石油井架用非标大H型钢焊接生产线

陈　峰， 李旺顺， 马彬锋， 杨　凯， 李俊辉， 王振安，牛　毅，　刘国刚

（1.中国重型机械研究院股份公司， 陕西　西安　710032；2.西北铝加工厂， 甘肃　定西　748111；3.宝石咸阳石油钢管钢绳有限公司， 陕西　咸阳　712000）



石油井架用非标大H型钢焊接生产线

陈峰1， 李旺顺2， 马彬锋1， 杨凯2， 李俊辉1， 王振安3，牛毅2，刘国刚2

（1.中国重型机械研究院股份公司， 陕西西安710032；2.西北铝加工厂， 甘肃定西748111；3.宝石咸阳石油钢管钢绳有限公司， 陕西咸阳712000）

通过分析井架用焊接H型钢生产的工艺瓶颈，在最大幅度节约投资成本的前提下，设计出成套出口石油井架用大H型钢的专用生产线。此生产线投产后，在产品质量达到要求的同时，成材率也达到95%以上，可以作为生产高精度井架用大H型钢的参考。

H型钢焊接矫直井架

井架用大H型钢的交货状态在翼缘斜度、腹板中心偏差以及全长弯曲度均有数值要求[1]（见表1和表2）。通过表1和表2的对比可以发现：出口石油井架H型钢的产品质量要求高于现有热轧H型钢要求；石油井架用H型钢大多数为非标H型钢，尺寸规格均大于热轧H型钢，其精整矫直工艺较难用传统的方式实现。

表1　热轧和井架用焊接H型钢产品质量要求对比

表2　热轧和井架用焊接H型钢产品规格对比

出口井架用非标H型钢限制用火焰方式进行矫整，导致传统工艺生产的出口井架用非标H型钢的产品成材率不及30%，严重制约产品交货期和企业生产利润。中石油陕西某公司出口井架用大H型钢生产企业与中国重型机械研究院股份公司联合攻关，研发新的工艺和装备，使焊接石油井架用H型钢的成材率达到95%以上，产品质量和生产效率均得到大幅提高。

1　原有井架用焊接H型钢生产工艺及存在瓶颈

数控火焰切割定尺下料—人工组焊—手工自动吐丝电弧焊焊接—火焰矫直—翼缘冷矫直—收集。组焊过程中需人工调整腹板和翼缘的位置。冷矫机械为简易翼缘矫直机，无法实施弯曲矫直，矫直过程中无类封闭型孔型对H型钢断面进行矫形。图1是该生产线产品的主要缺陷形式。

图1　传统焊接井架用H型钢的主要缺陷形式

1）腹板和翼缘的切割面均为毛面，组焊过程中这些毛面成为基准面，易于造成腹板不对正、腹板和翼缘不均匀偏心缺陷，导致后续形成大的焊接变形。

2）组焊完成后，无中间检验及时效过程，焊接时工件未采取任何防止变形的工艺措施，不能及时发现和纠正焊接过程中产生的变形。

3）焊接完成后，通过火焰对弯曲部位进行局部加热、矫直，容易造成局部脱碳，影响使用强度。若火焰加热部位较多，则容易发生隐患。

4）由于原生产线长期采用火焰加热的方式进行热矫，致使冷矫直只针对翼缘进行矫直，全长直线度矫直功能缺失，无法满足出口井架所要求的完全冷矫出成品的工艺要求。

2　满足出口井架用非标H型钢焊接生产的基本工艺方案

图1表述的是焊接H型钢的6种主要缺陷形式，其中前三种变形主要是组焊时产生的，后三种变形主要是焊接变形所致。因此必须在组焊与焊接过程中控制焊件变形，开发出可同时应对全长弯曲和翼缘矫直的矫直工艺，才能满足出口井架用H型钢的交货要求。具体方案有：开发新型组焊机构，严格控制各个焊件的位置关系，排除位置精度超差造成的废品；焊接工艺由一次焊接完成改为对角分步焊接，中间时效的焊接工艺，可有效控制焊接变形。

