国产长输管道焊接施工装备研究.pdf

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1、2 01 2钜 第 4期 管 道 技 木 Pi pe l i n e Te c hn i q u e 设 备 Equ i p me n t 2 0l 2 No 4 国产长输管道焊接施工装备研究 梁天军 ， 邹欣 ， 皮亚东 ， 马 曼 ， 王启照 ( 1 中国石油天然气管道科学研究院， 河北廊坊0 6 5 0 0 1 ； 2 廊坊德基机械有限公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 1 ； 3 中国石油天然气管道第四工程公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 1 ) 摘要 ： 近年来 ， 长输油气管道焊接施工装备技术快速发展 ， 大量新型管道施工装备投入管道工程现 场应用， 比如管道全位置 自动焊机 、

2、 管道管端坡 口机 、 管道 内环缝 自动焊机 已被 分别用于管 口焊接 、 坡 口加工、 管口组对。在 大厚壁 、 高钢级、 大 口径管道施工中， 这些设备既提 高了管道施 工效率， 也提 高了 管口的焊接质量。根据实际应用情况 ， 阐述 了前述设备 的结构、 性 能和其他技 术特点， 以使相 关技 术人 员对国产管道施工装备有进一步的认识。 关键词 ： 管道； 全位置 自动焊机 ； 管端坡 口机 ； 内环缝 自动焊机 中图分类号 ： T E 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 49 6 1 4 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 2 7 0 3 Do me s t i c

3、 Lo n g di s t a nc e Pi pe l i n e Co ns t r u c t i o n W e l d i ng Eq u i pme nt L I A N G T i a n - j u n ， Z 0 U X i n ， P I Y a d o n g ， MA Ma n ， WA N G Q i z h a o ( 1 P i p e l i n e R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C N P C， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 1 ， C h i n a ； 2 L a n g f a n g

4、 D&G Ma c hin e r y C o ， L t d ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 1 ， C h i n a ； 3 C hin a P e t r o l e u m Pip e l i n e N O 4 C o n s t r u c ti o n C o ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h e p a s t f e w y e a r s ， l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e c o n s t r

5、u c t i o n t e c h n i q u e s h a v e ma d e r a p i d p r o g r e s s ， a n d v a r i o u s k i n d s o f n o v e l e q u i p me n t h a v e、b e e n a p p l i e d t o t h e fi e l d o f p i p e l i n e c o n s t ruc t i o n s ， s u c h a s a l l p o s i t i o n a u t o w e l d i n g ma c h i n e

6、s ， a u t o ma t i c p i p e f a c i n g ma c h i n e s ， i n t e r n a l g i r t h we l d i n g ma c h i n e s ， a l l o f w h i c h h a v e b e e n a p p l i e d f o r b e v e l i n g ， l i n i n g u p a n d we l d i n g I n t h e c o n s t ruc t i o n of t hi c k wa l l e d， h i g h g r a d e s t

7、 e e l a n d l a r g e - di a me t e r pi pe l i ne， s u c h e qu i pme nt h a s i n c r e a s e d t he c o n s t ruc t i o n e f f i e i e n c y a n d i mp r o v e d t h e we l d i n g q u a l i t y B a s e d o n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n a n d t h e e x p e r i e n

8、c e of t e c h n i c a l p e r s o n n e l ， t h e s t ruc t u r e ， p e rf o r ma n c e ， a n d o t h e r t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s of t h e a b o v e me n t i o n e d e q u i p me n t a r e i n t r o d u c e d， s o t h a t t h e r e l a t e d t e c h n i c i a n s ma y g e t

9、a f u rt h e r u n d e r s t a n d i n g o f d o me s t i c p i p e l i n e c o n s t r u c t i o n e q u i p me n t s Ke y wo r d s ： p i p e l i n e； a l l p o s i t i o n a u t o ma t i c we l d i n g ma c h i n e； p i p e f a c i n g ma c h i n e ； a u t o ma t i c i n t e r n a l w e c l i n g

