朱若愚，扈晓刚，刘转超，陈广

中国核工业二三建设有限公司 北京 101300

1 序言

核岛安装中辅助管道规格尺寸多，走向复杂，部件种类不一，分布位置不同，这对于管道生产而言是个巨大的挑战，在各个指标要求不同的情况下容易出现质量问题，也难以实现自动化和批量化生产，从而导致核岛安装管道预制的生产效率难以提升。

目前，国内核电安装辅助管道预制中主要是传统手工配合传统机械设备进行生产，相比传统手工操作，数字化设备的加入为实现管道自动化生产线落地提供了重要物资条件。

通过对目标产品进行深入分析，对生产线进行详细设计，选择合适的数字化设备进行生产线的搭建，形成一套集上料、定尺、切割、坡口加工、运送、标识及焊接等操作的自动化生产线，实现各工序操作自动化。自动化生产线的形成可有效降低劳动强度与错误发生率，提高生产效率和质量稳定性。

2 研究前景

未来几年，国内核电建设将迈入高峰期，传统的手工操作人员培养周期长、施工效率低、劳动强度大，产品质量稳定性受人为因素干扰大[1]，越发不能满足核电建设快速发展的需求。因此，核电工艺管道的预制日趋走向工厂化，管道预制加工厂应运而生，以满足市场需求，促进企业发展。

核电管道产品，生产加工精度高、批量大、材质特殊，并且厚壁管较多，因而对加工设备的性能有更高的要求。此外，有些项目往往遇到管道工作量大、管道施工周期短的问题，利用车间现有资源和设备无法在业主要求的时间内完成，因此有必要采用先进、高效、智能的下料设备满足管道预制中的下料工序。采用先进高效的自动生产线，可以利用目前现有的人员，不仅能有效控制人工成本，还可保证加工质量和效率[2]。

3 研究目的

为改变核电站管道预制长期的纯人工操作、受人员能力水平影响大，以及效率提升困难的现状，本项目将针对核电站管道自动化预制进行研究，通过对产品进行分析，对生产线进行详细设计，选择合适的设备进行生产线的搭建，对生产线设备的运行效率及生产质量进行全方面评估，对新模式下的生产方式进行深入研究，对关键的自动焊工艺进行研究，最终形成一条较成熟的核电站管道自动化预制生产线，并掌握成套技术，实现自动化生产在核电站管道预制应用中的突破。

4 生产线设计思路

根据核电站管道预制管径范围，在D N65～400mm之间的管道占比90%以上，因此按照能覆盖此类管道范围来制定合理的工艺流程、选取合适的设备，在比较经济的情况下实现管道预制自动化程度最大化。在焊接方式上，按照核电的保守策略，选用成熟的氩弧焊方法。

拟定的工艺流程布置如图1所示。

图1 工艺流程布置

5 自动化生产线布局

利用车间场地情况，良好的设备布局方可实现自动化生产线功能。该生产线为实现上料定尺、切割下料、坡口加工、组对、焊接及标识标记一体化，实现生产线批量化生产，就必须实现工序流水化、施工标准化。

设备布局原则如下。

1）利用现有车间空间，不可有空间浪费。

2）满足施工逻辑，按照施工工序进行排布。

3）设备配置数量合理，满足连续作业需求。

4）操作简易化，节约操作人员数量。

按照以上布局原则，规划布置的自动化生产线如图2所示。

图2 自动化生产线分布示意

根据自动化生产线的合理布局规划，实际设备安装严格按照规划进行。该自动化生产线可实现原材料上料、自动化运输至高速锯床、根据图样信息自动定长下料、自动化运输至坡口机工位。坡口机根据图样和设计文件要求自动开坡口，自动退出坡口机并转移至组对工位，完成组对后通过自动焊进行焊接，对焊接完成的接头进行激光标记。

6 设备选用及布置

为实现自动化生产线设计功能，需按照设计目标进行设备选型。

（1）管子数控切割坡口系统（适应管径：DN50～400mm）配置如下：①管道数控切割带锯床1台。②管道切割数控定长系统1套。③管道数控端面坡口机1台（CNC全数控）。④管道纵向物流输送系统2套（带锯床进料、出料）。⑤管道纵向物流输送系统1套（坡口机）。

