CN111975204B - 一种海底管道激光电弧复合增材制造维修系统和方法 - Google Patents
一种海底管道激光电弧复合增材制造维修系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种海底管道激光电弧复合增材制造维修系统和方法,包括抱管机构、干式保护仓和液压机构;三维坐标测量仪、激光电弧复合增材机构、超声波测距传感器、变焦成像记录仪和铣削修型加工机构设于干式保护仓内并可进行三维移动;并能在油气管线表面做相对运动;激光电弧复合增材机构包括激光加工头、焊枪及配套连接装置;铣削修型加工机构包括修型铣刀和配套动力驱动装置。干式保护仓为修复过程创造干燥环境,减小水深水压对测量和修复的影响。可实现水下油气管线快速应急抢修,并对修复过程进行实时监控,确保水下环境下的修复过程稳定、修复质量统一,精确控制修复形状尺寸,并可在更复杂条件下获得良好的修复成型。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下焊接工程技术,尤其涉及一种海底管道激光电弧复合增材制造维修系统和方法。
背景技术
海洋油气开发是目前石油能源发展的主要方向,海底管道的修复急需先进的水下焊接维修技术作为支撑。海底管线常年在工况极其恶劣的海底工作,多数又需要埋设于海底泥土中一定深度,检查和维修困难,某些处于潮差或波浪破碎带的管段(尤其是立管),受风浪、潮流、海中漂浮物和船舶撞击或抛锚遭受破坏。海底管道的泄露不仅会造成经济损失,同时会造成严重的海洋环境污染,因此海洋管道泄露后必须尽快进行修复。
水下激光电弧复合增材制造技术是将激光电弧复合焊接技术和增材制造技术有机结合,通过排水装置在破损管道表面制造出局部干燥空间,再通过激光电弧复合焊接设备在管道破损部位堆积熔化金属,实现海底管道的修复制造。
激光电弧复合焊接所用的光线通过长距离传输送至水下,由于激光能量集中且在高压环境下具有稳定电弧的作用,因此水下激光电弧复合增材制造维修方法在修复质量和效率方面应急抢修海底油气管道泄漏具有显著技术优势及广阔应用前景。
激光电弧复合增材制造技术具有高效率和便于实现自动化等优点,对于情况紧急、环境复杂、作业费用昂贵的水下修复而言是非常有利的,但其受水下环境影响显著且需要开发特种设备,因此目前研究和应用受到较大限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种海底管道激光电弧复合增材制造维修系统和方法,实现海底油气管道的快速维修。
本发明的海底管道激光电弧复合增材制造维修系统,包括抱管机构22、干式保护仓20和液压机构21;
所述干式保护仓20内设有三维坐标测量仪13、激光电弧复合增材机构、超声波测距传感器17、变焦成像记录仪14和铣削修型加工机构;
所述铣削修型机构包括铣刀18和配套传动装置,所述铣削修型机构固定在滑座二15上,所述滑座二15安装于滑台二4的X向导轨上,所述滑台二4安装于滑台一2的Z向导轨上;
所述激光电弧复合增材机构包括激光加工头5、焊枪3和焊枪固定装置,所述激光焊接头5和焊枪3通过焊枪固定装置固定在滑座一7上,所述滑座一7安装于滑台二4的X向导轨上,所述滑台二4安装于滑台一2的Z向导轨上;
所述超声波测距传感器17、三维坐标测量仪13和变焦成像记录仪14安装在15滑座二上,所述滑座二15安装于滑台二4的X向导轨上,所述滑台二4安装于滑台一2的Z向导轨上;
所述滑台一2安装在Y向的丝杠12上。
