CN110539062B - 一种深海管道等离子增材制造原位修复设备与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海管道等离子增材制造原位修复设备，包括修复舱、装备舱、刀具库、本地控制系统、液压装置、六轴机器人、监控系统、等离子增材系统和减材辅助系统。本发明可以实现深海原位修复；同时采用等离子预热，避免了修复过程中温度场不均造成缺陷问题。采用了等离子增材制造与简单的减材制造复合加工，并提供了成型质量监控系统可以实时监控修复质量，及时结合减材方法、平整修复平面，修复等离子增材过程中可能出现的缺陷问题，提高修复质量。并且过在修复完成后，通过等离子熔覆一层抗腐蚀层，可以修复区域的抗腐蚀性能，避免同一位置频繁出现损伤。

Description

一种深海管道等离子增材制造原位修复设备与方法
技术领域
本发明涉及深海原位修复技术领域，尤其涉及一种深海管道等离子增材制造原位修复设备与方法。
背景技术
随着海洋石油、天然气的不断开采，大型海洋油气管道开始了大规模的铺设。目前我国铺设的海底油气管道超过了6000km。但由于海水不断的侵蚀管道，管道容易出现损坏，并且由于石油、天然气的特殊性，一旦大规模泄露将对当地的自然环境、海洋生态造成毁灭性的打击，因此深海管道的修复技术十分重要。
现有的技术大多是采用人工的高压焊接进行修复，人工深海焊接修复可能存在质量较差的问题，同时对于焊接技术人员而言深海焊接存在比较大的危险性。
还有部分技术人员提出一种在焊枪末端加上一个小型排水装置，提供局部干燥，进行焊接。这种方法只适用于浅水部件的修复，同时还存在焊道快速接触水的问题，一旦小型排水装置随着焊枪移动，已经焊接上的部分区域立刻接触液体，快速降温、造成温差过大，容易产生孔洞、裂纹、翘曲的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种深海管道等离子增材制造原位修复设备。本发明能够实现对深海管道进行快速高质量的原位修复。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种深海管道等离子增材制造原位修复设备，包括修复舱、装备舱、刀具库、本地控制系统、液压装置、六轴机器人、监控系统、等离子增材系统和减材辅助系统；
修复舱与装备舱通过装备舱门隔开，所述装备舱门设有密封带；
装备舱顶部设有综合管线接口，用于从水面引进保护气气管和电缆；
修复舱顶部设有保护气气管接口，用于从水面通入保护气；修复舱两侧设有可替换舱门和密封舱门；修复舱底部设有活动密封舱底，活动密封舱底设有密封带；
所述装备舱门、可替换舱门、密封舱门和活动密封舱底均由液压装置驱动；
所述刀具库、本地控制系统、液压装置、六轴机器人、监控系统、等离子增材系统和减材辅助系统均设置在装备舱内部；
等离子增材系统包括等离子焊枪、送丝机、等离子发生器和等离子电源；
所述送丝机用于提供不同材料和直径的金属丝材；
减材辅助系统包括磨盘、快速三维扫描仪、铣刀和电主轴；
所述快速三维扫描仪用于快速扫描待修复区域，获得精准的三维图像数据；
所述等离子焊枪、磨盘、快速三维扫描仪和铣刀均设置在刀具库内；
监控系统包括高清摄像头和焊接监控摄像机；所述高清摄像头用于获取装备舱内部的高清图像；所述焊接监控摄像机搭载有光二极管，用于实时获取增材过程中的熔池图像数据；
六轴机器人通过电主轴进行等离子焊枪、磨盘、快速三维扫描仪和铣刀的装夹切换；
所述刀具库、液压装置、六轴机器人、等离子增材系统、减材辅助系统和监控系统均通过信号线连接至本地控制系统，由本地控制系统进行协同控制；
所述本地控制系统用于对快速三维扫描仪获取的三维图像数据进行快速处理和分析，并根据预先准备的管道修复数据库，制定合适的修复方案，生成修复路径。
进一步地，本地控制系统可通过综合管线接头引进信号线，将数据传输到水面上的控制系统，便于水面工作人员进行设备整体观察、控制。
本发明的另一目的在于提供一种深海管道等离子增材制造原位修复方法，包括步骤：
(1)将修复设备吊装到指定工作地点，使修复舱罩住待修复管道；
(2)关闭可替换舱门和密封舱门，向修复舱内通入氩气以将水排空，水排空后关闭活动舱底，打开装备舱门；
(3)六轴机器人装夹快速三维扫描仪扫描待修复部位，获取准确三维图像数据并传输给本地控制系统；
(4)将所获取的图像数据与工艺数据库对比，自动适配制定修复方案；
(5)六轴机器人切换装夹磨盘或铣刀对待修复面进行预处理，去除管道表面铁锈；
(6)六轴机器人切换装夹等离子焊枪在待修复区域按照设定路径进行预热；
