CN116971784A - 竖井钢管自动化作业系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖井钢管自动化作业系统及施工方法，包括井上钢管内缝环焊装置、钢管提升装置、钢管外缝环焊装置、卷扬装置、井下钢管内缝环焊装置及多组地轨，井上钢管内缝环焊装置、钢管提升装置及钢管外缝环焊装置可沿所在的地轨移动且互不干涉，井上钢管内缝环焊装置、钢管提升装置、钢管外缝环焊装置及井下钢管内缝环焊装置均可移动至竖井洞口的正上方；可实现钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝的焊接施工均在地面上进行，从而大量减少井下作业工作量，提升作业的安全性；无需预留组装外环焊缝的焊接施工作业空间，能大幅减少竖井开挖工作量和回填区回填工作量，极大提升工程整体施工效率，降低施工成本。

Description

竖井钢管自动化作业系统及施工方法

技术领域

本发明涉及竖井施工技术领域，特别地，涉及一种竖井钢管自动化作业系统。此外，本发明还涉及一种包括上述竖井钢管自动化作业系统的施工方法。

背景技术

在水利水电竖井钢管现场制造安装工程中，通常将3m一节钢管吊到竖井内的安装位置，单节进行组装，如此循环完成所有钢管的组装工作。该施工方法在竖井洞内每次仅能组装一节钢管，吊装次数多，吊装空走行程多，导致组装效率很低；为了保证拼装质量，拼装过程中需调节钢管圆度、钢管组装间距、组装错边量和两节钢管轴心线重合度，但是在竖井洞内组装，作业空间狭小，同时为空中作业，很难精确调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和两节钢管轴心线重合度，导致钢管组装质量很差。

水利钢管的对焊缝要求极高，为了保证焊接质量，通常是开设X型坡口，先焊接钢管内侧环焊缝，焊接完成后进行焊缝反面清根，再焊接钢管外侧环焊缝，从而保证焊接质量；为了实现钢管外侧环焊缝地焊接施工，开挖的竖井直径需大于钢管直径1.5-2m，预留出钢管外侧焊接施工的作业空间，从而导致竖井开挖工作量和回填区的回填工作量大幅增加，整体降低施工效率和增加施工成本。此外，对于竖井环焊缝的焊接施工，通常采用手工焊，而手工焊无法持续焊接，焊接接头多，且需经常更换焊条和对焊道熔渣进行清理，存在焊接质量和焊接效率低等问题；且手工焊需要在钢管内侧和外侧搭建工作平台，再将焊接装备、焊材及辅助器具吊运至工作平台上，实施钢管组装和焊接作业，随着施工的进行，还要不断安装和拆除辅助钢管安装和焊接的支撑平台以及吊运焊接装备、焊材和辅助器具至下一工位，整个施工流程十分繁杂，并且整个施工过程都在空中进行，施工危险性极高。

发明内容

本发明提供了一种竖井钢管自动化作业系统及施工方法，以解决现有技术中竖井开挖工作量和回填区的回填工作量大，井下作业工作量大，施工流程十分繁杂，施工效率低，施工危险性高的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种竖井钢管自动化作业系统，用于组装钢管、焊接相邻的两节钢管的组装内环焊缝及组装外环焊缝，并将焊接好的钢管下放至竖井内，其包括：

井上钢管内缝环焊装置，用于在井上转运、组装钢管及自动化焊接相邻的两节钢管的组装内环焊缝；

钢管提升装置，用于在井上抓取及吊装钢管；

钢管外缝环焊装置，用于在井上自动化焊接相邻的两节钢管的组装外环焊缝；

卷扬装置，用于提升或下放已放入井内的钢管；

井下钢管内缝环焊装置，用于在井下自动化焊接相邻的两节钢管的组装内环焊缝；

多组地轨，以竖井洞口为中心由内向外依次布，用于分别承载井上钢管内缝环焊装置、钢管外缝环焊装置及钢管提升装置，钢管提升装置及钢管外缝环焊装置均为龙门式结构，钢管外缝环焊装置可横跨于井上钢管内缝环焊装置上方，钢管提升装置可横跨于钢管外缝环焊装置上方，以使得井上钢管内缝环焊装置、钢管提升装置及钢管外缝环焊装置可沿对应的地轨移动且互不干涉，