上述的海底管道激光电弧复合增材制造维修系统实现海底管道激光电弧复合增材制造维修的方法,包括以下步骤:
a、利用干式保护仓创造局部干燥环境,采用激光电弧复合增材修复方式进行管道缺陷修复;
b、抱管机构固定于机架总装,由液压机构驱动抱管机构开合将干式保护仓固定于管道表面,液压驱动在集成控制系统操控下实现运动,通过自适应就位系统设定运动方式、运动速度、装夹位置,并在修复过程中随具体工况要求实时调节;
c、干式保护仓入水前预先通入保护气,使得干式仓内部始终处于干燥环境,修复过程中根据排水效果适当调节保护气体流量,保证三维测量和超声波测距运行稳定、定位准确;
d、采用激光电弧复合增材修复方式对管道破损位置进行修复,修复前通过三维测量仪对缺陷进行动态三维形貌扫描和分层路径规划,通过铣削修型机构将缺陷打磨修整,最后通过激光电弧复合增材机构按照规划路径进行缺陷修复;
e、变焦摄像镜头用于实现水下修复过程的监视和记录运行数据。
由上述本发明提供的技术方案可以看出,本发明实施例提供的海底管道激光电弧复合增材制造维修系统和方法,激光电弧复合增材机构、三维坐标测量仪、超声波测距传感器和铣削修型机构设于干式保护仓内,并能在所述集成控制系统的控制下在油气管线表面做相对运动;干式保护仓为修复过程创造干燥环境,减小水深水压对测量和修复的影响,提高修复质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的海底管道激光电弧复合增材制造维修系统示意图;
图2为本发明实施例中的干式保护仓内部结构示意图。
图中:
1、滑台电机一,2、滑台一,3、焊枪,4、滑台二,5、激光加工头,6、滑座电机一,7、滑座一,8、滑台电机二,9、滑台电机A,10、滑台电机三,11、滑台电机B,12、丝杠,13、三维坐标测量仪,14、变焦成像记录仪,15、滑座二,16、滑座电机二,17、超声波测距传感器,18、铣刀,19、滑台电机四,20、干式保护仓,21、液压机构,22、抱管机构,23、油气管道。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的海底管道激光电弧复合增材制造维修系统,其较佳的具体实施方式是:
包括抱管机构22、干式保护仓20和液压机构21;
所述干式保护仓20内设有三维坐标测量仪13、激光电弧复合增材机构、超声波测距传感器17、变焦成像记录仪14和铣削修型加工机构;
所述铣削修型机构包括铣刀18和配套传动装置,所述铣削修型机构固定在滑座二15上,所述滑座二15安装于滑台二4的X向导轨上,所述滑台二4安装于滑台一2的Z向导轨上;
所述激光电弧复合增材机构包括激光加工头5、焊枪3和焊枪固定装置,所述激光焊接头5和焊枪3通过焊枪固定装置固定在滑座一7上,所述滑座一7安装于滑台二4的X向导轨上,所述滑台二4安装于滑台一2的Z向导轨上;
所述超声波测距传感器17、三维坐标测量仪13和变焦成像记录仪14安装在15滑座二上,所述滑座二15安装于滑台二4的X向导轨上,所述滑台二4安装于滑台一2的Z向导轨上;
所述滑台一2安装在Y向的丝杠12上。
所述丝杠12、滑台二4、滑座二15、滑座一7分别连接有伺服电机。
上述的海底管道激光电弧复合增材制造维修系统实现海底管道激光电弧复合增材制造维修的方法,包括以下步骤:
a、利用干式保护仓创造局部干燥环境,采用激光电弧复合增材修复方式进行管道缺陷修复;
b、抱管机构固定于机架总装,由液压机构驱动抱管机构开合将干式保护仓固定于管道表面,液压驱动在集成控制系统操控下实现运动,通过自适应就位系统设定运动方式、运动速度、装夹位置,并在修复过程中随具体工况要求实时调节;