10、ma c h i n e 0 引言 随着 国内经济的快速 发展 ， 能源消耗 急剧增长 ， 尤其是石油和天然气 的需求剧增 ， 油气管道 在国内大 规模建设 ， 长输管道的焊接技术也 由人工焊 接向 自动 化焊接方 向发展。针对 目前管道工程 中施 工装备应 用状况 ， 文中介绍了中国石油天然气管道科学研究 院 研制 的管道 全位置 自动焊机、 管道管端坡 口机 、 管道 内环缝 自动焊机等管道焊接施工装备 ， 并介 绍了以上 几种装备 的组成 、 性能及技术特点 。 1 管道全位置自动焊机 1 1 系统组成 管道全位置 自动焊机 主要用 于长距 离输油输气 管道施工过 程 中管 口的 自动填

11、充 、 盖面焊接 ， 是管 道 环缝焊接 的专用设备 ， 特别适用于野外环境 下各种不 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 4 0 7 收修改稿 日期 ： 2 0 1 2 0 2 0 6 同管径的焊接。它主要 由焊接小车 、 导 向轨道 、 计算 机控制系统 、 保 护气供气 系统等组成 ， 用户可根据需 要在编程器上方便更 改参 数。该设备在西气东输工 程中广泛应用 ， 在技术上达到或超过同类进 口自动焊 设备 。 1 2 技术特点 该 自动焊机采用先进的计算机运动控制技术 ， 焊 车的行走电机和送丝电机采用伺服电机 ， 带有正交编 码器 ， 以实 现位 置反馈 和速度反馈 ， 保证准确的位

12、置 定位精度和速度精度 ， 同时具有较好的动态性能和输 出力矩 。焊枪摆动和高低位置调节采用步进 电机， 利 用步进电机不需要闭环即可实现准确定位 的特点 ， 保 证摆动宽度 、 停 留时间和高低姿态的控制精度。采用 以D S P数字信号处理器为核心的控制器， 实现对电机 的控制 、 L O接 口控制和所有 的运算 。D S P的高速运 算性能确保了电机的运动控制和相关运算在极短时 2 8 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t J u 1 2 0 1 2 间内完成。采用普 通硅整流或逆变 电源作为焊接 电 源 。采用 C

13、 O 气体保护焊 、 实芯焊丝下 向焊。工艺参 数的输入方 式采用控制系统与便携式 电脑之 间的串 行通信。利用用户 界面软件实现焊接工艺参数 的输 入 、 修改和存储 。 该焊机具有控制技术先进 、 自动化程 度高 、 操 作 简单 、 焊接效率高 、 焊缝成型质量好 、 焊接合格率高等 优点 ， 可 大大降低劳动强度 ， 完成热 焊、 填充 、 盖 面等 工序 ， 实现 了管道建设野外作业施工 自动化。 1 3系统性能 管道全位置 自动焊机主要适 用于大 口径 的长输 管线固定连接 口的全位置焊接 。 工作环境 温度 为- 3 5一+5 0 o C； 空气相对湿度 8 5 ； 焊接速度连续

14、可调； 送丝速度连续可调； 焊枪 位 置均可上 、 下 、 左 、 右调整 ； 送丝直径 0 81 2 m m； 适 应焊接电源硅整流或逆变电源 3 5 0 A以上。 焊接参数 ( 如电流、 电压 、 焊枪摆动速度 、 焊枪 摆 动幅度 、 两端停 留时间) 既可在焊前设置， 也可在焊接 过程中进行实时调节。 2 管道管端坡 口机 管端坡 口机 主要用于各种钢制输油气管线 野外 现场加工被焊管端 的坡 口。可以根据管径 、 壁厚和焊 接工艺要求将管端快速加工成各种所需型式的坡口。 2 1 系统组成 2 1 1 机械 系统构 成 管端坡 口机 由 自动定心装置 、 刀具切削旋转 盘、 主传动 机

15、构 、 刀盘进 给机构 、 导 向机 构 、 液 压涨 紧系 统 、 主切削传动系统 、 切削进给系统 、 液压控制系统等 部分组成 。 切削盘上布置了48个切削刀座 ， 每个刀座上可 以装卡 1 把切刀 。通过对刀盘刀架上不同的切刀进行 组合 ， 可 加工 V型 、 U型、 x型 以及各 种复合 型坡 口 ( 见 图 1 ) 。 ( a ) 复合 V型 口 ( b ) 带内坡 口的复合 _V型 口 图 1 坡 口示意图 每种坡口的角度、 深度、 钝边厚等参数可根据焊接 工艺的要求方便调节。主传动机构是切削盘的动力来 源， 为整个切削过程提供动力 、 实现切削的主运动。 2 1 2液 压 系统