井下钢管内缝环焊装置与井上钢管内缝环焊装置布设于同一组地轨上，井上钢管内缝环焊装置、钢管提升装置、钢管外缝环焊装置及井下钢管内缝环焊装置均可移动至竖井洞口的正上方。

进一步地，井上钢管内缝环焊装置包括与对应的地轨滑动连接的用于承载钢管的移动台车、布设于移动台车上的用于抵接钢管的内侧壁并使钢管固定的第一定位工装、用于使得相邻的两节钢管的轴心线重合的第一拼接工装、布设于第一定位工装上的用于调节第一拼接工装与第一定位工装之间的高度差的支撑柱、布设于第一拼接工装上的第一环形导轨及布设于第一环形导轨上的用于焊接组装内环焊缝的第一焊接机器人。

进一步地，钢管提升装置包括与对应的地轨滑动连接的龙门架、布设于龙门架上的抓具提升机构及用于抓取钢管的抓具，抓具提升机构通过吊绳与抓具连接，以提升或下降钢管。

进一步地，钢管外缝环焊装置包括与对应的地轨滑动连接的移动支架、布设于移动支架上的第二环形导轨及布设于第二环形导轨上的用于焊接组装外环焊缝的第二焊接机器人。

进一步地，卷扬装置包括用于连接钢管的卷扬缆绳及用于对卷扬缆绳进行收放卷的卷扬机构，多个卷扬装置均布在竖井洞口的外围，且同步收/放卷扬缆绳以提升或下放钢管。

进一步地，井下钢管内缝环焊装置与地轨滑动连接的行走支架、布设于行走支架上的吊笼提升机构及用于在井下焊接组装内环焊缝的焊接平台，焊接平台通过吊笼缆绳与吊笼提升机构连接，焊接平台包括用于连接吊笼缆绳的平台基体、布设于平台基体上的用于分别抵接相邻的两节钢管内侧壁的第二定位工装和第二安装平台，第二安装平台上布设有第三环形导轨，第三环形导轨上布设有用于焊接组装内环焊缝的第三焊接机器人。

根据本发明的另一方面，还提供了一种竖井钢管自动化作业施工方法，其包括以下步骤：

S1：在地面上挖掘好以略大于钢管直径的竖井，在井上将钢管工件组装并定置自动焊接形成钢管多环组件，并将钢管多环组件下放至竖井内；

S2：在井上将多个钢管多环组件组装并定置自动焊接相邻的两个钢管多环组件的组装外环焊缝，完成整个竖井钢管的拼装，并将整个竖井钢管下放至井底；

S3：在井下将相邻的两个钢管多环组件的组装内环焊缝焊接。

进一步地，所述S1具体包括以下步骤：

S101：以钢管直径的1.05～1.2倍在地面上挖掘好竖井，竖井洞口的正上方为作业工位，将钢管提升装置和钢管外缝环焊装置移动至作业工位，将第一钢管工件放置在井上钢管内缝环焊装置的组装工位上，井上钢管内缝环焊装置运动到作业工位，通过钢管提升装置将第一钢管工件提升到空中；

S102：井上钢管内缝环焊装置移出作业工位，将第二钢管工件放置在井上钢管内缝环焊装置的组装工位上，井上钢管内缝环焊装置再次运动到作业工位；

S103：井上钢管内缝环焊装置将第二钢管工件定位并固定，钢管提升装置将第一钢管工件下放，使得第一钢管工件与第二钢管工件对接，再通过井上钢管内缝环焊装置对第一钢管工件定位并固定，保证第一钢管工件与第二钢管工件的轴心线重合，然后调节钢管圆度、组装间距及组装错边量；

