浅述自动焊接桩腿专机在海洋钻井平台建造中的应用

林凤杰

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000）

·探讨与创新·

浅述自动焊接桩腿专机在海洋钻井平台建造中的应用

林凤杰

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000）

结合我国钢铁行业产能过剩和钢筋加工配送中心发展缓慢的现状，提出在棒线材轧钢厂建设钢筋加工配送中心的设想，阐述了这个设想的做法和论证了钢筋加工配送中心是棒线材轧钢厂新的利润增长点。

自动焊接专机；埋弧焊接；焊剂回收

自动焊接桩腿专机，是为自升式钻井平台桩腿装配焊接成型设计的专用焊接生产线，是平台桩腿建造的核心设备。

桩腿自动焊接生产线，通过将半舷管和齿条板组对夹紧并运用埋弧和加温工艺焊接成型，全过程温度、精度要求较高。主舷管单根长度约为8～12 m，主舷管焊接完成后，通过桩腿组立工装，将主舷管装配成三角桁架结构的分段组块，再通过吊装工艺，组成高度300～500英尺的自升式平台变速齿轮箱链齿兼作受力腿。主打400英尺自升式平台共需长度12 m左右的主舷管约156根。桩腿建造质量的好坏，决定着自升式平台在海上作业环境的工作稳定性和抗波噪浪涌能力。

单根主舷管建造过程中，为减少焊接后工件的挠度变形、主齿条板与双半舷管采用上两组焊缝对称焊接、下两组焊缝对称焊接、上下焊缝交替翻转焊接的工艺方案。

将初步打底的半舷管和齿条板放置于专用夹持翻转机上，通过双侧埋弧焊机头的焊臂在机架上依靠横移滑块和竖向滑块作X Y轴伺服运动，配用激光位移传感器，使机头上的焊嘴能够自动精准对接焊缝。焊枪焊嘴位置设有手动微调装置，便于微调。焊接系统通过操作台车、悬臂梁焊臂、焊接电源组成的操作机变频调速，在钢轨上作纵向直线行走，可全过程自动焊接回转，并通过焊剂回收系统，将埋弧焊接过程的焊剂进行送料和回收保温，重复利用。

设备现场安装施工时，为满足焊接中心距地面950mm的高度，桩腿定位装置、桩腿变位机均安装到深690mm的地坑里面。

一、技术说明

1.技术参数（表1）

表1

2.主要结构

该焊接设备由焊接操作机、定位装置（包括一组升降托架1和两组升降托架2）、变位机、路轨、焊接电源、悬挂式焊接机头、焊剂回收系统、控制系统等组成。如图1所示。

图1 桩腿焊接专机示意图

（1）焊接操作机

该焊接操作机是采用台车行走方式进行焊接，为保证焊接的稳定性，焊接操作机安放在经精加工后的轨道上运行，在操作机横臂梁上安装有两个可升降的升降臂，两套悬挂式埋弧焊机头分别安装在两个升降臂的下端，可随升降臂升降调整高低位置，特制的焊接扁枪安装在电动十字拖板上，可调节焊枪左右位置和高低位置使其对准焊缝，由焊接操作机的台车移动进行工件的纵缝焊接。

操作机的横梁上安装有直线导轨及齿条，两套垂直升降焊臂安装在横梁移动滑板上，移动滑板可在操作机横梁上作左右移动。升降臂分别由驱动电机、直线导轨、齿条等组成。电机驱动齿轮带动升降立臂做垂直移动。升降机构采用恒速驱动。

焊枪上下/左右的电动拖板，采用普通直流电机驱动，行程上下100mm、左右100mm。

台车行走导轨采用精加工的专用导轨，驱动系统直接驱动台车滚轮。台车滚轮为翻边结构，兼并导向功能。台车采用交流伺服电机驱动，速度无级可调，快速为回程速度。

（2）定位夹紧机构

每套定位装置分为3组，包括一组升降托架1和两组升降托架2，在装夹工件前，根据工件长度，人工调节三组装置的相对位置，并通过手动锁紧装置手动锁紧。支撑面的高度在放置工件前用升降装置升降到位。支撑架表面手动微调的垫板，微调量不大于5mm。三组定位装置支撑面的相对平面度由操作工人在放置工件前找平。

定位装置的定位块安装位置根据主舷管厚度调节，使主舷管中心与标尺0刻度线尽量重合，以减小靠夹紧机构对中的距离,以延长设备的使用寿命。放置工件时，尽量让工件靠紧定位块，再控制夹紧机构夹紧工件。

（3）翻转变位机

该设备为头尾式升降变位机。在装夹和焊接工件时，变位机退到安全距离。当工件需要翻转时，变位机头尾座才移动到工件两端，通过人工操作装夹工装上的手轮旋转丝杆将工件装夹到位后，方可松开定位装置中的液压夹紧机构，变位机带动工件上升到最高位置，对工件进行翻转，再将工件降到定位装置的支撑面上，待定位装置中的液压夹紧机构装夹到位后，松开对工件的夹持，让变位机退到安全距离。

