钢管焊接工艺装备导轮系统的设计

钢管焊接工艺装备导轮系统的设计李建堂（山海关船厂综合技术处）提要文中介绍了一套集钢管切割、自动焊接及装配于一体的工艺装备（导轮部分）的结构、设计过程、工作原理及在海洋工程中的实际应用效果。SummaryThispaperintroducesbrieflytheconstruction，processofdesign，andworkingprinciple，andapplicationeffectsoftechnologicequipment（therollerssystem）applicableincutting，andautomaticwelding，andassemblingofthesteelpipes.关键词钢管工艺装备自动焊接海洋工程KeyWordsSteelPipesTechnologicEquipmentAutomaticweldingmaritimeengineering1前言1996年韩国现代重工业株式会社承揽的巴西籍超级油轮HENRIQUEDIAS(简称HD)和JOSEBONIFACIO(简称JB)到我厂改装,使我厂迈入了海洋工程这一崭新的领域。这两艘超级油轮为巴西（BRASOIL）国家石油公司所属，该公司要将其所属的5艘超级油轮改装成FPSO，HENRIQUEDIAS和JOSEBONIFACIO为其中的两艘，韩国现代重工通过国际招标得到了这两条船的改装工程。所谓FPSO既是FloatingProduction,StoageandOffloading的缩写，FPSO是国际上发展迅猛的海洋工程品类，具体是指集海洋石油开采、处理、储藏、卸运为一体的专业化设施，其科技含量之高、施工组织之复杂令国际航运界、原油开采业及船舶修造界所格外关注。HD轮为1978年12月建成的28万吨超级油轮，主尺度为337X54.5X27.8(米)；JB轮为1974年1月建成的27万吨超级油矿混装船，主尺度为337.7X54.5X28(米)。这两条船改装成FPSO主要包括以下工程：1.单点系泊装置。主要作用是将FPSO绕单点定位于海上并输出原油、天然气、水等。2.旋转装置。其中可容纳5根油管、3根水管、4根天然气管、1组液压/气动管、3根动力电缆、3根通信电缆。3处理站。主要工作由原油分离装置、天然气处理装置、注水装置、污水装置、燃烧装置和化学药剂注入装置等组成。4.燃烧塔。其管路、阀门、结构等均应耐低温。5.串联卸油装置。主要由串联系泊缆和串联卸油装置组成。6.直升飞机平台。7.生活区。改装后可供60人起居和生活使用。因此，这两条船的改装工程量之大、任务之艰巨、技术含量之高、质量控制要求之严格,不但是在我厂史无前例,即便是在国内来说也是独一无二的。其中,管系工程更是一项巨大工程，要将现存管线和新制管线联合组成的管道系统与生产设备一起配合，负担石油的采集、加工处理、储存、卸油的任务。其中新制管线为管系工程的最大部分，工程总量HD：2400吨，10000个管段，JB：2700吨，13000个管段，分布于塔楼、生产平台、主甲板和机舱四个区域。管系工程依据ANSIB31.3和APR14E建造施工,管子规格从1/2″(外径Φ12.5mm)到36″(外径Φ1060mm)，壁厚从3.68mm–40.5mm，最高设计压力287kg/cm2，试验压力430kg/cm2，材料有碳钢管、不锈钢管、铜镍管等；从外观上看,又分无缝管和有缝管；管子的连接也可以说是各式各样、无所不有。管子的装配要求更是严格:管径在Φ150mm以下,位错须小于1mm；管径在Φ150mm-Φ250mm间,位错须小于2mm；管径在Φ250mm-Φ350mm间,位错须小于2.5mm；焊缝要求检查,X射线无损检验100%，拍片率为17%，其它管线拍片率根据材料与压力等级不同为5%-20%，但全部管线（对接焊）必须接受最低为5%的拍片率。在这项工程中,管子在车间的预制占整个工作量的60%-70%。