S104：井上钢管内缝环焊装置和/或钢管外缝环焊装置对第一钢管工件与第二钢管工件的组装焊缝进行点焊定位；

S105：井上钢管内缝环焊装置和钢管外缝环焊装置自动寻位到组装内环焊缝和组装外环焊缝，并进行自动化焊接；

S106：重复S101-S105，将多节钢管在井上组装并焊接形成第一钢管多环组件；

S107：再通过钢管提升装置将第一钢管多环组件提升，井上钢管内缝环焊装置和钢管外缝环焊装置移出作业工位；

S108：钢管提升装置将第一钢管多环组件下放到竖井洞口，卷扬装置与第一钢管多环组件下端的起始节钢管连接，钢管提升装置松开第一钢管多环组件，卷扬装置下放第一钢管多环组件，使第一钢管多环组件的上表面与竖井洞口齐平。

进一步地，所述S2具体包括以下步骤：

S201：重复第一步中的S101-S106，完成第二钢管多环组件的井上组装和定置自动化焊接；

S202：通过钢管提升装置将第二钢管多环组件提升，井上钢管内缝环焊装置移出作业工位，钢管外缝环焊装置停留在作业工位；

S203：卷扬装置将第一钢管多环组件提升，使第一钢管多环组件的上表面到达钢管外缝环焊装置的定置焊接位置，钢管提升装置将第二钢管多环组件下放，使管第一钢管多环组件与第二钢管多环组件对接，调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和钢管轴心线重合度；

S204：通过钢管外缝环焊装置对第一钢管多环组件和第二钢管多环组件的组装外环焊缝先进行点焊固定，再对第一钢管多环组件和第二钢管多环组件的组装外环焊缝进行自动焊接施工；

