朱若愚,扈曉剛,劉轉(zhuǎn)超,陳廣
中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300
核島安裝中輔助管道規(guī)格尺寸多,走向復(fù)雜,部件種類不一,分布位置不同,這對于管道生產(chǎn)而言是個巨大的挑戰(zhàn),在各個指標(biāo)要求不同的情況下容易出現(xiàn)質(zhì)量問題,也難以實(shí)現(xiàn)自動化和批量化生產(chǎn),從而導(dǎo)致核島安裝管道預(yù)制的生產(chǎn)效率難以提升。
目前,國內(nèi)核電安裝輔助管道預(yù)制中主要是傳統(tǒng)手工配合傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn),相比傳統(tǒng)手工操作,數(shù)字化設(shè)備的加入為實(shí)現(xiàn)管道自動化生產(chǎn)線落地提供了重要物資條件。
通過對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行深入分析,對生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計,選擇合適的數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)線的搭建,形成一套集上料、定尺、切割、坡口加工、運(yùn)送、標(biāo)識及焊接等操作的自動化生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)各工序操作自動化。自動化生產(chǎn)線的形成可有效降低勞動強(qiáng)度與錯誤發(fā)生率,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。
未來幾年,國內(nèi)核電建設(shè)將邁入高峰期,傳統(tǒng)的手工操作人員培養(yǎng)周期長、施工效率低、勞動強(qiáng)度大,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性受人為因素干擾大[1],越發(fā)不能滿足核電建設(shè)快速發(fā)展的需求。因此,核電工藝管道的預(yù)制日趨走向工廠化,管道預(yù)制加工廠應(yīng)運(yùn)而生,以滿足市場需求,促進(jìn)企業(yè)發(fā)展。
核電管道產(chǎn)品,生產(chǎn)加工精度高、批量大、材質(zhì)特殊,并且厚壁管較多,因而對加工設(shè)備的性能有更高的要求。此外,有些項目往往遇到管道工作量大、管道施工周期短的問題,利用車間現(xiàn)有資源和設(shè)備無法在業(yè)主要求的時間內(nèi)完成,因此有必要采用先進(jìn)、高效、智能的下料設(shè)備滿足管道預(yù)制中的下料工序。采用先進(jìn)高效的自動生產(chǎn)線,可以利用目前現(xiàn)有的人員,不僅能有效控制人工成本,還可保證加工質(zhì)量和效率[2]。
為改變核電站管道預(yù)制長期的純?nèi)斯げ僮鳌⑹苋藛T能力水平影響大,以及效率提升困難的現(xiàn)狀,本項目將針對核電站管道自動化預(yù)制進(jìn)行研究,通過對產(chǎn)品進(jìn)行分析,對生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計,選擇合適的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)線的搭建,對生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行效率及生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行全方面評估,對新模式下的生產(chǎn)方式進(jìn)行深入研究,對關(guān)鍵的自動焊工藝進(jìn)行研究,最終形成一條較成熟的核電站管道自動化預(yù)制生產(chǎn)線,并掌握成套技術(shù),實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)在核電站管道預(yù)制應(yīng)用中的突破。
根據(jù)核電站管道預(yù)制管徑范圍,在D N65~400mm之間的管道占比90%以上,因此按照能覆蓋此類管道范圍來制定合理的工藝流程、選取合適的設(shè)備,在比較經(jīng)濟(jì)的情況下實(shí)現(xiàn)管道預(yù)制自動化程度最大化。在焊接方式上,按照核電的保守策略,選用成熟的氬弧焊方法。
擬定的工藝流程布置如圖1所示。
圖1 工藝流程布置
利用車間場地情況,良好的設(shè)備布局方可實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)線功能。該生產(chǎn)線為實(shí)現(xiàn)上料定尺、切割下料、坡口加工、組對、焊接及標(biāo)識標(biāo)記一體化,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線批量化生產(chǎn),就必須實(shí)現(xiàn)工序流水化、施工標(biāo)準(zhǔn)化。
設(shè)備布局原則如下。
1)利用現(xiàn)有車間空間,不可有空間浪費(fèi)。
2)滿足施工邏輯,按照施工工序進(jìn)行排布。
3)設(shè)備配置數(shù)量合理,滿足連續(xù)作業(yè)需求。
4)操作簡易化,節(jié)約操作人員數(shù)量。
按照以上布局原則,規(guī)劃布置的自動化生產(chǎn)線如圖2所示。
圖2 自動化生產(chǎn)線分布示意
根據(jù)自動化生產(chǎn)線的合理布局規(guī)劃,實(shí)際設(shè)備安裝嚴(yán)格按照規(guī)劃進(jìn)行。該自動化生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)原材料上料、自動化運(yùn)輸至高速鋸床、根據(jù)圖樣信息自動定長下料、自動化運(yùn)輸至坡口機(jī)工位。坡口機(jī)根據(jù)圖樣和設(shè)計文件要求自動開坡口,自動退出坡口機(jī)并轉(zhuǎn)移至組對工位,完成組對后通過自動焊進(jìn)行焊接,對焊接完成的接頭進(jìn)行激光標(biāo)記。