二、控制系统原理

本设备控制系统包含焊接控制、定位翻转控制和台车行走伺服控制等组成。

其中台车行走伺服控制系统由变频器和伺服电机、伺服驱动器部分组成，伺服控制可实现匀速无振动行走并长时间保持焊接过程的稳定性，提高焊接质量。

通过与林肯NA-5全自动控制系统协同，可实现固态电路精确控制焊接工艺，引弧特性、焊接开始和停止、焊缝尺寸和外形、电弧稳定，降低焊接成本。提高生产率，提高熔敷率，焊接速度快、消除生产瓶颈。重复焊接成本低，锁定焊丝位置调节，使用按钮实现焊接质量一致性生产。操作多样化，焊接程序、送丝速度、焊丝尺寸、焊接参数和方法可在宽广范围内调节。

翻转定位控制系统通过使用变频器控制液压泵站和翻转机构电机动作，实现液压缸注油速度稳定性和夹紧持久性。在单根主舷管重量重达12t的前提下，仍能实现180°的平稳翻转和定位夹紧，并保持焊接过程的定位稳定性，减少由于外力导致的挠度变形，保持焊道的一致性，提高焊接质量。

三、优点特性

1.自动埋弧焊接系统

自动埋弧焊接系统通过林肯NA-5全自动埋弧焊接技术，于伺服驱动的X Y轴悬臂焊枪系统，集合操作机台车的Z轴行走系统，可实现半舷管与齿条板双缝的全方位三维自动激光扫描焊接。

通过计时装置自动控制焊丝回烧回轴时间；

行走开关控制焊接时行走机构自动行走即停止、不焊接时进行系统设置的行走及步行走；

根据应用场合调节焊接参数和行走程序获得最佳的起弧、焊接和收弧功能；

焊接时送丝速度不同的起弧送丝速度确保最佳的引弧性能；

带预设置功能的启动模块选配件能在焊接开始的一段时间内控制熔深、焊缝尺寸和其他；

送丝速度和电弧电压能在焊接前或焊接过程中设定；

电压波动、送丝力、电源负载和环境变化、产生压降，送死速度和电弧电压均能保持不变；

行走机构既可当停止按钮按下、息弧时、也可在收弧或回烧结束时停止行走；

可调延时计时器在焊接结束时，控制焊丝的回烧以防止弧坑粘丝。可将焊丝从弧坑中回抽以利于装卸或将焊丝头去渣以便再次起弧。

电压偏离预设置值，会自动关闭。

2.定位夹紧系统

定位夹紧系统可提供3～5T的液压夹紧力。当齿条板和主舷管通过专用夹持工装吊装到位后，液压夹紧装置以0.5m/min的速度行使夹紧动作。当单侧双缝埋弧焊道焊接填充完成后，定位夹紧机构撤离，变位机动作。通过变位翻转机构实现主舷管整体的180°翻转，夹紧装置再次夹紧动作，操作机进行对侧的双缝埋弧焊道填充焊接作业。

定位夹紧系统替代传统的车间行吊吊装工艺，具有占用空间小，安全系数高、人员操作方便，焊接成型稳定性高，挠度系数低等优点。

3. 变位翻转系统

本设备通过2组翻转机构和夹持工装，实现8～12t主舷管整体翻转。翻转机构通过变频调速，通过齿轮变速实现对大载重量钢结构件的匀速翻转。翻转机两侧有激光定位，当定位夹持系统松开主舷管后，翻转机构会从两侧匀速向齿条板对角行进，同步进行夹持，并配有手动蜗轮蜗杆，增强翻转前夹紧的阻尼系数。夹紧工序完成后，变位机会自动按照设定的程序，匀速将主舷管半成品旋转180°，并放置到定位夹紧工位上。定位机在此动作夹紧，焊接操作机进行另外一侧的双缝埋弧焊接。

本设备的变位翻转系统，完全取代传统的吊装翻转工艺，翻转速度快，稳定性好，翻转后无需移位即可快速进行定位夹紧和埋弧焊接工序。安全系数高，只需操作人员遥控即可实现全程的自动动作。降低了吊装的作业风险，翻转速度是传统工艺的5～8倍。

四、结语

中集来福士海洋工程有限公司作为国内第一批入选“海工行业白名单”的海工制造企业，目前拥有2套全自动桩腿焊接专机生产线。自投入以来，每年的主舷管建造产能可达880～1000根左右，可同时满足5条400英尺的自升式平台的桩腿建造需求。通过将制造技术自动化、智能化，不仅大大降低事故发生率，提升建造速度，还可以提升产品的质量，赢得客户的认可。公司目前已为大连造船厂、新加坡吉宝、外高桥、中远川崎等知名海工客户提供桩腿建造服务。随着科技的发展，智能化海工建造业将会插上科技的翅膀，为中国制造业在国际上赢得更广泛的声誉和影响力。

[1]埋弧焊的推荐坡口[S].GB/T985.2-2008.

[2]埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂[S].GB/T17854-1999.

[3]自升式平台桩腿用钢板[S].GB/T31945-2015.

[4]自升式海洋平台齿条式桩腿锁紧装置[S].GB/T32079-2015.

[5]ABS材料与焊接规范[S].2008.

[6]CCS海上移动式平台入级及建造规范[M].北京：人民交通出版社.2005.

[7]林肯NA-5全自动焊接系统说明书[Z].

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1671-0711（2016）05-0041-03