S205：钢管提升装置松开第二钢管多环组件，卷扬装置将进行组装外环焊缝焊接后的第一钢管多环组件和第二钢管多环组件下放，使第二钢管多环组件的上表面与竖井洞口齐平；

S206：重复第二步的S201-S205，在井上完成整个竖井钢管的拼装，并将整个竖井钢管下放至井底。

进一步地，所述S3具体包括以下步骤：

S301：将井上钢管内缝环焊装置、钢管外缝环焊装置和钢管提升装置移出作业工位，将井下钢管内缝环焊装置运动至作业工位。

S302：井下钢管内缝环焊装置的焊接平台下放至第一钢管多环组件与第二钢管多环组件拼装形成的组装内环焊缝位置；

S303：焊接平台抵接第一钢管多环组件和/或第二钢管多环组件的内侧壁，且保证井焊接平台的轴心线与整个竖井钢管的轴心线重合；

S304：焊接平台自动寻位到组装内环焊缝，并进行自动化焊接；

S305：重复第三步的S303-S304，在井下完成所有井内环焊缝的自动化焊接施工。

本发明具有以下有益效果：

本发明的钢管包括钢管工件、由钢管工件组装并焊接形成的钢管多环组件及由钢管多环组件组装并焊接形成的整个竖井钢管；三组地轨以竖井洞口为中心由内向外依次布，井上钢管内缝环焊装置、钢管外缝环焊装置及钢管提升装置分别设置于第一地轨、第二地轨及第三地轨上，钢管提升装置及钢管外缝环焊装置均为龙门式结构，钢管外缝环焊装置可横跨于井上钢管内缝环焊装置上方，钢管提升装置钢管可横跨于外缝环焊装置上方，以保证井上钢管内缝环焊装置、钢管外缝环焊装置及钢管提升装置沿对应的地轨移动时互不干涉；使用时，钢管提升装置和钢管外缝环焊装置移动至竖井洞口的正上方，井上钢管内缝环焊装置承载第一钢管工件移动至钢管提升装置下方，钢管提升装置将第一钢管工件提升，井上钢管内缝环焊装置再承载第二钢管工件移动至钢管提升装置下方，钢管提升装置将第一钢管工件下放，使得第一钢管工件与第二钢管工件对齐，井上钢管内缝环焊装置对第一钢管工件与第二钢管工件的组装内环焊缝进行自动化焊接，钢管外缝环焊装置对第一钢管工件与第二钢管工件的组装外环焊缝进行自动化焊接，钢管提升装置再将第一钢管工件和第二钢管工件提升，井上钢管内缝环焊装置承载第三钢管工件移动至钢管提升装置下方，将第二钢管工件与第三钢管工件的组装内环焊缝及组装外环焊缝进行自动化焊接，即可将三节钢管工件组装焊接形成的第一钢管多环组件；卷扬装置将第一钢管多环组件下放至竖井内，再将三节钢管工件组装焊接形成的第二钢管多环组件，井上钢管内缝环焊装置移出竖井洞口的正上方，卷扬装置将第一钢管多环组件提升，钢管提升装置将第二钢管多环组件下放，使得第一钢管多环组件与第二钢管多环组件对齐，钢管外缝环焊装置对第一钢管多环组件与第二钢管多环组件的组装外环焊缝进行自动化焊接，直至完成整个竖井钢管的组装及焊接(此时钢管多环组件之间的组装内环焊缝未焊接)；井上钢管内缝环焊装置、钢管外缝环焊装置和钢管提升装置移出竖井洞口的正上方，井下钢管内缝环焊装置移动至竖井洞口的正上方，并井下完成所有钢管多环组件之间的组装内环焊缝的自动化焊接施工，能保证焊接质量，提高效率；竖井钢管自动化作业系统布局合理，通过多组地轨分别承载井上钢管内缝环焊装置、钢管提升装置及钢管外缝环焊装置，使得钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝焊接施工均在地面上进行，钢管组装、焊接所需的装备以及器具均可放置在地面，无需在井上、井下来回转运，能简化施工流程；由于钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝焊接施工均在地面上进行，一方面，可以很方便地调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和两节钢管轴心线重合度，极大的提高钢管组装质量，且焊缝检测和探伤基本都在地面上进行，减少井下焊缝检测和返修，从而大幅提高焊缝检测和返修效率；另一方面，能大量减少井下作业工作量，极大的提高了作业的安全性；此外，无需预留组装外环焊缝的焊接施工作业空间，竖井开挖直径只需略大于钢管直径即可，从而竖井开挖工作量和回填区回填工作量可大幅降低，极大提升工程整体施工效率，大幅降低施工成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的竖井钢管自动化作业系统的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的井上钢管内缝环焊装置的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的钢管外缝环焊装置的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的卷扬装置的结构示意图；

图5是本发明优选实施例的井下钢管内缝环焊装置的结构示意图；

图6是本发明优选实施例的整个竖井钢管的结构示意图。

图例说明：

100、工作台面；101、竖井；1、井上钢管内缝环焊装置；11、移动台车；12、第一定位工装；121、第一安装平台；122、第一伸缩定位缸；13、第一拼接工装；131、第二伸缩定位缸；14、支撑柱；15、第一环形导轨；16、第一焊接机器人；2、钢管提升装置；21、龙门架；22、抓具提升机构；23、抓具；231、支撑平台；3、钢管外缝环焊装置；31、移动支架；32、第二环形导轨；33、第二焊接机器人；4、卷扬装置；41、卷扬缆绳；42、卷扬机构；5、井下钢管内缝环焊装置；51、行走支架；52、吊笼提升机构；53、焊接平台；531、平台基体；532、第二定位工装；5321、第三伸缩定位缸；5322、支撑限位块；533、第二安装平台；5331、第四伸缩定位缸；534、第三环形导轨；535、第三焊接机器人；536、吊笼；54、吊笼缆绳；6、钢管；61、第一钢管工件；62、第二钢管工件；63、第一钢管多环组件；64、第二钢管多环组件；65、整个竖井钢管；651、起始节钢管；7、地轨；71、第一地轨；72、第二地轨；73、第三地轨。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

请一并参阅图1至图6，本实施例的竖井钢管自动化作业系统，用于组装钢管6、焊接相邻的两节钢管6的组装内环焊缝及组装外环焊缝，并将焊接好的钢管6下放至竖井101内，其包括：

