螺旋焊管管端切斜自動(dòng)測(cè)量裝置

周書亮，趙寶剛，鄭青昊，祁 超，李青紅，趙 彪

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658）

螺旋焊管管端切斜自動(dòng)測(cè)量裝置

周書亮1，趙寶剛1，鄭青昊1，祁 超1，李青紅1，趙 彪2

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658）

針對(duì)螺旋焊管管端切斜值測(cè)量過程中存在的測(cè)量精度及人工測(cè)量誤差較大的問題，設(shè)計(jì)了一種管端切斜自動(dòng)測(cè)量裝置。該裝置采用CCD激光傳感器對(duì)切斜值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合PLC算術(shù)平均濾波法對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，利用MCGS6.2上位機(jī)軟件顯示測(cè)量參數(shù)信息，通過ODBC接口將測(cè)量數(shù)據(jù)保存在Accesss數(shù)據(jù)庫中，方便數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)。生產(chǎn)運(yùn)行表明，該裝置測(cè)量準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定，測(cè)量精度滿足生產(chǎn)工藝要求，測(cè)量誤差在±0.1mm。

螺旋焊管；管端；切斜值；激光傳感器；上位機(jī)

0 前 言

長輸管道施工過程中，為了現(xiàn)場(chǎng)鋼管對(duì)接需要，鋼管管端要進(jìn)行切斜加工。管端切斜尺寸是管端加工和鋼管外觀幾何尺寸檢測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，管端切斜尺寸過大，鋼管對(duì)接處間隙過大，給焊接造成困難，影響管道焊接質(zhì)量和安全。在API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》和GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》等標(biāo)準(zhǔn)中，要求管端切斜尺寸不應(yīng)超過1.6mm。目前國內(nèi)鋼管廠普遍采用直角尺、線錘等方法測(cè)量，找出管端一周最大切斜值來確定管端切斜尺寸，這種測(cè)量方法重復(fù)精度差，測(cè)量過程中勞動(dòng)強(qiáng)度大，且人工測(cè)量誤差較大。因此，設(shè)計(jì)一種螺旋埋弧焊管管端切斜自動(dòng)測(cè)量裝置，以提高管端切斜測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度，提升檢測(cè)效率，降低崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)鋼管質(zhì)量控制有重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù) API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》和GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》對(duì)管端切斜值的檢測(cè)要求，該管端切斜自動(dòng)測(cè)量裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管端切斜測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)量流程

當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到有鋼管放入時(shí)，操作人員輸入鋼管管號(hào)選擇自動(dòng)測(cè)量模式，鋼管管端兩側(cè)的測(cè)量小車便相向行走，當(dāng)測(cè)量小車上的測(cè)距傳感器檢測(cè)到小車到達(dá)指定位置后，小車停止行走，鋼管開始旋轉(zhuǎn)，CCD激光傳感器開始對(duì)管端切斜進(jìn)行測(cè)量。鋼管在起始位置旋轉(zhuǎn)180°后測(cè)量出的管端切斜值中的最大值為此鋼管的管端切斜尺寸。測(cè)量完成后，鋼管停止旋轉(zhuǎn)，測(cè)量小車自動(dòng)返回到起始位置，上位機(jī)顯示當(dāng)前鋼管的切斜尺寸數(shù)值，完成測(cè)量過程。

1.2 控制原理

考慮到需要與現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備（主要為西門子控制元件）交互通訊，因此采用 PROFIBUS-DP分布式主從控制模式，以西門子S7-300 PLC作為主站，主要完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制；從站為ET200M和倫茨9300-EV矢量工程型變頻器，主要完成遠(yuǎn)程操作及驅(qū)動(dòng)輥的控制；PLC主站與上位機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，上位機(jī)完成工藝參數(shù)設(shè)置和測(cè)量數(shù)據(jù)的保存。

2 硬件組成

2.1 測(cè)量機(jī)構(gòu)