為實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)線設(shè)計功能,需按照設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行設(shè)備選型。
(1)管子數(shù)控切割坡口系統(tǒng)(適應(yīng)管徑:DN50~400mm)配置如下:①管道數(shù)控切割帶鋸床1臺。②管道切割數(shù)控定長系統(tǒng)1套。③管道數(shù)控端面坡口機(jī)1臺(CNC全數(shù)控)。④管道縱向物流輸送系統(tǒng)2套(帶鋸床進(jìn)料、出料)。⑤管道縱向物流輸送系統(tǒng)1套(坡口機(jī))。
切割坡口工序設(shè)備布置如圖3所示。
圖3 切割坡口工序設(shè)備布置
(2)管段組對焊接系統(tǒng) 配置如下。
1)管道預(yù)制機(jī)械組對中心1臺,典型設(shè)備如圖4所示,每個機(jī)頭均能實(shí)現(xiàn)管-管、管-法蘭、管-彎頭、管-三通、管大小頭的機(jī)械快速組對,提高管子與法蘭、彎頭、三通的組對效率與質(zhì)量(包含2臺多功能組對機(jī)頭、2臺支撐小車、1套軌道)。
圖4 管段組對
2)懸臂式管道自動焊機(jī)2臺(適應(yīng)管徑:DN50~400mm):包括1臺卡盤驅(qū)動、1臺分體式壓緊驅(qū)動、1臺懸臂式焊接主機(jī)、焊接電源(TIG、MIG焊接)、支撐小車+配套軌道。典型設(shè)備如圖5所示。
圖5 懸臂式管道自動焊設(shè)備
3)全位置管道自動焊機(jī)1臺(氬弧焊,適用φ88.9~φ273mm),對于復(fù)雜型管段及懸臂式自動焊后相接的管段焊縫,管道不易于轉(zhuǎn)動,采用全位置管道自動焊機(jī)焊接,典型設(shè)備如圖6所示。
圖6 全位置管道自動焊設(shè)備
(3)在線標(biāo)識設(shè)備 配置如下:懸臂式光纖激光打標(biāo)機(jī)2臺,1臺用于切割工位的材料信息標(biāo)識,1臺用于焊接工位的管段及接頭信息標(biāo)識。
自動化生產(chǎn)線工藝流程主要包括以下8個方面:
1)原料上料:使用桁車從原材料上料架橫移至鋸床縱向輸送系統(tǒng)。
2)數(shù)控定長:在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入需要切割的長度,齒輪齒條+導(dǎo)軌+伺服電動機(jī)+數(shù)控系統(tǒng)自動定長小車自動行走至準(zhǔn)確位置,完成定長工作。
3)啟動切割:根據(jù)定長系統(tǒng)內(nèi)已設(shè)置好的切割長度,進(jìn)行高速切割。
4)橫向平移:使用桁車將切割完成的管子移到坡口加工工位。
5)坡口加工:根據(jù)坡口要求,在CNC數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置的坡口形式,操作設(shè)備完成各類坡口形狀的加工。
6)管道轉(zhuǎn)運(yùn):通過桁車或移動存儲小車轉(zhuǎn)運(yùn)。
7)組對標(biāo)識:使用管道預(yù)制機(jī)械組對中心,實(shí)現(xiàn)管-管、管-法蘭、管-彎頭、管-三通、管大小頭的機(jī)械快速組對,并對產(chǎn)品和坡口進(jìn)行標(biāo)識。
8)自動焊接:多數(shù)接頭采用懸臂式管道自動焊機(jī)進(jìn)行TIG自動焊,少量接頭采用全位置管道自動焊機(jī)進(jìn)行TIG自動焊,并采用移動式懸臂光纖激光打標(biāo)機(jī)、曲面打標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)接頭標(biāo)識。
現(xiàn)場針對一批相同規(guī)格的核級產(chǎn)品,分別采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方法和自動化生產(chǎn)線兩種方式開展效率對比分析,主要包括管道切割下料、坡口加工、組對及焊接等方面,分析使用自動化生產(chǎn)線后效率的提升情況,見表1。
表1 生產(chǎn)線效率情況
根據(jù)對傳統(tǒng)生產(chǎn)方法和自動化生產(chǎn)線針對相同核級產(chǎn)品的生產(chǎn)耗時統(tǒng)計結(jié)果,生產(chǎn)效率可達(dá)到20%以上,并且對規(guī)格較大的產(chǎn)品,生產(chǎn)效率提升更為明顯。
自動化焊接設(shè)備主要用于管道對接焊縫,與傳統(tǒng)工藝相比,可以使用全氬焊接,對比氬電聯(lián)焊來說,可以省去層間清理以及最終焊縫打磨試件等工序。如傳統(tǒng)工藝焊接φ273mm×21.4mm,從焊接開始至焊縫表面打磨完成,需資深熟練工人2人,共16個工時,而采用自動化焊接設(shè)備焊接同樣的規(guī)格,焊接完成需16個工時,相當(dāng)于焊接過程效率提高了50%。
自動焊設(shè)備在生產(chǎn)線中的應(yīng)用,不僅提高了焊接效率,同時降低了對核級焊工的需求,緩解了核級焊工不足的現(xiàn)狀。短時間內(nèi)可培養(yǎng)的自動焊操作工,使用自動焊設(shè)備也可保障較高的產(chǎn)品合格率。收集了近一年自動化生產(chǎn)線設(shè)備的焊接合格率和手工對接焊的合格率,其中手工焊的合格率為98.64%,自動焊的合格率為98.83%。自動化生產(chǎn)線使用的自動焊設(shè)備整體合格率較手工焊略有提升,可證明自動焊設(shè)備可保障產(chǎn)品質(zhì)量。
核電站管道自動化預(yù)制生產(chǎn)線的設(shè)計與實(shí)施,可提高核電管道預(yù)制施工速度、縮短施工周期、提高經(jīng)濟(jì)效益。與傳統(tǒng)手工方法相比,整體施工效率可提高20%以上,焊接合格率略有提升。本研究可為后續(xù)核電管道預(yù)制自動化提供應(yīng)用參考。