16、构 成 由于整机全部采用液压控制 ， 所 以液压 系统是坡 口机的核心。它主要 由液压泵站和液压控制系统组 成。液压泵站包括液压 油箱 、 柴油箱 、 油泵 、 过滤器 、 油路接头等部分 。按 照液压系统热平衡 计算确定液 压油箱的容积 ， 为了降低 了系统 的能耗 ， 选择 闭式 回 路并配置相应的恒压变量液压泵； 燃油箱的容积为柴 油机连续工作 2 4 h的燃油量 。 液压控制系统安装在坡 口机主体上 ， 控制整个坡 口机 的所有动作 ， 主要 由多路 阀、 节流 阀、 溢流阀 、 顺 序阀、 行程 阀、 液压锁 、 连接油管等组成 ， 并通过油管 穿过工程车吊臂与液压泵站相连， 同时连

17、接各个执行 元件以完成要求的各个动作。 2 2 技术特点及性能 该设备具有快进 、 快 退切削刀功能 ， 大大缩 短了 切削辅助时间， 快速精确的坡 口加工 ， 确保 了焊接质 量 ， 精选的特种高速切削专用组合刀具能够完成坡 口 快速切削工作 。其优点是操作简单 ， 加 工坡 口快 、 切 削稳定 、 坡 口成型好 、 精度高 、 适合野外施工条件。 工作环境温度为 一l 5一+ 8 0； 切削速度为 0 1 1 0 m m i n连续可调； 进 给速度为 0 2 0 4 mm r ； 加 工坡 口型式为 U型、 V型 、 X型及其他型式 。 3 管道 内环缝 自动焊机 管道 内环缝 自动焊

18、机 主要用于长输管线施 工中 两根被焊钢管 管 口的组对 和根 焊工 序的完 成 ， 集机 械 、 气动 、 自动控制于一体。 该设备采用卧式长构架形式 ， 整机系统主要 由机 械系统 、 气动系统 、 自动控制 系统 、 保护气供 给系统 、 储气罐等部分组成 。 3 1 系统组成 3 1 1 机械 系统 机械系统主要有涨 紧机构 、 行走 及刹车机构 、 焊 接单元 、 多焊炬同步定位机构 、 气缸定位机构 、 机头偏 转机构 、 焊接驱动机构 、 焊接单元机构 、 扩涨导 向保护 装置。 3 1 2 气动 控制 系统 管道内环缝 自动焊机动力源为压缩空气 ， 安全环 保 。内焊机 的气动

19、 系统 主要 是利用压缩空气存储 于 储气罐 中， 为气缸 、 马达等提供驱动力 ， 实现内焊机 的 行走 ， 通过定位气缸 、 刹车气缸 、 涨 紧气缸等气 动执行 元件实现 内焊机 的各项动作。 内焊机的储气罐分 为 主储气罐和辅助储气罐， 主储气罐 1 个， 辅助储气罐 2 个。主储气罐体积较大， 为耗气量大的行走马达供 第 4期 梁天军等 ： 国产长输管道焊接施工装备研究 2 9 气， 辅助气罐向各个气缸供气。 3 1 3 自动控 制 系统 自动控制系统采用 P L C为核心的控制技术 ， 实时 控制焊接过程和焊接参数 。 主控单元安装 在主控制箱( 即主控箱 ) 内， 主要控 制定位

20、缸 、 后涨管器 、 整机前进 后 退 、 刹 车 、 送 丝、 保 护气 、 电源开关等。辅助控制箱主要用 于控制 内焊机 另一侧的试气和送 丝。远端控制箱 ( 即远控箱 ) 主要 用于控制前涨管器 、 旋转 盘 、 焊接 、 前后涨管器 ， 测试 焊接空 载电压 ， 监视焊接过程 和电瓶 电压 ， 完成 自动 行走与紧急停车等动作 。 图 2为控制系统的原理框图。 l 1 I 2 4 w g 霍尔开关组 焊接电源l 焊接电源2 焊接电源3 给定 给定 开关 量 旋转 塞 送 丝 电 机 控 制 电 磁 阀 组 P WM 型 ， 丽 图 2 控 制系统的原理框 图 3 2 技术特点及性能 该

