基于“先焊后弯”的船舶管系数字化信息化生产线设计与应用

韦 刚，李秀文，沙新明

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226100）

0 引言

《推进船舶总装建造智能化转型行动计划（2019—2021）》和《智能发展船舶行动计划（2019—2021）》明确提出我国船舶行业应迅速提升船舶先进建造技术与装备，逐步推进船舶建造信息化、数字化、智能化的转型升级。

管子制作是船舶建造过程的重要环节，是影响船舶建造进度的重要因素之一。管子加工车间是船舶与海洋工程管子的生产加工车间，需要按照管系的设计和工艺要求，将原料管通过特定的工序进行加工，保证高效、及时地制作高质量管段。近年来，部分船舶建造企业管子加工车间在应用成组技术的基础上，引进了自动弯管机、校管机、自动焊接机等设备，在一定程度上提高了管子的生产效率。但是，设备不成产线、工艺技术不配套、关键瓶颈问题没有解决、生产流程不畅，导致管子的生产没有流动起来，大部分船舶建造企业的管子加工车间仍处于传统的托盘式生产制造模式，效率低，质量也得不到保证。

目前国内船舶管加工车间生产的管子种类很多，但相对较为集中的是直管-法兰焊接数量最多，而空间弯管-法兰焊接、规则支管-法兰焊接、非规则支管-法兰焊接数量较少，并且其中一部分又可以通过直管-法兰焊接后得到的直管工件，再通过弯管机空间折弯加工而得到。但是由于我国大部分船舶建造企业的管子加工车间仍处于传统的生产制造模式，没有管子无余量下料和“先焊后弯”加工等先进工艺技术与装备，精益化水平较低，产品与造船强国的先进制造技术相比有较大差距[1]。随着国内船舶建造企业对于产品效率和质量的提升需求越来越迫切，建立面向数字化信息化制造的船舶与海工行业管子加工车间的先进技术与装备的研究也愈发重要，研发和应用基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线具有重要的现实意义。

传统的“先弯后焊”管子生产模式存在的弊端：一般采用“先弯后焊”的生产流程，也就是根据管子零件的加工图，或者根据样棒所提供的管子的各项参数，先在弯管机上将管子弯曲成形，然后在人工校管平台上进行管子-法兰的定位点焊。在根据管子零件加工图或样棒来确定直管段的下料长度时，还要考虑弯管时的误差和回弹量，下料长度一般要放一定的工艺余量，管子在装配时还需要进行二次切割，浪费原材料，降低生产效率。由于管子是空间弯曲的，无法在校管机上进行装配，法兰需要在弯曲管上进行人工装配，校管效率低，质量差。法兰的焊接也需要在弯曲管上进行，无法使用自动法兰焊接机，只能通过手工方式进行焊接，工人施工条件差，劳动强度大，安全性差，生产效率低，焊接质量得不到保证。可见传统的“先弯后焊”管子生产模式步骤多、加工工艺落后、无法使用自动化设备、工序重复、浪费材料、生产效率低下，而且各工艺步骤的累积误差会直接影响管子的制作质量[2]，无法满足管系生产流水线对生产效率和质量的要求，因此解决管系生产的重要瓶颈问题，对落后制作工艺技术和生产流程的变革，采用基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线是我国船厂管子生产工艺技术和流程再造的方向[3]。

1 基于“先焊后弯”新工艺的管系生产线的设计思路

针对传统的“先弯后焊”管子生产技术模式和流程的不足，设计基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线，如图1所示，解决管子“先焊后弯”关键工艺技术。

图1 基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线布置图

船舶管系生产线主要包括法兰-套管组对装焊一体机、上下料小车、自动数控弯管机、自动化排产、自动化物流输送等先进工艺技术和装备，由数字化信息化控制软件进行设备和管系物料的管理和控制。

新工艺布局结合产量要求，进行生产工艺和流程的合理配置。一方面，考虑了自动化设备和物流输送环节，确保生产线的柔性和多产品的适用性；另一方面，生产线的管理和控制软件系统可以实现管系自动排产和任务自动调度，具有生产准备、生产管理、进度反馈、质量跟踪等功能，实现管子的全生产周期管理。

2 基于“先焊后弯”的管系生产线工艺流程

如图2所示，基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线的主要工艺流程为：

图2 基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线示例[4]

1）管子首先通过MES管理系统自动排产，如果一部分管子切割完成后需要进行自动化对接焊，这部分管子就由物流辊道自动输送到自动化对接焊接机的缓存平台上，生产线控制系统将需要焊接的管子的各种相关生产信息及指令发送到自动对接焊设备的上位机上，进行管子的自动化对接焊接。

2）如果一部分管子切割完成后需要进行平法兰或套管与管子的装配，然后进行法兰或套管与管子的角焊缝焊接，这部分管子则由物流辊道自动输送到法兰、套管组对装焊一体机的缓存平台上，生产线控制系统将管子的各种相关生产信息及指令自动发送到法兰、套管组对焊接设备的上位机上。法兰、套管和管子可以采用半自动、自动方式进行组对，实现自动化定位焊以及自动化法兰、套管焊接。