井上钢管内缝环焊装置1，用于在井上转运、组装钢管6及自动化焊接相邻的两节钢管6的组装内环焊缝；

钢管提升装置2，用于在井上抓取及吊装钢管6；

钢管外缝环焊装置3，用于在井上自动化焊接相邻的两节钢管6的组装外环焊缝；

卷扬装置4，用于提升或下放已放入井内的钢管6；

井下钢管内缝环焊装置5，用于在井下自动化焊接相邻的两节钢管6的组装内环焊缝；

多组地轨7，以竖井洞口为中心由内向外依次布，用于分别承载井上钢管内缝环焊装置1、钢管外缝环焊装置3及钢管提升装置2，钢管提升装置2及钢管外缝环焊装置3均为龙门式结构，钢管外缝环焊装置3可横跨于井上钢管内缝环焊装置1上方，钢管提升装置2可横跨于钢管外缝环焊装置3上方，以使得井上钢管内缝环焊装置1、钢管提升装置2及钢管外缝环焊装置3可沿对应的地轨7移动且互不干涉，

井下钢管内缝环焊装置5与井上钢管内缝环焊装置1布设于同一组地轨7上，井上钢管内缝环焊装置1、钢管提升装置2、钢管外缝环焊装置3及井下钢管内缝环焊装置5的作业工位均可移动至竖井洞口的正上方。

钢管6包括钢管工件、由钢管工件组装并焊接形成的钢管多环组件及由钢管多环组件组装并焊接形成的整个竖井钢管65；三组地轨7以竖井洞口为中心由内向外依次布，井上钢管内缝环焊装置1、钢管外缝环焊装置3及钢管提升装置2分别设置于第一地轨71、第二地轨72及第三地轨73上，钢管提升装置2及钢管外缝环焊装置3均为龙门式结构，钢管外缝环焊装置3可横跨于井上钢管内缝环焊装置1上方，钢管提升装置2可横跨于钢管外缝环焊装置3上方，龙门式结构一方面能提供稳定的支撑，移动平稳，承载能力强，另一方面能保证井上钢管内缝环焊装置1、钢管提升装置2及钢管外缝环焊装置3可沿对应的地轨7移动且互不干涉；使用时，钢管提升装置2和钢管外缝环焊装置3移动至竖井洞口的正上方，使得钢管提升装置2、钢管外缝环焊装置3及竖井的轴心线重合，井上钢管内缝环焊装置1承载第一钢管工件61移动至钢管提升装置2下方，钢管提升装置2将第一钢管工件61提升，井上钢管内缝环焊装置1再承载第二钢管工件62移动至钢管提升装置2下方，钢管提升装置2将第一钢管工件61下放，使得第一钢管工件61与第二钢管工件62对齐，井上钢管内缝环焊装置1对第一钢管工件61与第二钢管工件62的组装内环焊缝进行自动化焊接，钢管外缝环焊装置3对第一钢管工件61与第二钢管工件62的组装外环焊缝进行自动化焊接，钢管提升装置2再将第一钢管工件61和第二钢管工件62提升，井上钢管内缝环焊装置1承载第三钢管工件移动至钢管提升装置2下方，将第二钢管工件62与第三钢管工件的组装内环焊缝及组装外环焊缝进行自动化焊接，即可将三节钢管工件组装焊接形成的第一钢管多环组件63；卷扬装置4将第一钢管多环组件63下放至竖井内，再将三节钢管工件组装焊接形成的第二钢管多环组件64，井上钢管内缝环焊装置1移出竖井洞口的正上方，卷扬装置4将第一钢管多环组件63提升，钢管提升装置2将第二钢管多环组件64下放，使得第一钢管多环组件63与第二钢管多环组件64对齐，钢管外缝环焊装置3对第一钢管多环组件63与第二钢管多环组件64的组装外环焊缝进行自动化焊接，直至完成整个竖井钢管65的组装及焊接(此时钢管多环组件之间的组装内环焊缝未焊接)；井上钢管内缝环焊装置1、钢管外缝环焊装置3和钢管提升装置2移出竖井洞口的正上方，井下钢管内缝环焊装置5移动至竖井洞口的正上方，并井下完成所有钢管多环组件之间的组装内环焊缝的自动化焊接施工，能保证焊接质量，提升效率，本实施的竖井钢管自动化作业系统布局合理，通过多组地轨7分别承载井上钢管内缝环焊装置1、钢管提升装置2及钢管外缝环焊装置3，使得钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝焊接施工均在地面上进行，钢管组装、焊接所需的装备以及器具均可放置在地面，无需在井上、井下来回转运，能简化施工流程；由于钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝焊接施工均在地面上进行，一方面，可以很方便地调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和两节钢管轴心线重合度，极大的提高钢管组装质量，且焊缝检测和探伤基本都在地面上进行，减少井下焊缝检测和返修，从而大幅提高焊缝检测和返修效率；另一方面，能大量减少井下作业工作量，极大的提高了作业的安全性；此外，无需预留组装外环焊缝的焊接施工作业空间，竖井开挖直径只需略大于钢管直径即可，从而竖井开挖工作量和回填区回填工作量可大幅降低，极大提升工程整体施工效率，大幅降低施工成本。