c、干式保护仓入水前预先通入保护气,使得干式仓内部始终处于干燥环境,修复过程中根据排水效果适当调节保护气体流量,保证三维测量和超声波测距运行稳定、定位准确;
d、采用激光电弧复合增材修复方式对管道破损位置进行修复,修复前通过三维测量仪对缺陷进行动态三维形貌扫描和分层路径规划,通过铣削修型机构将缺陷打磨修整,最后通过激光电弧复合增材机构按照规划路径进行缺陷修复;
e、变焦摄像镜头用于实现水下修复过程的监视和记录运行数据。
本发明的海底管道激光电弧复合增材制造维修系统和方法中:
干式保护仓,用于创造局部干燥空间,提供稳定的增材修复环境;抱管机构,将干式保护仓固定在油气管道表面,方便对管道缺陷进行修复;
三维坐标测量仪,可实现缺陷表面三维形貌宏观及细观测量要求;
配备10倍变焦成像记录仪,利用视觉传感技术来监控修复过程和提取焊缝质量信息,实现对水下增材修复过程的监视和记录;
激光电弧复合增材机构,能贴设在海底管道待维修结构表面,实现破损管道快速成型再制造;
超声波测距传感器,将超声波与射频技术结合,利用射频信号接近光速的传播速率,采用反射式测距+多边定位的方法,快速准确获取缺陷表面坐标,并在集成控制系统的控制下快速移动到待维修表面缺陷处;集成控制系统,用于水面进行遥操作控制水下激光电弧增材制造设备维修作业,实现远程水下自动运输维修设备和海管表面缺陷自动激光电弧复合增材修复;
洗削修型加工机构,将海管表面缺损部分进行打磨修整,对破损棱角打磨平整,消除激光电弧增材制造过程中的缺陷。
所述激光电弧复合增材机构、三维坐标测量仪、超声波测距传感器和铣削修型机构设于干式保护仓内,并能在所述集成控制系统的控制下在油气管线表面做相对运动;激光电弧复合增材机构包括激光加工头、焊枪及配套连接装置;所述铣削修型加工机构包括修型铣刀和配套动力驱动装置。干式保护仓为修复过程创造干燥环境,减小水深水压对测量和修复的影响,提高修复质量。
具体实施例:
由图1所示,本发明实施例提供一种水下激光电弧复合增材制造维修系统,该系统主要包括以下部分:机架总装,抱管机构,干式保护仓,液压机构组成。干式保护仓内设有三维坐标测量仪,激光电弧复合增材机构,超声波测距传感器,铣削修型加工机构组成。铣削修型机构由铣刀18及配套传动装置构成,固定在滑座二15上,由滑座15带动沿X轴方向运动;铣削修型机构通过滑座二15与滑台二4相连安装在滑台一2上,实现Z轴方向的移动;激光电弧复合增材机构由激光加工头5,焊枪3和焊枪固定装置构成,激光焊接头5和焊枪3通过固定装置相连固定在滑座一7上,并由滑座一7带动沿X轴方向运动,机构电弧复合增材机构通过滑座一7相连安装在滑台一2上,实现Z轴方向的移动;超声波测距传感器17和三维坐标测量仪13、变焦成像记录仪14安装在滑座二15上,由滑座二15带动在滑台二4上沿X轴方向运动,通过滑座二15与滑台二4相连,在滑台一2上实现Z轴方向运动;滑台一2安装在丝杠12上,由滑台电机A9、滑台电机B11驱动,带动滑台二4沿Y轴方向运动,实现三维坐标测量仪,激光电弧复合增材机构,超声波测距传感器,铣削修型加工机构的Y轴方向变位;滑台电机一1、滑台电机二8、滑台电机三10、滑台电机四19安装在滑台一2上,驱动滑台二4丝杠转动,实现滑台二4Z轴方向运动;滑座电机一6安装在滑座一7上,驱动滑座一7沿X轴方向运动;滑座电机二16安装在滑座二15上,驱动滑座二15沿X轴方向运动;丝杠12固定在干式保护仓20内。