初步提出如下工艺：数控火焰切割—钢板切割面全长铣削加工—预检查—高精度组焊—自动埋弧焊接—时效—自动埋弧焊接—时效—冷矫—收集。其工艺优势为：通过严格控制焊接组件的位置精度、焊件变形程度，使精密矫直成为可能，极大地提高井架用非标H型钢的成材率。

3　出口井架用非标H型钢生产线主要装备的技术特点

切割面的平整程度直接影响着腹板与翼缘的垂直度、两翼缘切割面的平面度。因此，只有严格控制组焊前的钢板尺寸精度，才能为组焊件尺寸精度的提高做好保障。开发专用机床对切割钢板沿全长进行边部切削，切削量控制在2 mm左右，切削时采用上、下翼缘同时加工，以确保上下翼缘的尺寸精度。

铣削机床采用C型卧式机构，铣削头可在床身上沿工件全长移动。工件加工面与床身平面平行，工件的夹紧采用水平液压夹紧（如图2所示），可减少工件调整辅助时间，提高铣削工作效率。

组焊的目的是确定翼缘和腹板精确位置，并点焊保持，为后续连续焊接提供条件。传统的组焊过程为：先进行下翼缘和腹板的组焊，工件位置控制依靠人工确定，点焊时机构只对工件局部夹持；待下翼缘和腹板组焊完毕后，再组焊上翼缘和腹板，点焊时仍然采用手工电弧焊焊接，此过程中上翼缘和下翼缘没有任何约束。其中，该设备主要存在如下缺陷：组焊时为局部点焊，焊接后变形程度随着H型钢长度的增长而加大；组焊时翼缘和腹板的初始位置和夹持位置均依靠人工调整，精度受限；采用手工电弧焊焊接对生产效率和劳动环境极为不利。

图2　铣削专用机床工作示意图

新型组焊机采用组焊前腹板位置自动调整，焊接时多部位夹持，且夹持位置自动调整，位置控制精度可达±0.1 mm，焊接采用连续式埋弧自动焊进行组焊，由传统的点焊改为小焊角连续焊接，焊接生产效率和组焊精度都有很大程度的提高。图3为新型组焊机组工艺平面示意。

图3　新型组焊机组平面示意图

如图3所示，其工艺过程如下：组焊所需要的下翼缘钢板沿纵向运输至下翼缘递送装置的最前端，并咬入夹持辊系（2）的下水平引料辊；腹板存储及递送装置横向将水平放置腹板递送到组焊中心线，腹板递送装置的翻转机构将腹板翻转至垂直状态，并咬入夹持辊系（2）的引料立辊；上翼缘存储及递送装置将上翼缘递送至组焊中心线，并通过自身的支撑辊递送至夹持辊系（2）的上水平引料辊；翼缘夹持辊系（2）的翼缘夹持立辊伸出将上、下两翼缘夹紧，与H型钢端面形状相吻合的模具的端部推料装置将组合件推入夹持辊系（2）的成组夹持辊；待组合件端头和对齐装置对齐后，夹持辊系（2）中腹板夹持辊启动，自动焊（2）开始对组合件对角焊接，直至小焊角焊接完毕。出料导辊对焊接中和焊接后的H型钢进行出料和导向，立辊装置对腹板高度大于500 mm 的H型钢进行导向。见图4。

图4　夹持辊系（2）中的一组夹持辊

该新型组焊设备（技术性能见表3）的特点是：可实现焊接前自动化拼板，较人工拼板节约了大量的辅助时间；夹持辊系（1）和（2）中的腹板夹持辊和下翼缘递送辊均为主动辊，且有同步控制系统，腹板夹持辊的辊缝调整精度为±0.1 mm，能够有效的保证组焊精度；夹持辊系（1）和（2）中的成组夹持辊构成类封闭孔型[2]，避免了单一布置所带来的H型钢易于跑偏问题；夹持辊系（2）中的成组类封闭孔形，其辊缝调节采用液压和电动相结合的方式，在组合件未对齐之前，液压辊缝缸活塞收回，待组合件对齐之后，焊接开始，液压辊缝缸活塞伸出，压紧腹板和上翼缘钢板，可更好地控制组合件断面形状。

