（昆山華恒焊接股份有限公司，江蘇昆山 215300）

大口徑薄壁不銹鋼管道精密焊接坡口加工整體解決方案

汪 忠，卜千根，汪 魁，周有泉

（昆山華恒焊接股份有限公司，江蘇昆山 215300）

針對大型薄壁不銹鋼管道的加工難點，提出了整體解決方案，通過內撐工裝解決大型薄壁不銹鋼管道的橢圓問題，并實現管子自適應裝夾。通過數控專家系統(tǒng)實現不同坡口形式的自動進刀，完成不同形式的坡口數控精密加工，提高坡口效率和坡口質量。對于大型薄壁不銹鋼管道的坡口加工是一種創(chuàng)新的高效高質量坡口加工方式。

大口徑；薄壁不銹鋼；坡口；內撐工裝；數控專家系統(tǒng)；坡口機

0 前言

21世紀能源鉆采高速發(fā)展，石油化工、海洋工程、造船、LNG等行業(yè)大規(guī)模發(fā)展。2014年以來，國際經濟形勢嚴峻，但能源板塊卻呈幾何式爆發(fā)增長，最典型的是海洋工程和LNG行業(yè)，其主要載體工藝模塊——管道工程所占比重越來越大，其規(guī)模越來越大，要求越來越高，管徑、材料、壁厚均呈多元化發(fā)展，生產安裝周期越來越短，材料等級由傳統(tǒng)的普通碳鋼升級到低溫鋼、高強鋼、不銹鋼、超級雙相鋼等材料。以海洋工程為例，海洋平臺的幾大主要部件如核心模塊管中過水、油、氣等介質的工藝管線所占比例非常大，而結構管中導管架、立柱等都是大厚壁管組成。目前海洋工程和LNG的工藝模塊管道的范圍從 2''～48''上升到 2''～64''，為了提高防腐能力和減輕管道質量，大口徑管道通常采用厚度6～18 mm的薄壁不銹鋼。

俄羅斯北極圈亞馬爾半島（YAMAL）開發(fā)的液化天然氣（LNG）項目的核心工藝模塊的建造商之一為海洋石油工程（青島）有限公司。該項目中核心工藝模塊的管道預制總量范圍超過500萬寸徑，覆蓋2″～64″的管道范圍，其中大于32″的大口徑占20%，項目周期為3年。如果僅靠傳統(tǒng)加工方法，場地的占用和用工的難度可想而知。

1 焊前坡口加工工藝

常規(guī)工藝模塊管道工程的生產加工工藝流程是下料切斷、開坡口、組對、點焊檢驗、焊接、焊后檢驗等。而前端工序的下料、開坡口工序的質量和效率往往嚴重影響后續(xù)管道焊接的質量和效率。高效高質量的精密管道坡口加工方式如圖1所示[1]。

圖1 焊前管道坡口加工工藝方法

傳統(tǒng)的大管徑不銹鋼管道的坡口加工方法有以下兩種：（1）手工火焰或等離子切割下料。缺點是端口下料質量差，后續(xù)工人打磨量很大。（2）等離子或火焰自動切割下料。優(yōu)點是效率高；缺點是端面坡口質量相對較差，端面不垂直，有缺口，后續(xù)打磨處理量很大，而且飛濺物后期很難清理。目前特別是對于海工工藝模塊的管道加工，海外項目中不銹鋼管道預制坡口加工杜絕熱切割下料，強制要求必須采用冷切割方式開坡口。

這兩種加工方式的缺點是后續(xù)打磨處理時間長、工作環(huán)境差、勞動強度大，工件的準備情況不能夠滿足自動焊接的需要，這也是多年來管道預制生產水平無法提高的主要原因，依然采用傳統(tǒng)、落后的手工TIG焊接方式來預制生產。

因此，大管徑（34″～64″）管道焊前端面坡口精密加工、橢圓管道的坡口加工以及不同壁厚管道的坡口加工效率的提升是本研究的核心。

2 不銹鋼坡口冷加工存在的困難

大管徑不銹鋼管道均采用有縫管，壁薄、橢圓非常大，常規(guī)機械加工幾乎不能夾持管道，因此薄壁不銹鋼管道的坡口加工不能采用常規(guī)的金屬機械加工的方式。

與優(yōu)質碳鋼相比，不銹鋼材料加入了Cr、Ni、Nb、Mo等合金元素。這些合金元素的增加，不僅提高了鋼的耐蝕性，對不銹鋼的機械性能也有一定影響。如馬氏體不銹鋼與45號中碳鋼相比，碳含量相同，但切削加工性只有45鋼的58%，奧氏體不銹鋼只有40%，而奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼韌性高、切削性更差[2]。

不銹鋼管道坡口的加工工藝應遵循金屬切削三要素的原則。但是不銹鋼的切削加工性很差，加工表面硬化嚴重，需要較大的切削力；同時，切削過程中不銹鋼散熱條件差，切削溫度高，在相同的條件下切削溫度比45鋼高約200℃。另外，切削不易折斷、易粘結，刀具易磨損[3]。