切割坡口工序设备布置如图3所示。

图3 切割坡口工序设备布置

（2）管段组对焊接系统 配置如下。

1）管道预制机械组对中心1台，典型设备如图4所示，每个机头均能实现管-管、管-法兰、管-弯头、管-三通、管大小头的机械快速组对，提高管子与法兰、弯头、三通的组对效率与质量（包含2台多功能组对机头、2台支撑小车、1套轨道）。

图4 管段组对

2）悬臂式管道自动焊机2台（适应管径：DN50～400mm）：包括1台卡盘驱动、1台分体式压紧驱动、1台悬臂式焊接主机、焊接电源（TIG、MIG焊接）、支撑小车＋配套轨道。典型设备如图5所示。

图5 悬臂式管道自动焊设备

3）全位置管道自动焊机1台（氩弧焊，适用φ88.9～φ273mm），对于复杂型管段及悬臂式自动焊后相接的管段焊缝，管道不易于转动，采用全位置管道自动焊机焊接，典型设备如图6所示。

图6 全位置管道自动焊设备

（3）在线标识设备 配置如下：悬臂式光纤激光打标机2台，1台用于切割工位的材料信息标识，1台用于焊接工位的管段及接头信息标识。

7 自动化生产线工艺流程

自动化生产线工艺流程主要包括以下8个方面：

1）原料上料：使用桁车从原材料上料架横移至锯床纵向输送系统。

2）数控定长：在数控系统内输入需要切割的长度，齿轮齿条+导轨+伺服电动机+数控系统自动定长小车自动行走至准确位置，完成定长工作。

3）启动切割：根据定长系统内已设置好的切割长度，进行高速切割。

4）横向平移：使用桁车将切割完成的管子移到坡口加工工位。

5）坡口加工：根据坡口要求，在CNC数控系统中设置的坡口形式，操作设备完成各类坡口形状的加工。

6）管道转运：通过桁车或移动存储小车转运。

7）组对标识：使用管道预制机械组对中心，实现管-管、管-法兰、管-弯头、管-三通、管大小头的机械快速组对，并对产品和坡口进行标识。

8）自动焊接：多数接头采用悬臂式管道自动焊机进行TIG自动焊，少量接头采用全位置管道自动焊机进行TIG自动焊，并采用移动式悬臂光纤激光打标机、曲面打标机实现接头标识。

8 生产线实际应用情况分析

8.1 施工效率分析

现场针对一批相同规格的核级产品，分别采用传统生产方法和自动化生产线两种方式开展效率对比分析，主要包括管道切割下料、坡口加工、组对及焊接等方面，分析使用自动化生产线后效率的提升情况，见表1。

表1 生产线效率情况

根据对传统生产方法和自动化生产线针对相同核级产品的生产耗时统计结果，生产效率可达到20%以上，并且对规格较大的产品，生产效率提升更为明显。

自动化焊接设备主要用于管道对接焊缝，与传统工艺相比，可以使用全氩焊接，对比氩电联焊来说，可以省去层间清理以及最终焊缝打磨试件等工序。如传统工艺焊接φ273mm×21.4mm，从焊接开始至焊缝表面打磨完成，需资深熟练工人2人，共16个工时，而采用自动化焊接设备焊接同样的规格，焊接完成需16个工时，相当于焊接过程效率提高了50%。

8.2 焊接合格率分析

自动焊设备在生产线中的应用，不仅提高了焊接效率，同时降低了对核级焊工的需求，缓解了核级焊工不足的现状。短时间内可培养的自动焊操作工，使用自动焊设备也可保障较高的产品合格率。收集了近一年自动化生产线设备的焊接合格率和手工对接焊的合格率，其中手工焊的合格率为98.64%，自动焊的合格率为98.83%。自动化生产线使用的自动焊设备整体合格率较手工焊略有提升，可证明自动焊设备可保障产品质量。

9 结束语

核电站管道自动化预制生产线的设计与实施，可提高核电管道预制施工速度、缩短施工周期、提高经济效益。与传统手工方法相比，整体施工效率可提高20%以上，焊接合格率略有提升。本研究可为后续核电管道预制自动化提供应用参考。