(7)预热后按照设定路径进行等离子增材修复，加工到若干层后暂停修复，通过焊接监控摄像头获取已修复部分图像数据并与设计数据进行对比，通过铣刀修整平面，并在接下来若干层进行高度补偿；
(8)循环步骤(6)-(7)直至修复完成；
(9)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对沉积层进行平整处理；
(10)六轴机器人切换装夹等离子焊枪，送丝机切换高抗腐蚀性能材料对修复后的表面进行抗腐蚀材料的熔覆；
(11)六轴机器人切换装夹快速三维扫描仪，对修复后的区域进行三维扫描，获取高清三维图像数据传输至水面，技术人员对比设计模型，确认修复完成；
(12)装备舱内设备恢复原位，关闭装备舱门，打开活动舱底、密封舱门和可替换舱门，并将修复设备吊出水面。
具体地，若干层按照需求设定，一般为5-8层。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明提供了一个水下密封舱进行水下高压干法进行等离子增材制造修复，能够实现深海原位修复；同时采用等离子预热，避免了修复过程中温度场不均造成缺陷问题，使得修复后的零件具有孔洞少、裂纹少、致密度高、强度高、力学性能好的优点。
2、本发明采用等离子增材制造与简单的减材制造复合加工，并提供了成型质量监控系统，能够实时监控修复质量，及时结合减材方法、平整修复平面，修复等离子增材过程中可能出现的缺陷问题，提高修复质量。
3、本发明通过在修复完成后，通过等离子熔覆一层抗腐蚀层，能够修复区域的抗腐蚀性能，避免同一位置频繁出现损伤。
附图说明
图1是本发明深海管道等离子增材制造原位修复设备的舱体结构示意图。
图2是本发明深海管道等离子增材制造原位修复设备的舱体剖面示意图。
图3是本发明深海管道等离子增材制造原位修复设备的装备舱内结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种深海管道等离子增材制造原位修复设备，包括修复舱1、装备舱4、刀具库15、本地控制系统17、液压装置18、六轴机器人21、监控系统、等离子增材系统和减材辅助系统；
如图1和图2所示分别为修复设备中舱体的结构示意图和剖面示意图。
修复舱与装备舱通过装备舱门7隔开，所述装备舱门设有密封带8；
装备舱顶部设有综合管线接口6，用于从水面引进保护气气管和电缆；
修复舱顶部设有保护气气管接口5，用于从水面通入保护气；修复舱两侧设有可替换舱门3和密封舱门2；修复舱底部设有活动密封舱底9，活动密封舱底设有密封带8；
所述装备舱门、可替换舱门、密封舱门和活动密封舱底均由液压装置驱动；
如图3所示为装备舱内的结构示意图，所述刀具库、本地控制系统、液压装置、六轴机器人、监控系统、等离子增材系统和减材辅助系统均设置在装备舱内部；
等离子增材系统包括等离子焊枪12、送丝机16、等离子发生器19和等离子电源20；
所述送丝机用于提供不同材料和直径的金属丝材；
减材辅助系统包括磨盘13、快速三维扫描仪14、铣刀23和电主轴24；
所述快速三维扫描仪用于快速扫描待修复区域，获得精准的三维图像数据；
所述等离子焊枪、磨盘、快速三维扫描仪和铣刀均设置在刀具库内；
监控系统包括高清摄像头10和焊接监控摄像机22；所述高清摄像头用于获取装备舱内部的高清图像；所述焊接监控摄像机搭载有光二极管，用于实时获取增材过程中的熔池图像数据；
六轴机器人通过电主轴进行等离子焊枪、磨盘、快速三维扫描仪和铣刀的装夹切换；
所述刀具库、液压装置、六轴机器人、等离子增材系统、减材辅助系统和监控系统均通过信号线连接至本地控制系统，由本地控制系统进行协同控制；
所述本地控制系统用于对快速三维扫描仪获取的三维图像数据进行快速处理和分析，并根据预先准备的管道修复数据库，制定合适的修复方案，生成修复路径。
进一步地，本地控制系统可通过综合管线接头引进信号线，将数据传输到水面上的控制系统，便于水面工作人员进行设备整体观察、控制。
一种深海管道等离子增材制造原位修复方法，包括步骤：
(1)将修复设备吊装到指定工作地点，使修复舱罩住待修复管道；
(2)关闭可替换舱门和密封舱门，向修复舱内通入氩气以将水排空，水排空后关闭活动舱底，打开装备舱门；
(3)六轴机器人装夹快速三维扫描仪扫描待修复部位，获取准确三维图像数据并传输给本地控制系统；
(4)将所获取的图像数据与工艺数据库对比，自动适配制定修复方案；
(5)六轴机器人切换装夹磨盘或铣刀对待修复面进行预处理，去除管道表面铁锈；
(6)六轴机器人切换装夹等离子焊枪在待修复区域按照设定路径进行未送丝的若干层预热；
(7)预热后按照设定路径进行等离子增材修复，加工到若干层后暂停修复，通过焊接监控摄像头获取已修复部分图像数据并与设计数据进行对比，通过铣刀修整平面，并在接下来若干层进行高度补偿；