3）管子和法兰装焊完成后，如果需要进行弯管，则这部分管子由物流辊道系统自动输送到自动数控弯管机的缓存平台上，生产线系统将管子的各种相关生产信息及指令自动发送到数控弯管机的上位机上，弯管机在操作人员的监控下，实现法兰或套管焊接后的管子自动弯管。

基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线实现了人、控制系统和设备之间的互补与协作，集成了工艺数据流、加工信息流及物流系统，大幅减少人工数量，大幅提升设备在有效时间内的工作效率和原材料的利用率，其工艺方法的优点为：

1）法兰或套管的装焊是在直管时进行的，因此可以在水平状态下操作，安全性好，劳动强度小，焊接效率高，有利于使用自动焊接或半自动焊接，提高管子的装焊质量和生产效率。

2）可以实现管子无余量下料，通过定长一次下料切割可以减少管子加工工序，缩短工艺流程，大大提高管子生产效率，有效降低生产成本。

3）法兰或套管与管子焊接后再进行弯管，管子制造质量的关键技术在于控制弯管精度，也就是控制两端法兰在管子弯曲成形后的空间相对位置，这需要进行大量的弯管试验，积累不同管子生产厂家和管子规格的大量弯管数据，主要是弯曲成形力、管截面扁平化、最小弯曲半径、起皱及弯管旋拉弯成形过程中的回弹量与成形缺陷等，其中最重要参数的是管子回弹量。

3 基于“先焊后弯”的管系数字化信息化的构建

数字化信息化的构建使用西门子WinCC组态软件为核心，通信连接快速，开发高效，诊断和维护方便，与SIMATIC S7系列的PLC连接方便，并且提供广泛的通信通道选件和附加功能件，方便实现非西门子PLC系统连接。数据记录使用Microsoft SQL Server 2005作为组态数据和归档数据的存储数据库，可以使用多种数据访问方法，方便访问归档数据，还可以使用多种方法显示数据，如趋势曲线图等，也可以导出到Excel文件中，还能进行采集、显示和归档运行信息，并由过程数据状态产生超过阈值的报警信息。过程归档功能具有强大的数据处理能力，并可以在归档管理中灵活控制归档的动作和内容，通过调用集成打印功能，可以实现所见即所得的打印输出。

由于目前大部分的弯管机缺乏系统、全面的弯管工艺设计系统，弯管工艺参数的确定主要依靠操作人员的传统经验，造成弯管工艺文件的预见性和可继承性差，指导性不强，因此需要通过大量的试验来修正工艺文件。传统弯管加工工艺设计中，由于存在着理论分析与实际加工情况的偏差，管材回弹、拉伸数据的获取是在弯管测量机上通过样件多次测量校正实现的，需要实现这类工艺参数的数字化支持，构建基于“先焊后弯”的管系数字化信息化的体系结构。该体系分为用户界面层，事务处理、控制、通信、应用层和数据处理层等3层实施，实现弯管的设计制造一体化，完成弯管数字化制造的信息共享和交换，提高弯管的加工质量和数控弯管机的加工效率，满足精度造船和现代造船模式对船舶管系的制作要求。

构建基于“先焊后弯”的管系数字化信息化的体系结构，主要研发数字化弯管系统的总体集成模式与体系结构、功能设计、运行设计等，通过对数字化弯管系统总体规划设计，研究弯管三维建模与展开技术，研究弯管的快速建模和弯管的理论展开与修正展开技术，研究增量弯管程序的编制与管形检测修正技术，研究修正增量管形数据得到增量弯管程序的方法，研究数控弯管知识库和功能模型等。

4 基于“先焊后弯”的管系管系数字化信息化生产线的应用

2020年8月，招商局重工（江苏）有限公司基本建成了基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线，并进行试生产应用，已生产“先焊后弯”管子约5 000根，经测算与原先传统的“先弯后焊”管子生产相比，生产效率提升约50%，质量提升约40%，数控弯管的精度与理论线形相比达到±1 mm，满足管系生产流水线对生产效率和质量的要求，为公司降低直接和间接成本数十万元。图3为“先焊后弯”自动化数控弯管机，图4为“先焊后弯”管子小票示意图。

图3 “先焊后弯”自动化数控弯管机

图4 “先焊后弯”管子小票示意图

5 结论

本文设计基于“先焊后弯”新工艺的船舶管系数字化信息化生产线，可以实现法兰和管子在直管状态下自动装配和焊接，然后使用自动弯管机进行空间折弯，集成了法兰或套管与管子的组对装焊一体机、上下料小车、自动数控弯管机、自动化排产、自动化物流输送等先进工艺技术和装备，由数字化信息化控制软件进行设备和管系物料的管理和控制，实现法兰或套管与管子的自动化定位和装配、法兰或套管与管子的自动化焊接、带法兰或套管的管子的自动化数控弯管。通过大量的弯管试验，积累不同管子生产厂家和管子规格的大量弯管数据，攻克“先焊后弯”核心工艺技术难题，实现管子无余量下料（定长一次切割），减少管子加工工序，缩短工艺流程，有效降低生产成本，大大提高管子的装焊质量和生产效率，是我国船厂管子生产工艺技术和流程再造的方向，具有广阔的应用前景，对提升我国船舶先进建造技术与装备、推进船舶建造信息化、数字化、智能化的转型升级具有重要的参考价值。