石油专用管加工线测长称重喷标装置技术方案

丁 鹏，晏梦云，魏鹏飞，李 鑫，马永刚

（1.渤海石油装备制造有限公司，天津 300280；2.西安电力高等专科学校，陕西西安 710032；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；4.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070）

0 引言

我国近几年已经成为石油专用管的第一大生产国，但中高端石油管产量占比不高，分析其主要原因有：①专业化智能化生产设备技术依赖进口；②生产过程控制及检测技术依赖进口；③高等级钢材及特殊扣石油管方面技术薄弱。因此，需要提高我国石油专用管的等级质量，向中国智能制造迈进。

目前，石油专用管加工线技术提升或建造时，配套设备要求自动化、智能化，精度、检测技术、工艺复杂性、控制技术等均要求很高。在这样的技术背景下，结合国外加工线设备特点，设计开发的将石油专用管测长、称重、喷标、涂色环等4 项工艺加工过程集成到一套设备上完成，控制采用集成化程序控制，根据工序工位特点多工位同时进行，大幅缩短石油管在线生产时间，提高石油管加工质量。

1 设计方案

系统设计方案有测长、称重、喷标、涂色环等4 个主体工位，辅助工位有步进梁、上料和下料工位。石油管经步进梁取料横向进入测长→称重→喷标→涂色环→进入输出辊道，钢管输出（图1）。计算机程序控制钢管进料、测长、称重等所有工序，主控软件实时录入各个工位的测量数据及钢管状态信息，经过程序控制，将生产线设计要求的测量信息，如钢管等级标准、规格型号、接箍扣型、管长、管重等喷印在钢管上。生产过程控制对生产情况进行详细管理，统计、查询、判别、实时跟踪石油管型号、规格及参数，可进行数据管理，报表打印等工作，还可进行人工预设定及项目参数的修改，并具有电气、气压、油压、故障、误操作等实时诊断和报警。

图1 设备工序工位布置

2 技术参数

石油管外径：Φ48～180 mm，Φ114～340 mm，Φ219～508 mm（系列化）；长6～15 m，工序周期15～90 s（根据生产线规格要求设计调整，图2）；外径公差：±1%；弯曲度：≤1.5 mm/m（管端≤3 mm/m）；椭圆度：≤0.8%。

图2 设备各工位工作周期（以Φ180 mm 为例）

3 设备组成

石油管称重、测长、喷标、涂色环设备主要由称重装置、测长装置、喷标装置、涂色环装置、步进式移管机、辅助装置及电气测控装置等部分组成。

（1）钢管称重工位由底座、电子秤（称重传感器）、整体称重梁、钢管V 形架组成。当钢管移送到称重工位时，传感器检测到工位有未测量钢管，钢管延时稳定静止，确认后启动测量程序，称重传感器将测量数据经滤波、转换、数字处理，将钢管测量的实际重量记录在计算机内，同时显示在仪表上。钢管测量的重量值在生产线控系统内永久保存，随时可查询、核对、打印。称重测量完成后，由步进式移管机再工作一个循环将钢管从称重系统移到下一个工位，从而完成称重循环（图3）。

图3 称重工位结构原理

称重范围按石油管生产线规格标准确定；称重精度≥1/3000，符合中国国家商业三级秤标准；根据测长、称重结果对重量不合格钢管作出判断并报警。

（2）测长工位由V 形台架、测长油缸（气缸）、20对光电传感器和计数模块等部分组成（图4）。当钢管移送到测长工位时，传感器检测到工位有未测量钢管，确认后启动测量程序，测长油缸推动钢管向前移动，通过测长位移传感器和光电开关来测量长度，计算机接收到测量完成信号后，根据记录的位移传感器和光电开关位移值计算出钢管长度。当计算机模块故障或计算值超过实际允许值时系统报警，并重新测量核对，如报警不能排除，则称重工位工作完成后，系统自动退出。若该工位没有管子，直接认为该工位工序完成。

图4 测长工位结构原理

石油管测长范围为4500～15000 mm，测长精度为0～+2.0 mm。

（3）喷标工位由喷印支撑架及气动标记喷印机等组成，包括喷标桁架、横移机构、喷头升降机构、防碰撞机构、喷头及其控制器、气路系统和控制系统（图5）。

图5 喷标工位结构原理

喷标桁架是整个喷标系统设备安装支架，由立柱及横梁组成。横移机构安装升降机及喷标头，可在整个横梁前后极限位置内自由移动，横梁下方安装齿轮齿条，为横移机构提供移动动力及导向，通过控制系统及伺服电机完成。在喷标工位，钢管喷标基点位置同钢管一端的距离是设定好的，每次当钢管进入喷标工位时，第一步是管端对齐到位，然后将喷标头移动到设定好的基点位置准备喷标，喷标数据是前两个工位测量的钢管重量及长度，其他参数是本批钢管的等级标准、规格型号、接箍扣型等。

喷标头升降由气路系统、电磁阀、气缸、直线滚珠导轨、传感器等组成。当横移机构移动到基点位置后，喷标头在钢管喷涂的起点定位、喷涂距离、位置方向判断等精确调整靠升降机构所有部件协调动作来完成。