因此,研制一套集管子切割、装配及自动焊接于一体的工艺装备是势在必行而且是刻不容缓的。2方案设计2.1总体方案设计考虑本系统要集管子切割、装配及自动焊于一体,所以方案有两种:一种依靠摩擦力带动管子旋转(如图一);另一种为依靠动力头带卡盘卡住管子带动管子旋转(如图二).以上两种方案就可靠性来说应是第二种较可靠,它可以防止管子旋转过程中有打滑现象发生,但就其设计及制造来说其工作量及设计制造难度都很大,而且所用的大尺寸卡盘需要专门制造厂来制造,此方案的设计及制造费用也不能满足造价低的标准,而且工期相对来说要延长。对于第一种方案设计及制造的费用都有很大的降低,而且工期短,为防止管子打滑可增加管子的压力来增加摩擦力,这样一来就可靠多了。综上所述,选取第一种方案。由方案图知，本焊接工艺装配分为四部分，即：床身部分、立柱部分、导轮系统部分和电器部分。本人只负责导轮系统的设计工作。2.2导轮系统方案设计⑴.⑴.焊接用滚轮架形式分类及特点焊接用滚轮架可分为以下几种:长轴式滚轮架、长滚柱式滚轮架及组合式滚轮架；其中组合式滚轮架又分为:自调式滚轮架和非自调式滚轮架。(如图三)其各自特点及使用范围见下表(一):表(一)类别特点适用范围组合式自调试径向一组主动滚轮传动,中心距可自动调节.一般圆筒形焊件滚轮架非自调试径向一对主动滚轮传动,中心距可调节.一般圆筒形焊件长滚柱式滚轮架轴向一个滚柱传动,中心距可调节.薄壁及多筒节焊件的装焊长轴式滚轮架轴向一排主动滚轮传动,中心距可调节.细长筒体焊件焊接及多段筒节的装焊经比较选用长轴式滚轮架形式。⑵.驱动部分方案设计:①驱动形式选择:整个导轮系统可以有一个或多个主动滚轮来驱动;多个主动轮又有两种形式:轴向多个主动滚轮传动和径向一组主动滚轮传动两种.考虑加工及安装方便,采用轴向多个主动滚轮驱动形式.②减速机构的选择:减速机构选择摆线针轮减速机,其优点是效率高、减速比大,最主要的是该减速机为定型产品,可以向厂家直接订货,可大大缩短工期;其缺点是结构较庞大、笨重。若自行设计减速机,虽然可以使结构紧凑、布局合理,但设计和制造成本将大大增加,而且工期也将延长,因此未采纳此方案。③调速形式的确定:导轮系统的调速大多采用无级调速,并设有空程快速.无级调速形式可见表(二):表(二):调速方式特点速比适用范围晶闸管控制直流电机速比大,控制线路较复杂,设计制造周期长10:1各种滚轮架三相整流子异步电动机过载能力大,传动扭矩大,调速范围小,电刷易磨损,速比小,成本低3:1中小型滚轮架电磁调速交流异步电动机速比大,低速时不稳定,效率低,成本低10:1中小型滚轮架液压马达速比大,传动平稳,价格贵10:1中小型滚轮架变频调速(变频器)速比很大,传动平稳,电脑控制,可实现多特性调速,操作方便,成本100:1或更大各种滚轮架高由于本钢管焊接系统调速范围大,还由于变频器有成品,可缩短工期，故选用变频调速。④滚轮结构的确定:焊接用滚轮有以下几种：钢轮、橡胶轮、组合式滚轮、履带式滚轮四种,其结构形式如下图（图四）所示:各种滚轮的特点及适用范围如下表(三):表(三):形式特点适用范围钢轮承载能力强,制造简单一般中型焊件胶轮钢轮外包橡胶,传动平稳,摩擦力大,但橡胶易压坏一般用于５０t以下焊件组合轮钢盘与胶轮组合,承载能力比胶轮提高,传动平稳一般用于５０~１００t焊件履带式轮大面积履带和焊件接触,有利于防止薄壁件变形,传动平稳,但制造复杂用于轻型、薄壁大直径的焊件根据以上特点及适用范围,决定选用橡胶轮结构。⑤滚轮中心距的调节方式的确定:钢管中心与支撑滚轮中心连线的夹角(中心角)一般可在50°～120°,常用50°～60°。角度过小钢管会放置不稳;角度过大则增大转动扭矩。滚轮调节方式分为:有级式、丝杠式、自调式三种,其结构简图分别如下:三种调节形式相比较,有级调节式结构较简单,制造容易,故选用该种调节方式。⑶.