21、设备具有对 口器功能 ， 根据管 径不 同， 内焊机 有多个独立的焊接单元， 沿管道轴向均匀分布， 从而 大大缩短根焊时间， 提高施工速度 。 涨紧机构设置 2组； 每组涨管器压块数为 2 4个 ； 焊接电源为多台； 焊接单元为4 8 个； 焊丝直径 8 q b 1 0 m m； 焊接电压 2 4 V 其显著特点是焊接速度快 、 质量高 、 操作简单 ， 劳 动强度低 ， 特别适合于长距离 、 大 口径管道的焊接。 4结束语 随着长输油气管道焊接技术 的发展 ， 国产化的管 道施工装备也在朝着高质量、 高效率的先进技术装备 方向发展 ， 目前部分国产化装备 已经达到国际先进技 术水平 ， 上述

22、几种装备经历了在 国内外重大管道工程 的检验 ， 证 明施工装备满足稳定 、 高效 的施工需求 ， 既 节约了施工成本 ， 也促进了国内管道施工装备技术的 发展。 参考文献 ： 1 闫政， 梁君直， 陈江， 等 P A W2 0 0 0管道全位置自动焊机 电焊机 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 6 ) ： 4 7 5 3 2 张锋 ， 曾惠林， 黄福祥， 等 管道施工中的几种新型施工设 备及技术 电焊机 ， 2 0 0 9， 3 9 ( 5 ) ： 7 9 8 6 3 尹铁 ， 张锋， 梁君直， 等， 管道内环缝 自动焊机的设计 机 械工程师， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 4 41

23、 4 5 4 胡绳荪 焊接 自动化技术及其应用 北京： 机械工业出版 社 ， 2 0 0 7 【 5 龚仲华， 史建成 ， 孙毅 三菱 F X Q系列 P L C应用技术 北 京： 人民邮电出版社， 2 0 0 6 作者简介 ： 梁天军( 1 9 7 9 一) ， 助理工程师， 主要从事管道施工设 备的设计和科研工作。 ( 上接第8页) 很方便地设置多个导向支架， 而方案 1 由于垂直 叮 T 形弯 z向位移较大 ， 在垂直 竹形弯上只能 设置 向导 向支架 ， 不能设置 Z向导 向支架 ， 导致垂 直 叮 T 形弯在 z向上容易振动。在管道稳定性方面 ， 方 案 1 不如方案 2 。 假如方

24、案 1 在垂直管道 霄形弯上“ 4 ” 处设置 z向 导 向支架 ， z向导向力对应值会 高达 8 t ， 管系二次应 力超标 。 管道能方便地设 置多个导 向支架 对于管道进 行 抗震设计也非常有利。 4 结束语 随着延迟焦化装置大型化 ， 挥发线管径和焦炭塔 高度增加， 对挥发线的管道布置提出了更高的要求。 在挥发线垂直管道下部设置水平 形弯的布置方案 能解决焦炭塔高度增加带来的挥发线布置难题， 优于 在挥发线垂直管道中部设置垂直 1 T 形弯的布置方案， 对于大型焦化装置的挥发线布置提供了另一种思路。 参考文献： 1 侯祥麟， 侯芙生， 汪燮卿， 等 中国炼油技术 2版 北京： 中国石化

25、 出版社 ， 2 0 0 1 ： 9 4 9 7 2 j 张海清 焦炭塔顶挥发线应力和腐蚀问题探讨 炼油技术 与工程 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 4 ) ： 2 5 2 9 3 方长生 延迟焦化挥发线的管道设计 炼油技术与工程。 2 0 0 4 ， 1 8 ( 5 ) ： 7 6 7 7 4 瞿国华， 黄大智， 梁文杰， 等 延迟焦化工艺与工程 北京： 中国石化出版社 ， 2 0 0 8 ： 4 5 0 4 5 4 5 张旭 压力管道设计中法兰校核方法探讨 石油和化工设 备， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 8 ) ： 59 6 王桂华 大型焦化装置焦炭塔顶油气管道的受力分析 石 油化工设备技术， 2 0 0 9， 3 0 ( 3 )： 2 3 2 7 作者简介： 宫玉才( 1 9 8 0 一) ， 工程师， 从事工艺管道应力分析工 作。 主控制单元