3 先進高效的精密坡口加工工藝

在解決薄壁橢圓夾持的情況下，采用管子固定不動、刀盤旋轉的方式實現坡口精密機械冷加工，從而實現管端V型、雙V型、X型、U型、內鏜坡口的高速數控全自動機械加工，并全程實現物流化作業(yè)。同時，效率的提升高于傳統(tǒng)加工方法，坡口加工后無需二次處理。

4 整體解決研制方案

4.1 總體解決方案

研制的大管徑開坡口系統(tǒng)的應用范圍為34″～64″，是針對大管徑各類壁厚的不銹鋼管道坡口數控加工，管道的切斷可采用鋸床、火焰和等離子。待加工的管道吊裝到本系統(tǒng)的物流小車上，然后通過系統(tǒng)設置或者專家系統(tǒng)調用，小車可自動升降到端面坡口機的中心位置。本系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)的工件夾持方法，采用液壓配合激光測距等先進方式三爪六點自動夾持，夾緊力根據壁厚自動液壓調整壓力。節(jié)省了坡口前的輔助準備時間，比傳統(tǒng)夾持方法調整時間節(jié)約50%以上。

該系統(tǒng)解決了國內管材的橢圓度狀況，增加配合內撐工裝，解決薄壁大管坡口加工過程中的變形問題（變形小于等于2 mm）。并調用專家系統(tǒng)，采用CNC專家系統(tǒng)數控程序控制，實現各類坡口形式的自動加工，為后續(xù)的管道自動化焊接提供保障，是目前大管徑最先進的管道加工方式，是未來管道智能化加工車間的核心技術生產裝備。

總體解決方案包括高速數控端面坡口機、自適應升降物流系統(tǒng)、自定心夾持系統(tǒng)、數控坡口專家系統(tǒng)、防橢圓內撐工裝等，整體解決方案布局如圖2所示。

圖2 整體解決方案布局

4.2 主體結構設計

主體結構設計主要解決管道的剛性切削，要求設備具備足夠的剛性、布局合理、符合人性化設計、功能齊全，主要由底座結構體、主動力箱、進刀系統(tǒng)、自定心夾具體、自動排屑機等組成。整體主體結構設計如圖3所示。

圖3 整體主體結構設計

4.3 先進坡口進刀設計

坡口進刀設計分為軸向進刀系統(tǒng)、徑向進刀系統(tǒng)、刀盤旋轉系統(tǒng)等[4]。

軸向進刀是整體解決方案的研發(fā)設計重點之一，是端面坡口機核心數控化程度功能模塊設計。采用全數控化控制和伺服電機＋RV減速機結構設計帶動滾珠絲杠副運動，實現軸向進刀運動，確保兩軸可插補CNC進刀控制，這與傳統(tǒng)的機械進刀控制存在本質區(qū)別，軸向進刀系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 軸向進刀系統(tǒng)

徑向進刀是本系統(tǒng)研發(fā)設計又一重點，是端面坡口機核心數控化程度功能模塊設計。采用全數控化控制和伺服電機＋RV減速機結構設計帶動滾珠絲杠副運動，實現徑向進刀運動，確保兩軸可相互插補CNC精確進刀控制。

刀盤進刀設計是徑向進刀的執(zhí)行機構。通過徑向進刀機構帶動齒條前進后退，并通過齒輪旋轉實現徑向方向運動的轉變，調整徑向進刀量。為了實現外坡口和內坡口的CNCN數控進刀，刀柄設計安裝兩把菱形刀片。實現外坡口和內鏜的一鍵式加工，徑向進刀系統(tǒng)及刀盤旋轉系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 徑向進刀系統(tǒng)及刀盤旋轉系統(tǒng)

4.4 先進物流及自定心夾具設計

物流系統(tǒng)由2個3軸自適應物流小車在軌道上行走組成，與自定心夾具體配合使用，通過控制系統(tǒng)輸入管子直徑壁厚或者調用專家系統(tǒng)后，物流小車可通過激光測距傳感器自動升降進行x/y方向的自動調整，隨后三爪自定心夾具體下段兩爪自動升降，以達到與刀盤的自動定心，精度可達0.2 mm。待管子到位后自定心夾具體上爪下壓壓緊管子。這樣管子完成了坡口前的加工準備，如圖6、圖7所示。

圖6 自定心夾具體

圖7 3軸自適應物流小車

物流和自定心夾具體的先進設計非常關鍵，可最大限度地降低輔助時間，也是提升效率最有效的方法。傳統(tǒng)方式往往前期輔助準備時間比坡口加工時間長，導致坡口加工效率無法提高。

4.5 防橢圓裝置設計

針對不銹鋼大管徑薄壁管道，主要采用在自然狀態(tài)下呈橢圓形狀的有縫焊管。坡口加工前先夾住管子，因為管子自身強度不夠且為橢圓狀，夾住后變形很大，無法加工，于是設計了防橢圓工裝，在管子的內壁安裝內撐裝置將管子撐圓，提升管子的裝夾強度和圓度，然后將撐圓后的管子吊裝到坡口機系統(tǒng)上夾緊，防止坡口加工時影響坡口質量[5]。

