許家忠+張宇+尤波+李東潔+付偉

摘 要：為了改善復(fù)雜環(huán)境下海洋平臺(tái)樁管焊接施工生產(chǎn)效率低、操作不便等問(wèn)題，研制了多點(diǎn)雙電源單熔池雙絲雙弧焊接系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)由焊接小車行走機(jī)構(gòu)、雙焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)和120°環(huán)形對(duì)接導(dǎo)軌組成，基于PLC對(duì)單絲交流手工氣體保護(hù)焊機(jī)內(nèi)部時(shí)序與行走電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的控制要求，硬件構(gòu)成，軟件程序設(shè)計(jì)以及人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，并完成了樁管環(huán)形焊縫的焊接試驗(yàn)及工藝參數(shù)選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，樁管對(duì)接焊縫成形性良好，射線檢測(cè)質(zhì)量合格，完全滿足了樁管在海洋平臺(tái)對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)的施工要求。

關(guān)鍵詞：

海上樁管；焊接工藝；機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；PLC

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.013

中圖分類號(hào)： TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）06-0067-05

Abstract：Twin arc welding system for offshore platform pile pipe with multipoint dual power and a single molten pool is put forward in this paper in order to solve the problems of low producing efficiency and operating inconvenience in complex environment. Welding tractor， double welding gun adjusting mechanism and 120 degrees circumferential butt joint guide rail are designed. Monofilament AC manual gas protection welding machine internal timing and motion motor are under realtime control Based on PLC. We elaborate the control requirement of the system， hardware configuration， software design and humanmachine interface design， and complete the pile pipe girth welding test and technological parameter selection. The experimental results show that the system is stable and reliable， and the butt weld of the pile pipe is good， and the quality of the radiographic inspection is qualified， which fully meets the requirements of the construction of the pile pipe in the docking site of the offshore platform.

Keywords：offshore platform pile pipe； welding process； mechanical system design； control system design； PLC

0 引 言

海上樁管焊接是重要的海洋工程連接技術(shù)之一[1-2]。隨著海洋油氣能源不斷地開(kāi)發(fā)，海洋平臺(tái)建造工作量也逐年增加，從而樁管的海上焊接問(wèn)題尤為突出。樁管的口徑大，管壁厚，焊接質(zhì)量要求高，且施工條件惡劣[3-4]。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)乃至世界上對(duì)海洋平臺(tái)樁管的連接一直采用焊條電弧焊，焊接效率很低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大[5-6]。隨著焊機(jī)技術(shù)發(fā)展，目前施工企業(yè)主要采用半自動(dòng)手工氣體保護(hù)焊設(shè)備，受到坡口形式和半自動(dòng)手工焊本身的技術(shù)特點(diǎn)限制[7]，焊接效率和質(zhì)量也很難再有提高。為了縮短工期，降低建造成本，同時(shí)也為了減少海上作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，需要研制出樁管環(huán)形焊縫的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)[8-10]。

早期勝利油田油建一公司已經(jīng)研制了基于單片機(jī)的樁管橫焊縫自動(dòng)焊接裝置，X射線探傷一次合格率在95%以上，Φ1600mm樁管環(huán)縫焊接時(shí)間由焊條電弧焊的8～10h縮短到3h[11]，因此該裝置得到了應(yīng)用和推廣。2006年中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院研制的專用自動(dòng)化海洋設(shè)備在海南24井平臺(tái)上導(dǎo)管架上進(jìn)行工程應(yīng)用[12]，針對(duì)環(huán)形樁管環(huán)縫不太適用。

本文針對(duì)海上樁管環(huán)縫焊接，將從提高焊接生產(chǎn)效率和質(zhì)量角度出發(fā)，以焊接小車作為焊接載體，結(jié)合工藝控制要求，通過(guò)精確控制焊接時(shí)序流程、行走電機(jī)運(yùn)動(dòng)和工藝參數(shù)采集等環(huán)節(jié)，完成了基于PLC和HMI組合的多點(diǎn)雙電源單熔池雙絲雙弧焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)焊接試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多點(diǎn)雙電源單熔池雙絲雙弧焊接系統(tǒng)包括3套焊接小車，每套焊接小車系統(tǒng)由2臺(tái)焊接電源、2臺(tái)送絲機(jī)、PLC控制系統(tǒng)和其他輔助機(jī)構(gòu)組成，焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

