧 焊接 小 车启 动 不久 后 , 后 面焊 枪 引弧 。焊接 过 程 以及 焊 缝如 图 8 、 图 9所示 。 图 8 自动焊接试验 2 0 1 O年第 7期 1 9 学兔兔 w w w .x
20、u e t u t u .c o m俘 掳专家论坛 6 结 论 图 9焊缝 针对海底管线铺设 的需要 ,进行 了管道 自动焊接 工艺研究和设备开发 , 主要结论如下 : ( 1 )海管铺设焊接主作业线顺序布置一系列焊接 工作站 ,每个焊接工作站包括 2套相同的轨道式 自动 焊接 系统 , 能 够满 足深水 油气 田开 发的 应用需要 。 ( 2 )焊接_丁作站采用 G MA W 自动焊二 r 艺 , 通过双 车双炬等有效的焊接技术手段 ,保证了海管优质高效 焊 接 。 ( 3 ) 自动 焊 接 小 车 的设 计 制 造 。 不 仅 实现 了全 部 功 能需 要 , 而且 严格 控制 了外 形
21、尺寸 和 质量 , 能 够满 足 海管铺设 二 程的应用需要。 ( 4 )自动焊接控制系统采用 C A N O p e n 现场总线和 网络技术 , 不仅具备同步驱动 、 车载计算 、 全位置焊接 等先 进技 术特 点 ,而 且实 现 了主 控单 元 与焊 接 电源 和 焊接小车、与上层监督控制站等之间高效便利的数据 交换 , 极 大地 提高 了系 统 可扩展 性 , 为 建立 海 管铺 设 计 算机集成焊接系统打下 了坚实基础。 2 3 4 5 参 考 文 献 Ya p p D, B l a c k ma n S ARe c e n t d e v e l o p me n t s i n
22、h i g h d u c t i v i t y p i p e l i n e w e l d i n g J J o u r n a l o f t h e B r a z i l i a n c i e t y o f Me c h a n i c a l S c i e n c e s a n d E n g i n e e r i n g , 2 0 0 4, ( 1 ) : 8 9 9 7 D i c k W o l b e r s , Ro b Ho v i n g a I n s t a l l a t i o n o f d e e p wa t e r p i wi t
23、h s l e d a s s e mb l i e s u s i n g t h e n e w J L a y s y s t e m o D C V b a l d e r O T C 1 5 3 3 6 R O f f s h o r e T e c h n o l o g y C o e n c e Ho u s t o n, Te x a s , 2 0 03 Ki l l e e n J P, Dy s o n K C, Re e v e s K D, e t a 1 L a r g e d i a n S C R d e l i v e r y c h a l l e n g
24、 e s O T C 1 7 2 8 6 R O f f s h o r e 1 n o l o gy C o n f e r e n c e Ho u s t o n, T e x a s , 2 0 0 5 Gr a a f v a n d e r J , Wo l b e r s D, Bo e r k a mp PF i e l d e x p e r wi t h t h e c o n s t r u c t i o n o f l a r g e d i a me t e r S C R i n d e e p O T C 1 7 5 2 4 R O f f s h o r e
25、T e c h n o l o gy C o n f e r e n c e Ho u : Te x a s, 2 0 05 Ki m Yo n g B a c k, Mo o n Hy e o n g S o o n, Ki m J o n g Ch e o l , f Au t o ma t i c p i p e l i n e w e l d i n g s y s t e m wi t h s e ff - d i a g r f u n c t i o n a n d l a s e r v i s i o n s e n s o r C I n t e rna t i o n a
26、 C o e n c e o n C o n t r o l , Au t o ma t i o n a n d S y s t e ms ( I C CA S) 】 T E X , G y e o n g g i Do , K o r e a , 2 0 0 5 哈尔滨市香坊区南典焊接研究所 j 应 急 电焊条 针对高碳、高强 、高拘束 、大厚件裂纹敏感性大 ,焊修工艺复杂 ,成本较高的 现状 ,本所采用 自主开发的焊缝净化 、焊态收缩率匹配及合金调整等多项非传统技 术 ,研制了多个系列抗裂型堆焊电焊条,为该领域开创了一条简便快速、低成本的捷径。 j 适用范 围: 各种轧辊 、轴类 、机体等
27、大型铸钢件局部修复 。 i 焊条特点: 工艺条件要求低, 特别适合无法高温预热等极端条件的无裂修复。 i 焊缝硬度 H R C : 3 0 6 0不同等级 。 药芯高合金电焊条 适用于 阀门、冶金 、石化等行业机械 设备的表 面堆焊 ,具有使 用温度 高 、抗高 温氧化 、抗擦 伤 、 金相组织稳定等特点, 合金加 入量可灵 活调整 最 大 C r 量可达 3 8以上 具有 比铸 芯焊条更广泛 的应 用 领域 ,主要性能高 于钴 铬钨焊条 ,价格大大 低于钴 铬 钨焊条 焊缝硬度达 HR C 3 5 5 0 ; 地 址: 哈尔滨市香坊区赣水路 1号 6 0 4室邮编: 1 5 0 0 9 0 t 联系电话: 1 3 O 9 1 8 8 9 1 9 3 ( 董先生) ,1 3 6 1 4 5 1 5 4 1 5 ( 徐先生) 传 真: 0 4 5 1 8 2 5 7 9 7 9 8 一+-+一+-+-+一+-+一+一十 +-+一+一+一十一+。+ +。+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 2 0 2 0 1 0年第 7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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