將管子內撐工裝放在內撐機中間的軸上，內撐機可以電動升降和前進后退，當管子放在內撐機上后使內撐機前進，然后用把手或液壓扳手搖動內撐工裝，內撐工裝將管子撐圓。壁厚15 mm以內的管子撐圓后，橢圓度可控制在2 mm范圍內，如圖8、圖9所示。

圖8 內撐裝置機

圖9 管子內撐工裝

4.6 數控控制系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)數控方法需要工人掌握一定的編程技能，而本研究開發(fā)的切割專家系統(tǒng)無需人工編程。大量的CNC數控編程控制后臺軟件二次開發(fā)處理，工人只需輸入管道材質、管徑、壁厚，選擇坡口形式，即可調用專家系統(tǒng)。啟動坡口機，能對各種常見坡口形式進行數控坡口加工，過程完全無需人工參與。

另外，專家系統(tǒng)還實現了生產效率統(tǒng)計、自動計時、生成日報表、周報表、月報表、維護保養(yǎng)提示、故障自動提示等功能，如圖10～圖15所示。

圖10 專家系統(tǒng)坡口界面

5 研制應用實驗驗證

通過研制設備進行多組不同材料、壁厚、管徑、不同坡口類型的實驗，統(tǒng)計結果如表1所示。結果表明，傳統(tǒng)產品的機械加工方式時間累積超過1 h，而新加工工藝效率提升了60%以上，不但提高了焊接坡口的加工效率，還將坡口質量提升到一個前所未有的標準。加工過程如圖16～圖19所示。

圖11 專家系統(tǒng)調用界面

圖12 專家系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)控

圖13 專家系統(tǒng)報警檢測

圖14 專家系統(tǒng)維護保養(yǎng)點檢

圖15 專家系統(tǒng)生成的報表

表1 實驗數據統(tǒng)計Table 1 Experimental data record

圖16 內撐實驗現場

6 結論

通過實驗驗證，多項技術指標顛覆了傳統(tǒng)方法，解決了薄壁不銹鋼管道在橢圓狀態(tài)下的加工問題，開辟了新的大管徑管道坡口加工方式，解決了后期再處理的時間問題，很大程度上降低了工人的勞動強度，用操作工替代技能工，部分解決了企業(yè)“用工荒”的問題，實現了目前主流的宏觀發(fā)展方向“機器替代人”，并實現了部分智能化，緊跟“中國制造2025”的步伐。

圖17 不銹鋼U型坡口加工

圖18 碳鋼加工過程

本解決方案的創(chuàng)新點如下：

（1）解決了薄壁管橢圓度問題。

（2）坡口效率提升1倍以上。

（3）采用最先進的全數控坡口進刀方式，實現了3軸聯動，軸向和徑向插補伺服進刀，進刀量按需調整。

圖19 不銹鋼加工整體

（4）實現了外坡口、內鏜的一體程序化自動數控坡口加工方式。

（5）圖形化參數輸入的專家系統(tǒng)調用方式，擺脫了對工人的數控編程操作技能需求。

（6）實現了U型、雙V型、V型、X型以及內鏜的最先進技術復合坡口一體化數控自動加工方式，加工過程不換刀。

（7）實現了壁厚100 mm內的大管徑坡口機械冷加工。

[1]張海龍，黃忠銀，齊化冰，等.大口徑鋼管坡口加工質量和進度的控制方法[J].石油化工建設，2008，30（6）：25-27.

[2]吳從好.不銹鋼材料切削加工的難點分析與解決方法[J].電子世界，2012（10）：108-109.

[3]趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊（第4版）[M].上海：上?？茖W技術出版社，2006.

[4]卜千根.一種用于端面坡口機加工設備的進退刀機構[P].中國專利：CN201620742099.7，2016-12-21.

[5]汪魁.用于大口徑薄壁管端面坡口加工的內撐工裝[P].中國專利：CN106826324A,2017-06-13.

A overall solution for the precise welding beveling of the large thin-walled stainless steel pipe

WANG Zhong，BU Qiangeng，WANG Kui，ZHOU Youquan
（Kunshan Huaheng Welding Company Limited，Kunshan 215300，China）

A total solution is put forward for large thin-walled stainless steel pipe processing difficulties through an inner expansion fixture equipment.It not only can solve the elliptic deformation problem of thin-walled stainless steel pipe but also implement the adaptive clamping of the pipe.The automatic feeding of different groove forms is realized by numerical control expert system，and the NC precision machining of different forms of groove is completed，so as to improve the groove efficiency and groove quality.It is an innovative high quality beveling processing for the large thin-walled stainless steel pipe.

large diameter；thin-walled stainless steel；groove；inner expansion fixture equipment；CNC expert system；beveling machine

TG457.11

B

1001－2303（2017）11－0035-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.07

本文參考文獻引用格式：汪忠，卜千根，汪魁，等.大口徑薄壁不銹鋼管道精密焊接坡口加工整體解決方案[J].電焊機，2017，47（11）：35-40.

2017-05-31；

2017-09-30

汪 忠（1975—），男，高級工程師，學士，主要從事先進高效的自動焊焊接工藝及裝備的研究及市場推廣。E-mail：19699580@qq.com。