激光电弧复合增材机构、三维测量坐标仪13、超声波测距传感器17、铣削修型机构安装在干式保护仓20内,保证激光复合增材修复和三维测量、超声检测过程不受水下环境干扰,实现高质快速修复成型。
由图2所示,快速三维测量坐标测量仪,激光电弧复合增材机构,超声测距传感器,洗削修型加工机构通过水下电线、电缆与水上控制系统集成控制,并提供指令和动力源。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种使用海底管道激光电弧复合增材制造维修系统进行海底管道激光电弧复合增材制造维修的方法,其特征在于:
所述海底管道激光电弧复合增材制造维修系统包括抱管机构(22)、干式保护仓(20)和液压机构(21);
所述干式保护仓(20)内设有三维坐标测量仪(13)、激光电弧复合增材机构、超声波测距传感器(17)、变焦成像记录仪(14)和铣削修型机构;
所述铣削修型机构包括铣刀(18)和配套传动装置,所述铣削修型机构固定在滑座二(15)上,所述滑座二(15)安装于滑台二(4)的X向导轨上,所述滑台二(4)安装于滑台一(2)的Z向导轨上;
所述激光电弧复合增材机构包括激光加工头(5)、焊枪(3)和焊枪固定装置,所述激光加工头(5)和焊枪(3)通过焊枪固定装置固定在滑座一(7)上,所述滑座一(7)安装于滑台二(4)的X向导轨上,所述滑台二(4)安装于滑台一(2)的Z向导轨上;
所述超声波测距传感器(17)、三维坐标测量仪(13)和变焦成像记录仪(14)安装在滑座二(15)上,所述滑座二(15)安装于滑台二(4)的X向导轨上;
所述滑台一(2)安装在Y向的丝杠(12)上;
所述丝杠(12)、滑台二(4)、滑座二(15)、滑座一(7)分别连接有伺服电机;
所述海底管道激光电弧复合增材制造维修的方法包括以下步骤:
a、利用干式保护仓创造局部干燥环境,采用激光电弧复合增材修复方式进行管道缺陷修复;
b、抱管机构固定于机架总装,由液压机构驱动抱管机构开合将干式保护仓固定于管道表面,液压驱动在集成控制系统操控下实现运动,通过自适应就位系统设定运动方式、运动速度、装夹位置,并在修复过程中随具体工况要求实时调节;
c、干式保护仓入水前预先通入保护气,使得干式保护仓内部始终处于干燥环境,修复过程中根据排水效果适当调节保护气体流量,保证三维测量和超声波测距运行稳定、定位准确;
d、采用激光电弧复合增材修复方式对管道破损位置进行修复,修复前通过三维坐标测量仪对缺陷进行动态三维形貌扫描和分层路径规划,通过铣削修型机构将缺陷打磨修整,最后通过激光电弧复合增材机构按照规划路径进行缺陷修复;
e、变焦摄像镜头用于实现水下修复过程的监视和记录运行数据;
所述三维坐标测量仪实现缺陷表面三维形貌宏观及细观测量要求;
配备10倍变焦成像记录仪,利用视觉传感技术来监控修复过程和提取焊缝质量信息,实现对水下增材修复过程的监视和记录;
激光电弧复合增材机构,贴设在海底管道待维修结构表面,实现破损管道快速成型再制造;
所述超声波测距传感器将超声波与射频技术结合,利用射频信号接近光速的传播速率,采用反射式测距+多边定位的方法,快速准确获取缺陷表面坐标,并在集成控制系统的控制下快速移动到待维修表面缺陷处;集成控制系统,用于水面进行遥控操作控制水下激光电弧增材制造设备维修作业,实现远程水下自动运输维修设备和海底管道表面缺陷自动激光电弧复合增材修复;
所述铣削修型机构将海底管道表面缺损部分进行打磨修整,对破损棱角打磨平整,消除激光电弧增材制造过程中的缺陷。
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