管端切斜測(cè)量機(jī)構(gòu)由高精度CCD激光傳感器、帶直線導(dǎo)軌的可伸縮傳感器固定支臂和測(cè)量小車組成。CCD激光傳感器包括發(fā)射器、接收器和放大器。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求以及管端經(jīng)倒棱處理后實(shí)際切斜尺寸的大小，選擇測(cè)量范圍為28mm的傳感器。該傳感器的重復(fù)精度最高可達(dá)5 μm，線性度可達(dá)±0.1%F.S；發(fā)射器和接收器帶光軸校準(zhǔn)指示，并具有雙LED位置顯示，便于日常觀測(cè)，放大器可根據(jù)管端切斜的形貌選擇不同的測(cè)量模式，以達(dá)到最佳的測(cè)量效果。在傳感器的安裝過程中，考慮到存在實(shí)際安裝誤差，不能保證傳感器1和傳感器2在鋼管的直徑方向位置絕對(duì)一致，設(shè)其誤差為L3，根據(jù)API SPEC 5L和GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)，從不同的管端直徑方向測(cè)量管端切斜尺寸中的最大值即為判斷管端切斜尺寸是否合格的切斜值。圖2為管端切斜測(cè)量示意圖，圖中管端切斜尺寸測(cè)量值為|L1+L3-L2|。

圖2 管端切斜測(cè)量示意圖

傳感器1和傳感器2安裝在通過鋼管直徑方向的同一水平面上。考慮到傳感器支臂需要根據(jù)螺旋焊管管徑的大小做相應(yīng)的調(diào)整，傳感器支臂水平方向調(diào)整采用可伸縮滑道方式，垂直方向調(diào)整采用直線導(dǎo)軌方式，在保證傳感器調(diào)整精度的同時(shí)便于操作。

測(cè)量小車上裝有測(cè)量支臂和測(cè)距傳感器，小車可根據(jù)測(cè)距傳感器檢測(cè)到的距離變化，停留在管端固定距離的位置進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量過程滿足工藝要求。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

鋼管旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用倫茨矢量工程型伺服控制器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，控制器型號(hào)為9300-EV，具有低頻、力矩大、輸出平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和穩(wěn)速精度高的特點(diǎn)，這樣保證了鋼管旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，確保了測(cè)量精度。旋轉(zhuǎn)輥的輥面采用膠面，避免旋轉(zhuǎn)過程中焊縫引起的鋼管震動(dòng)對(duì)切斜測(cè)量的影響。

2.3 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)由CPU模塊、輸入輸出模塊、ET200M（從站）模塊和以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1組成。主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算以及測(cè)量小車和旋轉(zhuǎn)輥的控制等?？紤]到其他設(shè)備的控制和車間工業(yè)以太網(wǎng)通訊需要，采用西門子S7-300 PLC系統(tǒng)。

2.4 上位機(jī)

上位機(jī)用來實(shí)現(xiàn)鋼管的工藝參數(shù)設(shè)置和測(cè)量后的數(shù)據(jù)保存，工藝參數(shù)設(shè)置的目的是為了實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格鋼管的自動(dòng)檢測(cè)。上位機(jī)采用西門子工業(yè)PC和SIMATIC HMI IPC，其集觸摸操作和PC功能于一體，并有較高的防護(hù)等級(jí)，適合在工業(yè)環(huán)境中使用，操作便利，在滿足工作需要的同時(shí)，節(jié)約了設(shè)備的安裝空間?？紤]到兼容性，PLC與上位機(jī)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)方式。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量控制

CCD激光傳感器的放大器設(shè)置為“邊緣控制/定位”測(cè)量模式，為了避免線路阻值和外界干擾對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，提高信?hào)傳輸精度，傳感器采集的數(shù)據(jù)以恒流源4～20 mA電流信號(hào)的形式輸出給西門子SM331模塊，對(duì)采集的數(shù)據(jù)采用算術(shù)平均濾波法進(jìn)行濾波處理，經(jīng)過程序運(yùn)算后，其數(shù)值輸出程序如圖3所示。

圖3 管端切斜輸出值程序模塊

3.2 旋轉(zhuǎn)控制

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要保證鋼管在旋轉(zhuǎn)測(cè)量過程中按控制器所設(shè)定的指令參數(shù)平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，由于鋼管旋轉(zhuǎn)相同的角度所用時(shí)間會(huì)隨管徑不同而變化，旋轉(zhuǎn)時(shí)間根據(jù)上位機(jī)工藝參數(shù)設(shè)置后經(jīng)程序運(yùn)算自動(dòng)生成，確保鋼管旋轉(zhuǎn)所需要的角度。驅(qū)動(dòng)輥的控制程序模塊如圖4所示。

