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        核電站管道自動(dòng)化預(yù)制生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與實(shí)施

        2023-10-28 02:40:54朱若愚扈曉剛劉轉(zhuǎn)超陳廣
        金屬加工(熱加工) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:管段坡口懸臂

        朱若愚,扈曉剛,劉轉(zhuǎn)超,陳廣

        中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

        1 序言

        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(duì)于管道生產(chǎn)而言是個(gè)巨大的挑戰(zhàn),在各個(gè)指標(biāo)要求不同的情況下容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,也難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guó)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(dòng)化生產(chǎn)線落地提供了重要物資條件。

        通過(guò)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行深入分析,對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),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(shí)及焊接等操作的自動(dòng)化生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)各工序操作自動(dòng)化。自動(dòng)化生產(chǎn)線的形成可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度與錯(cuò)誤發(fā)生率,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

        2 研究前景

        未來(lái)幾年,國(guó)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(zhǎng)、施工效率低、勞動(dòng)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(chǎng)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(duì)加工設(shè)備的性能有更高的要求。此外,有些項(xiàng)目往往遇到管道工作量大、管道施工周期短的問(wèn)題,利用車間現(xiàn)有資源和設(shè)備無(wú)法在業(yè)主要求的時(shí)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(dòng)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]。

        3 研究目的

        為改變核電站管道預(yù)制長(zhǎng)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(xiàng)目將針對(duì)核電站管道自動(dòng)化預(yù)制進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析,對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),選擇合適的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)線的搭建,對(duì)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(píng)估,對(duì)新模式下的生產(chǎn)方式進(jìn)行深入研究,對(duì)關(guān)鍵的自動(dòng)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(dòng)化預(yù)制生產(chǎn)線,并掌握成套技術(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)在核電站管道預(yù)制應(yīng)用中的突破。

        4 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)思路

        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(lái)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(dòng)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

        5 自動(dòng)化生產(chǎn)線布局

        利用車間場(chǎng)地情況,良好的設(shè)備布局方可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)、焊接及標(biāo)識(shí)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(jiǎn)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(dòng)化生產(chǎn)線如圖2所示。

        圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)線分布示意

        根據(jù)自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)原材料上料、自動(dòng)化運(yùn)輸至高速鋸床、根據(jù)圖樣信息自動(dòng)定長(zhǎng)下料、自動(dòng)化運(yùn)輸至坡口機(jī)工位。坡口機(jī)根據(jù)圖樣和設(shè)計(jì)文件要求自動(dòng)開(kāi)坡口,自動(dòng)退出坡口機(jī)并轉(zhuǎn)移至組對(duì)工位,完成組對(duì)后通過(guò)自動(dòng)焊進(jìn)行焊接,對(duì)焊接完成的接頭進(jìn)行激光標(biāo)記。

        6 設(shè)備選用及布置

        為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)功能,需按照設(shè)計(jì)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(tái)。②管道切割數(shù)控定長(zhǎng)系統(tǒng)1套。③管道數(shù)控端面坡口機(jī)1臺(tái)(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(duì)焊接系統(tǒng) 配置如下。

        1)管道預(yù)制機(jī)械組對(duì)中心1臺(tái),典型設(shè)備如圖4所示,每個(gè)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(duì),提高管子與法蘭、彎頭、三通的組對(duì)效率與質(zhì)量(包含2臺(tái)多功能組對(duì)機(jī)頭、2臺(tái)支撐小車、1套軌道)。

        圖4 管段組對(duì)

        2)懸臂式管道自動(dòng)焊機(jī)2臺(tái)(適應(yīng)管徑:DN50~400mm):包括1臺(tái)卡盤(pán)驅(qū)動(dòng)、1臺(tái)分體式壓緊驅(qū)動(dòng)、1臺(tái)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(dòng)焊設(shè)備

        3)全位置管道自動(dòng)焊機(jī)1臺(tái)(氬弧焊,適用φ88.9~φ273mm),對(duì)于復(fù)雜型管段及懸臂式自動(dòng)焊后相接的管段焊縫,管道不易于轉(zhuǎn)動(dòng),采用全位置管道自動(dòng)焊機(jī)焊接,典型設(shè)備如圖6所示。

        圖6 全位置管道自動(dòng)焊設(shè)備

        (3)在線標(biāo)識(shí)設(shè)備 配置如下:懸臂式光纖激光打標(biāo)機(jī)2臺(tái),1臺(tái)用于切割工位的材料信息標(biāo)識(shí),1臺(tái)用于焊接工位的管段及接頭信息標(biāo)識(shí)。

        7 自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝流程

        自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝流程主要包括以下8個(gè)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(zhǎng):在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入需要切割的長(zhǎng)度,齒輪齒條+導(dǎo)軌+伺服電動(dòng)機(jī)+數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)定長(zhǎng)小車自動(dòng)行走至準(zhǔn)確位置,完成定長(zhǎng)工作。

        3)啟動(dòng)切割:根據(jù)定長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)已設(shè)置好的切割長(zhǎng)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(guò)桁車或移動(dòng)存儲(chǔ)小車轉(zhuǎn)運(yùn)。

        7)組對(duì)標(biāo)識(shí):使用管道預(yù)制機(jī)械組對(duì)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(duì),并對(duì)產(chǎn)品和坡口進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

        8)自動(dòng)焊接:多數(shù)接頭采用懸臂式管道自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行TIG自動(dòng)焊,少量接頭采用全位置管道自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行TIG自動(dòng)焊,并采用移動(dòng)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(shí)。

        8 生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用情況分析

        8.1 施工效率分析

        現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)一批相同規(guī)格的核級(jí)產(chǎn)品,分別采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方法和自動(dòng)化生產(chǎn)線兩種方式開(kāi)展效率對(duì)比分析,主要包括管道切割下料、坡口加工、組對(duì)及焊接等方面,分析使用自動(dòng)化生產(chǎn)線后效率的提升情況,見(jiàn)表1。

        表1 生產(chǎn)線效率情況

        根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)方法和自動(dòng)化生產(chǎn)線針對(duì)相同核級(jí)產(chǎn)品的生產(chǎn)耗時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,生產(chǎn)效率可達(dá)到20%以上,并且對(duì)規(guī)格較大的產(chǎn)品,生產(chǎn)效率提升更為明顯。

        自動(dòng)化焊接設(shè)備主要用于管道對(duì)接焊縫,與傳統(tǒng)工藝相比,可以使用全氬焊接,對(duì)比氬電聯(lián)焊來(lái)說(shuō),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(kāi)始至焊縫表面打磨完成,需資深熟練工人2人,共16個(gè)工時(shí),而采用自動(dòng)化焊接設(shè)備焊接同樣的規(guī)格,焊接完成需16個(gè)工時(shí),相當(dāng)于焊接過(guò)程效率提高了50%。

        8.2 焊接合格率分析

        自動(dòng)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(shí)降低了對(duì)核級(jí)焊工的需求,緩解了核級(jí)焊工不足的現(xiàn)狀。短時(shí)間內(nèi)可培養(yǎng)的自動(dòng)焊操作工,使用自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備的焊接合格率和手工對(duì)接焊的合格率,其中手工焊的合格率為98.64%,自動(dòng)焊的合格率為98.83%。自動(dòng)化生產(chǎn)線使用的自動(dòng)焊設(shè)備整體合格率較手工焊略有提升,可證明自動(dòng)焊設(shè)備可保障產(chǎn)品質(zhì)量。

        9 結(jié)束語(yǔ)

        核電站管道自動(dòng)化預(yù)制生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)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(dòng)化提供應(yīng)用參考。

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