防撞机构的作用是保护喷标头，喷标头是整个喷标工位的核心部件，也是最容易受外力机械损坏的部件，所有的横移、前申、旋转方向等动作都需要判断。

喷标头和控制器是喷标工位的核心部件，控制器操作喷标头所有动作，并控制协调涂料系统、气路系统、清洗系统完成喷标（图6）。

图6 喷标设备结构组成

当钢管移送到喷标工位时，传感器检测到工位有未喷标钢管，确认后启动喷标程序，油缸推动钢管向前移动端头定位，工控机将前面几个工位测量的数据传输给PLC。喷标内容包括钢管重量及长度等其他信息。检测到喷标工位有管子后，喷标头移动到位，PLC 驱动小车，在运动过程中进行喷标操作。

（4）涂色环工位。石油管喷标完成后，待涂料表干后，电动旋转滚轮带动钢管作低速旋转，由油漆涂色环装置涂色环，完成后出料，进入下一循环。涂色环采用粘附的方法，外侧由2 个支撑滚轮，中间3 个涂色环滚轮与钢管表面始终保持0.1～0.4 mm 的间隙，并附加烘干机，以强化油漆的干燥。色带宽度25 mm；色环间距25 mm；色环道数3 道；色带在重合处误差不超过1 mm。

（5）出料工位。涂色环完成后移管机将管子移到出料工位，中央控制室综合判断本根钢管是否已经按要求完成所有工位工序，并判正确性，等待进入生产线下一生产环节。

（6）步进式移管装置由电机、减速器、传动轴及步进梁式传送台、控制驱动等部分组成，实现钢管的上料、移位及下料等功能。5 工位步进机构由电机通过减速器、传动轴带动步进梁传送台正向旋转，通过偏心布置的支撑梁将钢管水平移动一定的距离，步进距离根据生产线石油管规格调整。

（7）控制系统实现称重、测长、喷标、涂色环及平移等各种功能的协调。将工件的跟踪、产品是否合格的判断、各种工位信息的传输、数据的显示采集及管理、PLC、工控机等工作连接起来，组成一个层次分明的系统。控制方式既有手动，又有自动，可根据生产现场的需要进行选择，还可方便地从手动切换到自动或从自动切换到手动。

（8）辅助系统有上料工位、出料工位、气动系统、液压系统、润滑系统、电气系统等。

4 系统设计特点

系统设计方案配置采用集散型控制结构，将称重、测长、喷标、传动机构、光电开关、位置传感器、称重传感器、控制器、数据处理等控制功能全部集成在计算机上，实现了操作、管理、信号采集、故障诊断等多种功能的综合自动化。其典型特征是分散集中化、智能网络化，是一种分散集中式智能控制系统。其基本特点如下：

（1）生产线所有设备集中控制，每个工艺模块设备单独程序控制，通过PLC 程序化自动控制，进料是开始，出料是结束，而上位机可实现大范围的协调等高级控制功能。

（2）信息处理、决策控制等工作分散与生产控制的各个环节，在层次上出现的是一种纵向的递阶结构，其功能出现了前端化，局部集中化、全局分散化。对主机的性能要求不高，但系统有较强的稳定性。

（3）为大型生产企业管理数据集成留有连机接口和网络接口。

5 系统软件设计

在系统主控界面中显示不同的操作按钮，包括自动喷号、设置、统计查询和人员管理、状态等。点击不同的按钮，分别进入自动喷号、打印、参数设置、统计查询和人员管理等操作。系统能自动生成和保存打印和喷印模板，为工作人员提供了极大便利。

通过人机界面输入管径值，喷头与钢管的间隔自动保持在最佳值。操作界面上可显示喷印内容，可在本程序执行期间，人工修改下一程序操作的修正参数。可实现自动程控和人工修改操作的瞬间切换。能将实时测量的长度数据和重量数据喷印到相应的钢管上，并能进行支数统计和形成各种报表并能打印。

软件可以自动监视系统各工位的工作状态，喷标的字符、称重、测长的结果；自动实现喷标、测长、称重状态的故障诊断和报警；统计查询方式可设定多种方式（编号、类别、日期等）。

数据系统管理、人员管理、密码管理，保证系统的合理性和可靠性；数据统计结果可以按照柱状图、折线图显示，也可以按照生产企业要求，打印、存储为相应的表格（入库单、尺码单等）。

6 结束语

石油专用管测长、称重、喷标、涂色环设备方案是集机、电、液、光、计算机控制集成化系统设计，具有测长称重精度高、速度快、稳定性好，喷标速度快、字体清晰，自动化程度高、功能齐全等优点。设备运行安全可靠，扩展调整灵活方便，可实现对各种规格石油管、钢管的测长、称重、喷标、涂色环的生产线专用设备。设备技术方案应用以来，已先后应用于成都钢管专用管、山东墨龙专用管、渤海装备专用管、西姆莱斯专用管、华凌西钢专用管等加工线配套，也成为太原重工、中冶建城、西安重型等设计院技术配套的优选方案。