圖4 9300-EV控制程序模塊

3.3 上位機(jī)控制

（1）上位機(jī)界面軟件采用MCGS6.2通用版，MCGS6.2通用版基于Windows平臺(tái)，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，具有功能完善、操作簡便、可視性好和維護(hù)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)。支持多種國內(nèi)外眾多常用設(shè)備，支持ODBC接口，可與SQL Server，Oracle和Access等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫互聯(lián)。

（2）在本設(shè)計(jì)中MCGS 6.2通過ODBC接口將測(cè)量的數(shù)據(jù)保存在Accesss數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過圖5所示MCGS參數(shù)設(shè)置后，與西門子CP343-1互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與S7-300 PLC通訊。

圖5 MCGS通訊參數(shù)設(shè)置界面

（3）通過MCGS軟件界面組態(tài)和S7-300 PLC變量連接，將參數(shù)讀取到軟件中，測(cè)量數(shù)據(jù)通過組態(tài)界面顯示出來，測(cè)量界面如圖6所示。

4 結(jié) 語

該管端切斜測(cè)量裝置采用機(jī)器自動(dòng)測(cè)量模式，避免了不同操作人員測(cè)量帶來的人工誤差，提高了測(cè)量精度，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，簡化了測(cè)量流程。測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)查詢方便、快捷。

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Automatic Measuring Device to SAWH Pipe Ends Cut Square

ZHOU Shuliang1,ZHAO Baogang1,ZHENG Qinghao1,QI Chao1,LI Qinghong1,ZHAO Biao2
（1.CNPC Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China；2.CNPC Bohai Equipment NKK Drill Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

Aiming at some problems existed in measurement process of SAWH pipe ends cut square,such as measurement accuracy and the manual measurement deviation bigger,a kind of automatic measuring device of pipe end square cut was designed.The device adopted CCD laser sensor to measure cut square value,combined with PLC arithmetic average filtering method to process data,utilized MCGS6.2 upper computer software to display the measured parameters.The data were stored in the access database through the ODBC interface,which is convenient for data collection and statistics.The production run showed that this device is with some advantages of accurate measurement and stable system,the measurement accuracy can satisfy the requirements of production technology,and the measurement deviation is within±0.1mm.

SAWH pipe;pipe end;cut square value;laser sensor;upper computer

TG82

B

1001－3938（2015）04-0048-04

周書亮（1984—），男，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)主要從事電氣設(shè)計(jì)與設(shè)備維護(hù)工作。

2014-10-02

黃蔚莉

中國石化第一條智能化管道新東辛輸油管道項(xiàng)目投產(chǎn)一次成功

2015年4月3日，中國石化第一條智能化管道——新東辛輸油管道項(xiàng)目投產(chǎn)一次成功。

新東辛輸油管道是勝利油田輸往齊魯石化供油的輸油干線，管道北起東營原油庫，南至臨淄原油庫，途經(jīng)東營市東營區(qū)、廣饒縣及淄博市臨淄區(qū)等3縣區(qū)10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，管道總長88.3 km，直徑610mm，設(shè)計(jì)壓力5 MPa。

作為中國石化第一批智能化管道項(xiàng)目，新東辛輸油管道與原東辛輸油管道相比，具有輸油能力大、環(huán)保節(jié)能好、泵效率高以及智能化水平高等優(yōu)勢(shì)，年輸油能力將由目前的300×104t提升至 800×104t以上。

智能化是新管道的顯著特點(diǎn)，主干線途經(jīng)的飲用水源地上新增設(shè)的4個(gè)截?cái)嚅y室可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急狀況下的緊急切斷功能，管道監(jiān)控系統(tǒng)可檢測(cè)到＜2 m3/h的小流量泄漏，避免大面積環(huán)境污染。同時(shí)，管道主通信方式為光纜，實(shí)現(xiàn)了日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俜€(wěn)定。

據(jù)介紹，原東辛輸油管道投產(chǎn)于1988年，管徑529mm，使用年限超過26年，違章建筑和占?jí)旱入[患嚴(yán)重，并且無法滿足齊魯石化新投入裝置生產(chǎn)的要求，同時(shí)與城市管網(wǎng)有交叉，存在較大安全隱患。

（羅 剛摘自中國管道商務(wù)網(wǎng)）