可以理解的是，本实施例的第一钢管多环组件63和第二钢管多环组件64以三节钢管工件进行组装为示例说明，钢管多环组件的可以由两节、四节或者更多节钢管工件进行组装，不超过钢管提升装置2的最大提升高度即可。可选地，工作台面100为原土方地面、浇筑的混凝土地面或钢板，根据具体施工环境进行选择。

如图2所示，本实施例中，井上钢管内缝环焊装置1包括与第一地轨71滑动连接的用于承载钢管6的移动台车11、布设于移动台车11上的用于抵接钢管6的内侧壁并使钢管6固定的第一定位工装12、用于与第一定位工装12配合以使得相邻的两节钢管6的轴心线重合的第一拼接工装13、布设于第一定位工装12上的用于调节第一拼接工装13与第一定位工装12之间的高度差的支撑柱14、布设于第一拼接工装13上的第一环形导轨15及布设于第一环形导轨15上的用于焊接组装内环焊缝的第一焊接机器人16；使用时，支撑柱14调节第一定位工装12与第一拼接工装13的高度差，使得第一焊接机器人16的位置对应第一钢管工件61与第二钢管工件62组装内环焊缝的位置，能适用于不同轴向长度的钢管工件，再第一定位工装12对第二钢管工件62进行定位，第一拼接工装13对第一钢管工件61进行定位，第一焊接机器人16沿第一环形导轨15对组装内环焊缝进行自动化焊接，能保证焊接精度，焊接效率高。具体的，第一定位工装12上布设有第一伸缩定位缸122，第一伸缩定位缸122沿第一定位工装12的径向布设，多组第一伸缩定位缸122沿第一定位工装12的周向方向间隔排布，以使得第一伸缩定位缸122抵接钢管工件的内侧壁时，第一定位工装12与钢管工件的轴心线重合，从而保证焊接精度；第一拼接工装13上布设有第二伸缩定位缸131，第二伸缩定位缸131沿第一拼接工装13的径向布设，多个第一拼接工装13沿第一拼接基座130的周向方向间隔布设，以使得第二伸缩定位缸131抵接钢管工件的内侧壁时，第一拼接工装13与钢管工件的轴心线重合，通过分别调节第一伸缩定位缸122和第二伸缩定位缸131的伸缩量，可对相邻的两个钢管工件的调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和两节钢管轴心线重合度；第一焊接机器人16通过驱动装置布设于第一环形导轨15上，第一焊接机器人16上安装有焊缝视觉寻位传感器和焊枪，可实现焊缝自动寻位，第一焊接机器人16为多轴焊接机器人，同时具备焊缝跟踪和多层多道偏移功能，从而实现焊缝的全自动焊接施工，无需人工干预。可选地，第一焊接机器人16为四个，四个第一焊接机器人16同时对组装内环焊缝进行焊接，以缩短焊接时间，提升焊接效率；可以理解的是，第一焊接机器人16还可以是一个、两个、三个或者更多，给每个焊接机器人分配相应地行程即可。可选地，第一定位工装12的周向方向排布四个第一伸缩定位缸122，第一定位工装12的轴向方向排布的第一伸缩定位缸122的数量两个，以保证第一伸缩定位缸122定位的稳定性；可以理解的时，第一定位工装12的周向方向排布第一伸缩定位缸122的数量还可以为三个、五个或者更多，第一定位工装12的轴向方向排布第一伸缩定位缸122的数量可以是一个、三个或者更多。可选地，第一定位工装12上布设有第一安装平台121，支撑柱14的两端分别连接第一安装平台121和第一拼接工装13，第一安装平台121与第一定位工装12平行布设，第一安装平台121上安装放焊机、控制柜、泵站等其他装备；还能在第一定位工装12上分隔出一个空腔，空腔用于容纳第一伸缩定位缸122和支撑柱14的伸缩驱动机构，保证第一伸缩定位缸122和支撑柱14的伸缩驱动机构不被损坏。可选地，第一拼接工装13的周向方向排布四个第二伸缩定位缸131，第一拼接工装13的轴向方向排布的第二伸缩定位缸131的数量为一个，可以理解的时，第一拼接工装13的周向方向排布第二伸缩定位缸131的数量还可以为三组、五组或者更多，第一拼接工装13的轴向方向排布的第二伸缩定位缸131的数量可以是两个、三个或者更多，以保证第一拼接工装13定位的稳定性。