主從站采用Modbus總線通訊協(xié)議，主站通過(guò)以太網(wǎng)通訊完成人機(jī)交互。為更好地提高焊接效率，3臺(tái)焊接小車分別安裝在環(huán)形導(dǎo)軌的三分之一處。焊接開(kāi)始時(shí)，3臺(tái)焊接小車先進(jìn)行原點(diǎn)歸零，然后沿著環(huán)形焊縫順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行焊接，在到達(dá)預(yù)設(shè)焊接位置后停止焊接?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)焊接小車行走一圈的距離參數(shù)計(jì)算出小車之間的相對(duì)位置，保證3臺(tái)焊接小車正常工作時(shí)不存在干涉。焊接小車以焊槍啟動(dòng)為準(zhǔn)，停止運(yùn)行以焊槍停止為準(zhǔn)。每臺(tái)焊接小車獨(dú)立完成三分之一管道的打底焊、填充焊、蓋面焊等焊接工序。endprint

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)包括焊接小車行走機(jī)構(gòu)、焊槍位置及角度調(diào)整機(jī)構(gòu)和軌道機(jī)構(gòu)三部分。

焊車行走系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性是影響焊縫成形和內(nèi)在質(zhì)量的重要因素[13]。為了便于裝卸和使用，采用分段式環(huán)形軌道設(shè)計(jì)，通過(guò)扳手和卡扣連接而成圓形導(dǎo)軌。圓形導(dǎo)軌的兩側(cè)為環(huán)形導(dǎo)向軌，與環(huán)形導(dǎo)向軌中間的傳動(dòng)軌構(gòu)成復(fù)合導(dǎo)向軌道，導(dǎo)軌內(nèi)部設(shè)有軌道鎖緊裝置，以實(shí)現(xiàn)與固定樁管上的鏈條固定支撐塊卡緊，導(dǎo)軌外部設(shè)有齒條用于實(shí)現(xiàn)與行走機(jī)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)。焊接小車通過(guò)鎖緊裝置裝卡在焊接鋁導(dǎo)軌的V形導(dǎo)軌上，并通過(guò)離合裝置使驅(qū)動(dòng)齒輪與導(dǎo)軌齒輪嚙合。行走機(jī)構(gòu)采用單驅(qū)動(dòng)齒輪咬合方式，主要包括行走齒輪、減速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)部分包括行走和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，共同完成焊接小車沿導(dǎo)軌外側(cè)做周向運(yùn)動(dòng)。焊槍的軸向和徑向調(diào)整機(jī)構(gòu)采用滾珠絲桿、梯形滑塊的傳動(dòng)方式；角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用窩心輪調(diào)節(jié)，共同調(diào)整焊縫不同位置的焊絲與管壁的間距及角度。焊接小車在焊接過(guò)程中的工作情況如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC的獨(dú)立雙絲雙弧焊接系統(tǒng)通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式去實(shí)現(xiàn)功能，以便于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和設(shè)備功能擴(kuò)展。焊接控制系統(tǒng)通過(guò)最大100kHz脈沖輸出，用于控制焊接速度和焊接時(shí)序。

3.1 焊接控制要求

將焊接時(shí)序主要分為3個(gè)階段：

1）引弧階段。正常焊接前要進(jìn)行必要的準(zhǔn)備階段。通過(guò)焊槍位置及角度機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)焊絲與焊道之間的距離，保證CO2氣路通暢。為了保證雙絲能夠全部同時(shí)起弧，均采取慢送絲方式進(jìn)行起弧，實(shí)現(xiàn)起弧點(diǎn)焊縫的成形和質(zhì)量的控制。

2）焊接階段。焊接系統(tǒng)按照事先設(shè)定完整的焊接參數(shù)穩(wěn)定焊接，且在焊接時(shí)電流電壓參數(shù)是可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的。雙絲焊接回路是彼此相互獨(dú)立的，觀測(cè)焊絲熔化后的飛濺情況，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)完成最佳焊縫成形。

3）熄弧階段。焊接結(jié)束時(shí)，基于焊接電源內(nèi)部設(shè)置有自動(dòng)收弧功能，為了保證雙絲熄弧均不粘絲，同時(shí)通過(guò)PLC程序?qū)附訒r(shí)序中實(shí)施控制，設(shè)置停絲延時(shí)后停電源有，效地避免了焊絲與熔池短路，降低了回?zé)龝r(shí)間。

3.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)以PLC和模擬量輸入/輸出模塊為核心，焊接電流和電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)直流電流/電壓變送器轉(zhuǎn)換，輸出0～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，輸入到模擬量輸入模塊，經(jīng)過(guò)PLC的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，利用控制系統(tǒng)判斷焊接時(shí)序所處的工作階段和狀態(tài)[14-15]，輸出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并同時(shí)輸出模擬量信號(hào)控制送絲直流電機(jī)運(yùn)行，PLC發(fā)送脈沖信號(hào)控制行走步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。