带弯头管段的焊接:①带弯头的管段,其旋转所需的摩擦力距,也要随着弯头转距的增加而增加,为保证管子不打滑,就必须减小弯头的转矩或增大管子与滚轮间的摩擦力：若减小弯头的转矩，就须在弯头的另一面加配重；若增大管子与滚轮间的摩擦力，由于摩擦力是与管子对滚轮的压力成正比的,所以必须增大压力。为此必须有一压紧机构,这样就可以保证摩擦力距要求。如图(六)所示：②另外要焊接带弯头的管段,其回转半径势必要大大增加,要求滚轮中心也要相应提高,这样才能使焊件可回转自如,为此在滚轮架的底部加增高座,以保证要求。3技术设计3.1已知数据①①适用钢管的直径范围:2″(外径Φ50mm)到36″(910mm)。②②管子环缝自动焊时其焊接速度(即管子外径的线速度):3-100cm/min。3.2滚轮部分设计⑴滚轮尺寸的确定：初定滚轮外径为200mm，滚轮宽度为100mm，表面为压注橡胶的轮缘结构。⑵滚轮中心距的确定：①中心角的选择：选择合适的中心角α，有利于工作稳定而均匀的转动，并可以减少滚轮的支反力驱动圆周力和节能。有主动滚轮单位质量圆周力KT和滚轮单位质量支反力KQ分别与中心角α的关系如图(七)所示：有图可知：中心角α应取在120°以内比较合适。中心角α过小时，工作易失稳而倾覆，所以中心角一般在50°～120°之间选用.为此,与中心角对应的钢管直径不应超越下述范围:Dmax=L/Sin25°-Dr…………………①Dmin=L/Sin60°-Dr…………………②式中:Dmax-----------------钢管最大直径(mm)L--------------------滚轮中心距(mm)Dmin-----------------钢管最小直径(mm)Dr-------------------滚轮直径(mm)②中心距的确定:由式①得:L1=(Dmax+Dr)Sin25°将Dmax=910mm、Dr=200mm代入上式得:L1=466.2mm由式②得:L2=(Dmin+Dr)Sin60°将Dmin=50mm、Dr=200mm代入上式得:L2=215mm在滚轮中心距调节方式的确定一节中已经阐述：滚轮中心距的调节为有级调节;根据上面L1、L2的值将滚轮中心距设为四档,分别是:215mm、300mm、400mm、466.2mm;当管径为最大910mm,中心距为466.2mm时,中心角为50°,此时中心角为最小极限,为使管子稳定,可将中心距适当放宽,取整为500mm,经计算,此时中心角为53.5°。3.3驱动部分设计⑴.⑴.驱动功率的确定:本钢管焊接工艺装备的阻力矩包括:㈠.钢管与滚轮间的摩擦力矩;㈡.滚动轴承的滚动摩擦力矩;㈢.钢管的偏心力矩;㈣.钢管纵缝通过滚轮时产生的附加力矩;㈤.钢管带弯头旋转时,弯头产生的转矩。在本系统中第一项和第五项为主要的阻力矩,其它几项也应适当考虑。本装备所需要的驱动力矩必须大于或等于其阻力距。其阻力距的计算是以规格为34″(864mm),壁厚12.7mm,长为12米的管子为例进行计算的，详细的计算过程从略。另外，还应考虑以下几种情况：㈠若弯头产生的转矩比滚轮的摩擦力转矩大时,会产生打滑的现象,故必须增加下压钢管的机构来增大摩擦转矩；或者用增加配重的方法来减小弯头的转矩；㈡.滚动轴承的滚动摩擦力矩;㈢.钢管的偏心力矩;㈣.钢管纵缝通过滚轮时产生的附加力矩；因此，驱动功率确定时应考虑这些因素。⑵驱动电机的选择：选用电机型号为：Y100L-6，其额定功率为1.5kw，同步转速为1000rpm，输出转速为940rpm。⑶驱动滚轮转速的确定：滚轮外径的线速度应与钢管外径的线速度相同，即为：3～100cm/min；故滚轮的最小转速应为：nmin=vmin/2πr=0.04774682rpm滚轮的最大转速应为：nmax=vmax/2πr=1.592357rpm⑷驱动部分减速比的确定及分配:总的减速比的确定:总减速比i=940/0.47746482=19687.3将此减速比分为三部分,即:①二级摆线针轮减速机,其减速比i1=59X59=3481②链传动减速,其减速比i2=1.2③变频调速系统速比的确定:变频调速系统为无级调速,用频率的改