郭昊阳 尹波
中交海洋建设开发有限公司 天津市 300457
摘要：为解决传统大直径钢管接长施工过程中存在的一些不足之处，我公司引进了一条大大直径钢管接长自动化生产线，该生产线主要包括原料钢管堆放区、端面坡口加工区、组对及打底焊区、填充盖面焊接区、成品堆放区及贯穿于整条生产线的物流输送系统，可实现碳钢、合金钢、不锈钢等材质，管径为Φ（400—1200）mm，最大接长长度72米的钢管自动化对接。
关键词：自动化生产线、物流系统、自动打底焊接系统
前言
大直径钢管接长主要是将两个及两根以上的钢管接长为设计要求的长度。传统的接长施工涉及到的工序主要有钢管端面坡口加工、管管组对、打底焊接、填充盖面焊接及各个工序之间的钢管倒运等，以人工手工施工为主，但现有
工艺存在着一定的不足，主要体现在以下几个方面：
1）完成后的钢管均需要使用起重机械倒运至下一施工工序区域，钢管的吊运比较频繁，存在着一定的吊装安全风险因素。在大批量生产过程中，经常出现窝工影响生产进度。
2）传统的钢管端面坡口加工采用半自动火焰切割的方法，此方法的优点是操作简便和使用成本低廉但成型质量一般，还需进一步处理。
3）组对后先进行一道组对间隙根部的手工打底焊接，质量要求要达到Ⅱ级焊缝等级的要求，对焊工的依赖性比较强,人工成本非常高。
4）传统的单电粗丝（焊丝直径一般为Φ4.0mm或Φ5.0mm）埋弧焊焊接线速度一般为400mm/min以下，只适合低速焊接，焊接的热输入比较大，对焊缝的机械性能存在着一定的影响。
为解决前文所述传统大直径钢管对接施工过程中的不足，我公司引进了一条大直径钢管接长自动化生产线。生产线全长187.5米，宽36米，能够实现碳钢、合金钢、不锈钢等材质，管径为Φ400mm—Φ1200mm，最大接长长度72米的钢管自动化对接。
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图1 生产线布置示意图
1钢管物流输送系统
钢管物流输送系统主要功能是实现各个施工区域内钢管的准确就位及不同施工区域之间的钢管输送，降低安全风险因素，该系统主要有以下三个子物流输送系统组成：
1.1横向物流输送系统
横向输送工作于原料堆放区、端面坡口加工区、组对及打底焊接区、填充盖面焊接区及成品堆放区，功能是将上一道施工完成的钢管输送至下一施工工序区域，台车及轨道如下图所示。
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图2 台车及轨道
钢管由原料堆放区向坡口加工区、坡口加工区向组对及打底焊区输送时，输送的是单根钢管，最大长度为12m，由一台台车即可完成输送，而由组对及打底焊区向填充盖面区、填充盖面区向成品堆放区输送的是接长钢管，通常长度为36m—72m，此时接长钢管的输送由联动的5台台车来完成。
1.2纵向重轨输送系统
纵向重轨输送系统工作于原料堆放区，功能是在原料堆放区之间输送钢管或直接向坡口加工区输送钢管。下图为纵向重轨输送系统台车在原料堆放区内倒运钢管。
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图3 纵向重轨输送系统重轨台车输送钢管
1.3纵向升降输送系统
纵向升降输送系统工作于坡口加工区、组对及打底焊区、填充盖面区，功能是使钢管输送到待加工的工位位置并精准就位。
以下几组图片为钢管在坡口加工区、组对及打底焊区、填充盖面区通过纵向升降输送系统进行输送。
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2 端面坡口加工区
端面坡口加工区由两套高效端面坡口机、两组纵向升降输送辊轮、四组工位架组成。纵向升降输送辊轮用于对待开坡口的钢管进行输送和精确就位。工位架用来暂时存放待加工坡口的钢管。
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3 组对及打底焊接区
组对及打底焊接区由组对区及MAG自动打底焊系统组成。
3.1组对区组成及功能介绍
组对区由气动对口器、组对液压回转滚轮组成，可实现管径Φ400mm—Φ1200mm，长度3米及以上的钢管组对。
3.1.1气动对口器
气动式对口器为卧式长构架形式，主要由行走装置、扩涨装置、扩涨导向及操纵盒、气动系统等部份组成。对口器放置在专用输送台车上的钢管内。对口器气动系统所能承受最高工作压力为1.5Mpa，涨管器涨紧力为600KN，行走速度为0—25m/min。
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图9 气动对口器
3.1.2组对液压回转滚轮