基于唐山松下CO2保護(hù)焊機(jī)進(jìn)行設(shè)備控制，焊機(jī)設(shè)有外控端子，PLC通過(guò)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)控制焊接啟停，PLC輸出模擬量控制焊機(jī)預(yù)置電壓；焊絲末端電弧電壓通過(guò)反饋線給焊機(jī)，使電弧電壓得到補(bǔ)償。

3.3 PLC程序開(kāi)發(fā)

根據(jù)焊接工藝控制要求，使用STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件結(jié)合硬件輸入輸出信號(hào)，按照焊接時(shí)序設(shè)計(jì)主程序流程圖，如圖4所示。

PLC程序采用主程序調(diào)用子程序方式運(yùn)行主函數(shù)，主要包括4個(gè)子程序：工藝流程、數(shù)據(jù)處理、電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)和通訊。工藝流程包括預(yù)送氣、小車啟動(dòng)、慢送絲、焊接啟動(dòng)、停止送絲、小車停止、停止送氣和焊接停止8個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)之間可以設(shè)置最佳延遲時(shí)間，來(lái)滿足不同的焊接位置需求。

數(shù)據(jù)處理先將采集的電壓和電流真實(shí)值轉(zhuǎn)換為0～10V模擬量值，再經(jīng)過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系變?yōu)?0～48V和0～400A的標(biāo)準(zhǔn)焊機(jī)參數(shù)，并顯示在觸摸屏上。電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)利用編程軟件中的“運(yùn)動(dòng)控制向?qū)А惫δ?，在子例程中直接調(diào)用AXISx_CTRL子例程供軸初始化和AXISx_CTRL子例程命令軸轉(zhuǎn)到指定位置。在庫(kù)中調(diào)用Modbus RTU Master與Modbus RTU Slave實(shí)現(xiàn)PLC主從站的通訊，部分通訊程序如圖5所示。

3.4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面由SIEMENS公司的組態(tài)軟件WINCC設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)焊接參數(shù)的預(yù)先設(shè)置和實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)焊工的操作習(xí)慣和焊機(jī)本身特點(diǎn)，將界面分為焊接小車參數(shù)顯示和運(yùn)動(dòng)控制兩大板塊，界面如圖6所示。焊接電壓和送絲速度（焊接電流）是焊機(jī)的預(yù)制參數(shù)顯示；真實(shí)電壓和電流在焊接過(guò)程中波動(dòng)性可以直接反映出穩(wěn)定性。

在運(yùn)動(dòng)參數(shù)中，小車行走速度和速度實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，小車調(diào)整速度作用是方便手動(dòng)調(diào)整小車在環(huán)形焊道上的位置，連續(xù)送絲速度設(shè)置是改變焊接過(guò)程電流大小的；點(diǎn)動(dòng)送絲速度設(shè)置作用是調(diào)整焊絲到焊道距離，提高了焊接開(kāi)始的引弧成功率。觸摸屏采用雙焊接回路對(duì)比方式設(shè)計(jì)，界面簡(jiǎn)單清晰，易于焊工操作。

4 焊接試驗(yàn)

焊接工藝是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效焊縫的關(guān)鍵。樁管材料為碳鋼，壁厚為38mm，坡口形式為單邊30°V型，坡口組對(duì)間距為0～2mm，采用1.2mm的實(shí)心焊絲，以表1所示的焊接工藝參數(shù)順利完成了一道直徑1829mm的焊口，用時(shí)僅2h 10min，大幅度降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。用射線探傷方式對(duì)焊縫質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

如圖7所示，焊縫成型美觀，工藝性能良好，無(wú)焊瘤和咬邊，熔寬均勻，熔深一致，焊接接頭機(jī)械性能滿足AWSD1.1最新版要求，焊縫的焊接質(zhì)量完全滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié) 論

本文為了提高海洋平臺(tái)樁管對(duì)接的生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用實(shí)例，得出以下結(jié)論：

1）該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同口徑的樁管對(duì)接，以機(jī)械結(jié)構(gòu)代替人工焊接方式，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）該系統(tǒng)應(yīng)用PLC完成了半自動(dòng)焊機(jī)焊接時(shí)序和步進(jìn)電機(jī)的控制，增強(qiáng)了焊接過(guò)程的自動(dòng)化程度。同時(shí)設(shè)計(jì)了人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了焊接工藝和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的采集、顯示和存儲(chǔ)功能。界面簡(jiǎn)單易懂、維護(hù)方便，不需操作人員有較高的技術(shù)水平即可操作。

3）實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，焊接小車運(yùn)行平穩(wěn)，焊縫的焊接質(zhì)量滿足生產(chǎn)要求，體現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。endprint

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）endprint