表3　新型组焊机主要技术性能指标

为了达到分步焊接及中间时效的目的，将H型钢设置为45°布置自动翻转平台，配合自动吐丝埋弧焊机进行焊接。工件一次调平后经一次自动翻转，即可完成4道焊缝的焊接，根据工艺要求确定焊接道次。避免过大的焊接量造成焊接变形，这也是控制中间变形、降低冷矫负荷、提高成材率的关键措施。

该焊接平台的特点：焊接过程中4道焊缝为对角焊接状态，焊接过程中变形小；焊件的翻转采用柔性可调节翻转技术，能满足不同规格焊件的无冲击噪音翻转。

冷矫设备是保证最终直线度的关键设备。若大规格非标规格的H型钢按照辊式型材矫直的理念设计，则会存在设备庞大、工艺模具制备困难的缺陷[3]。当前普遍采用的方式为翼缘矫直方案，翼缘矫直方案结构参数小、投资低，但不能对被矫材进行断面弯曲矫整，因此矫直精度提高受限，无法达到出口井架的要求[4]。该生产线创造性地提出了带有液压保护的整环节矫直方案，其主要特点为：形成一个完整的矫直环节，可对图1中的后三类缺陷进行高精度的矫直；通过设置液压保护装置（安装在1—6号立弯组合辊的压进机构中），可安全地对前三类缺陷进行矫正；对于涵盖图1中两种以上缺陷的非标H型钢也可以实施一次性矫直；由于辊子布置方式对被矫H型钢形成了类封闭型结构，可以很好的对H型钢进行高精度的断面矫形。图5为冷矫设备的辊系结构。

图5　冷矫设备的辊系结构

如图5所示，序号3、4、5、6、7、8中的锥形辊在具备翼缘矫正功能的同时，可形成一个大的反弯环节，配合序号1和2对H型钢进行一个反向的全长矫直；序号3、4、5、6、7、8中的立辊对H型钢的另一个方向进行全长矫直，从而达到全方位矫整H型钢的目的。

4　结语

该生产线于2013年7月投产，成品率均达到95%以上。运行情况表明，生产线工艺设置合理，自动化程度高，避免了人工参与对成品质量的影响，矫直前a、b、d型缺陷基本可以避免；组焊和冷矫设备的技术指标及产品质量均稳定，满足了高精度焊接大型非标H型钢的交货要求。生产线中的冷矫方案可以为国内高精度焊接H型钢生产厂家提供参考。

[1]中国重型机械工业协会.重型机械标准[M].昆明：云南科技出版社，2007.

[2]马宾锋，李辉，秦金，等.国产首套铝及铝合金十二辊型材矫整机[J].机械管理开发，2014（6）：14-16.

[3]曹燕.H型钢辊式矫直机及矫直辊设计特点[J].冶金设备，2003 （6）：16-17.

[4]崔莆.矫直机械与矫直原理[M].北京：机械工业出版社，2002.

（编辑：贺焱）

The Non-standard H-beam Welding Production Line for Oil Derrick

CHEN Feng1，LI Wangshun2，MA Binfeng1，YANG Kai2，LI Junhui1，WANG Zhen’an3，NIU Yi2，LIU Guogang2
（1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710032；2. Northwestern Aluminium Fabrication.，Dingxi Gansu 748111；3.Baoshi Xianyang petroleum Steel Tube&Wire Pope Co.，Ltd.，Xianyang Shaanxi 712000）

This paper analyzes bottlenecks of H-beam production process.Under the premise of saving the biggest investment cost,this paper designs complete sets of special H-beam production line for exported oil derrick.After this production line is put into production,the product quality meets the requirements,at the same time，the yield is more than 95%，which can be used as a reference for H-beam production of high-precision derrick.

H-beam，welding，straightening，derrick

TG457.11

A

1672-1152（2016）02-0047-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.18

2015-11-19

陈峰（1981—），男，现从事管棒型材精整设备的研究和开发工作，高级工程师。