(8)循环步骤(6)-(7)直至修复完成；
(9)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对沉积层进行平整处理；
(10)六轴机器人切换装夹等离子焊枪，送丝机切换高抗腐蚀性能材料对修复后的表面进行抗腐蚀材料的熔覆；
(11)六轴机器人切换装夹快速三维扫描仪，对修复后的区域进行三维扫描，获取高清三维图像数据传输至水面，技术人员确认修复是否完成；
(12)装备舱内设备恢复原位，关闭装备舱门，打开活动舱底、密封舱门和可替换舱门，并将修复设备吊出水面。
具体地，若干层按照需求设定，一般为5-8层。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种深海管道等离子增材制造原位修复设备，其特征在于，包括修复舱、装备舱、刀具库、本地控制系统、液压装置、六轴机器人、监控系统、等离子增材系统和减材辅助系统；
修复舱与装备舱通过装备舱门隔开，所述装备舱门设有密封带；
装备舱顶部设有综合管线接口，用于从水面引进保护气气管和电缆；
修复舱顶部设有保护气气管接口，用于从水面通入保护气；修复舱两侧设有可替换舱门和密封舱门；修复舱底部设有活动密封舱底，活动密封舱底设有密封带；
所述装备舱门、可替换舱门、密封舱门和活动密封舱底均由液压装置驱动；
所述刀具库、本地控制系统、液压装置、六轴机器人、监控系统、等离子增材系统和减材辅助系统均设置在装备舱内部；
等离子增材系统包括等离子焊枪、送丝机、等离子发生器和等离子电源；
所述送丝机用于提供不同材料和直径的金属丝材；
送丝机用于提供抗腐蚀材料，等离子焊枪用于熔覆抗腐蚀材料，通过等离子焊枪和送丝机熔覆一层抗腐蚀层；
减材辅助系统包括磨盘、快速三维扫描仪、铣刀和电主轴；
所述快速三维扫描仪用于快速扫描待修复区域，获得精准的三维图像数据；
所述等离子焊枪、磨盘、快速三维扫描仪和铣刀均设置在刀具库内；
监控系统包括高清摄像头和焊接监控摄像机；所述高清摄像头用于获取装备舱内部的高清图像；所述焊接监控摄像机搭载有光二极管，用于实时获取增材过程中的熔池图像数据；
六轴机器人通过电主轴进行等离子焊枪、磨盘、快速三维扫描仪和铣刀的装夹切换；
所述刀具库、液压装置、六轴机器人、等离子增材系统、减材辅助系统和监控系统均通过信号线连接至本地控制系统，由本地控制系统进行协同控制；
所述本地控制系统用于对快速三维扫描仪获取的三维图像数据进行快速处理和分析，并根据预先准备的管道修复数据库，制定合适的修复方案，生成修复路径。
2.根据权利要求1所述的深海管道等离子增材制造原位修复设备，其特征在于，本地控制系统可通过综合管线接头引进信号线，将数据传输到水面上的控制系统，便于水面工作人员进行设备整体观察、控制。
3.一种基于权利要求1或2所述深海管道等离子增材制造原位修复设备的深海管道等离子增材制造原位修复方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将修复设备吊装到指定工作地点，使修复舱罩住待修复管道；
(2)关闭可替换舱门和密封舱门，向修复舱内通入氩气以将水排空，水排空后关闭活动舱底，打开装备舱门；
(3)六轴机器人装夹快速三维扫描仪扫描待修复部位，获取准确三维图像数据并传输给本地控制系统；
(4)将所获取的图像数据与工艺数据库对比，自动适配制定修复方案；
(5)六轴机器人切换装夹磨盘或铣刀对待修复面进行预处理，去除管道表面铁锈；
(6)六轴机器人切换装夹等离子焊枪在待修复区域按照设定路径进行未送丝的若干层预热；
(7)预热后按照设定路径进行等离子增材修复，加工到若干层后暂停修复，通过焊接监控摄像头获取已修复部分图像数据并与设计数据进行对比，通过铣刀修整平面，并在接下来若干层进行高度补偿；
(8)循环步骤(6)-(7)直至修复完成；
(9)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对沉积层进行平整处理；
(10)六轴机器人切换装夹等离子焊枪，送丝机切换高抗腐蚀性能材料对修复后的表面进行抗腐蚀材料的熔覆；
(11)六轴机器人切换装夹快速三维扫描仪，对修复后的区域进行三维扫描，获取高清三维图像数据传输至水面，技术人员确认修复是否完成；
(12)装备舱内设备恢复原位，关闭装备舱门，打开活动舱底、密封舱门和可替换舱门，并将修复设备吊出水面。
4.根据权利要求3所述的深海管道等离子增材制造原位修复方法，其特征在于，若干层为5-8层。
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