组对液压回转滚轮的主要作用为驱动钢管顶升、下降及回转。钢管的顶升及下降为液压驱动，回转为电机驱动。液压组对滚轮共有三组，第一组为固定液压从动回转滚轮，第二组为移动式液压主动回转滚轮，安装在可移动的台车上，可根据待组对钢管的长度移动到合理的位置，以满足不同长度钢管的组对要求，第三组为固定液压主动回转滚轮。组对过程中，可通过三组液压滚轮的不同组合方式来调整接长钢管的直线度、组对错边量及组对间隙等组对工艺参数。
3.2自动打底焊系统
自动打底焊接系统能够满足工况为组对间隙3--7mm，错边量0--2mm，管径为Φ400—Φ1200mm的正面焊双面成型的焊接，焊缝达到MT+UT Ⅱ级焊缝要求，适用材质为碳钢、合金钢、不锈钢、低温钢等。
3..2.1自动打底焊接系统的组成
自动打底焊接系统主要要包括林肯OPTIMARC CV500气保焊电源、焊接机头机构、控制系统和工位房等。
自动打底焊接系统的主要特点是效率高、操作简单、焊缝质量好，非常适合后续的埋弧焊填充焊接，无任何焊接经验者即可在7-15天内完全掌握，并达到焊缝合格率95%以上（焊缝质量等级为UTII级），而施焊的时间一般仅为手工焊接的四分之一。
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3..2.2自动打底焊接系统的施焊方式及试焊情况简介
焊接系统的施焊方式如下面的示意图所示。焊枪位置在“一点至两点钟”范围内，约35°--65°，具体的角度值根据钢管组对的间隙量、错边量及焊道反面成形高度需要所定，钢管的转动方向为由下向上转动。
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图12上海前山打底焊焊接系统焊接方法
使用该自动打底焊接系统进行了多次的试焊，试焊结果均比较理想，以下为试焊的焊缝照片。
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通过上面几组照片可以观察到，正面焊缝在不同的间隙下成型均比较理想，成中间略微向下凹的凹面形状。背面焊道在组对间隙为5--6mm时，宽约10mm，在组对间隙为3--4mm时，宽约8mm，背面焊肉高出母材约2mm，总的焊肉高度约为5mm。
目测焊缝外观合格后，通过宏观金相实验对焊缝的熔合情况进行检测。从焊接工件切割（锯床）选取焊接时组对间隙为3mm、4mm、5mm、6mm的各两段、每段长约80mm的实验件作为检测对象。从焊缝的端面可清晰地看出，焊缝正面呈略微凹陷的凹面形状，焊缝熔深约5mm，反面凸起约1--2mm。
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宏观金相实验原理为各种金属在浓硝酸及酒精配比的实验液中被腐蚀的程度不同所呈现宏观组织不同。通过上述图片可以发现焊丝填充部分、热影响区及母材呈不同的颜色。以间隙为5mm的实验为例，通过上面的图片可发现热影响区部分颜色最深，其次为焊丝填充部分，最浅部分为母材。通过实验可发现，打底焊接已全部熔透。
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图17宏观金相实验结果描述
4填充及盖面焊接区
填充及盖面焊接区由回转滚轮及埋弧焊接系统组成。
回转滚轮由3组主动回转滚轮和6组被动回转滚轮组成，功能是驱动钢管转动。回转滚轮的转速控制集成到埋弧焊接系统，可根据埋弧焊试焊情况实时调节转速。
埋弧焊接系统由轨道式移动台车、开元ZD5-1250E埋弧焊接电源、双细丝单电机头、焊剂回收一体机、控制系统等组成。焊接电源、机头、焊剂回收机等全部安装在移动台车内，台车可移动到待施焊的位置进行焊接。
该系统的最大特点是单电源双细丝（焊丝直径为Φ1.2mm、Φ1.6mm及Φ2.0mm三种规格，两根焊丝并列排列，间距为8mm）。单电源双细丝焊接是一种非常高效的焊接方法，能够获得较高的熔敷效率，可以在较高的焊速下（对于外径Φ1000mm的钢管环焊缝焊接，最大焊接线速度可达约800mm/min）实现合理的焊缝成形和良好的焊接质量。同时，在熔敷效率增加的情况下，仍保持对母材较低的热输入，从而保证接头机械性能，减少焊接变形。
5结论
通过本生产线的引进及使用，实现了大直径钢管对接生产过程中除原料钢管到场卸车和制作完成的成品装运外的“零”起重机械使用，最大化地规避了生产过程中因钢管高空吊运可能造成的伤人、磕碰及损坏机械设备等安全风险因素，并且，焊接坡口加工质量及焊缝焊接质量均有较大程度的提高，还极大地提高了钢管对接生产效率，节省了大量人工成本。
参考文献
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