如图1所示，本实施例中，钢管提升装置2包括与第三地轨73滑动连接的龙门架21、布设于龙门架21上的抓具提升机构22及用于抓取钢管6的抓具23，抓具提升机构22通过吊绳与抓具23连接，以提升或下降钢管6；龙门架21的高于钢管外缝环焊装置3，以避免干涉；抓具23包括支撑平台231和沿支撑平台231的径向布设的伸缩顶杆，多个伸缩顶杆沿支撑平台231的周向方向间隔布设，伸缩顶杆能抵接钢管工件的内侧壁，从而通过抓具提升机构22提升钢管工件，抓具23的结构合理，操作方便，不需要在钢管工件上额外加工抓具连接结构。

如图3所示，本实施例中，钢管外缝环焊装置3包括与第二地轨72滑动连接的移动支架31、布设于移动支架31上的第二环形导轨32及布设于第二环形导轨32上的用于焊接组装外环焊缝的第二焊接机器人33；使用时，移动支架31先带动第二环形导轨32移动至竖井洞口的正上方，当第一钢管工件61与第二钢管工件62组装时，组装外环焊缝的位置与第二焊接机器人33的位置对应，第二焊接机器人33通过驱动装置布设于第二环形导轨32上，第二焊接机器人33上安装有焊缝视觉寻位传感器和焊枪，可实现焊缝自动寻位，第二焊接机器人33为多轴焊接机器人，同时具备焊缝跟踪和多层多道偏移功能，从而实现焊缝的全自动焊接施工，无需人工干预。可选地，第二焊接机器人33为四个，四个第二焊接机器人33同时对组装内环焊缝进行焊接，以缩短焊接时间，提升焊接效率；可以理解的是，第二焊接机器人33还可以是一个、两个、三个或者更多，给每个焊接机器人分配相应地行程即可。

如图4和图6所示，本实施例中，将整个竖井钢管65底端的钢管工件定义为起始节钢管651，卷扬装置4包括用于连接最下端的起始节钢管651的卷扬缆绳41及用于对卷扬缆绳41进行收放卷的卷扬机构42，多个卷扬装置4均布在竖井洞口的外围，且同步收/放卷扬缆绳41提升和下放钢管6；卷扬装置4为四个，卷扬装置4同步收/放卷，以保证钢管6能平稳地升降，避免钢管6倾斜，可以理解的是，卷扬装置4还可以是三个、五个、六个或者更多，根据整个竖井钢管65的总重量进行增减。可选地，卷扬缆绳41上标识有刻度线，起始节钢管651的外侧壁的底端上布设有用于连接卷扬缆绳41的连接结构，通过卷扬缆绳41的放卷长度可直观地判断起始节钢管651下放到竖井内的高度。

如图5所示，本实施例中，井下钢管内缝环焊装置5与第一地轨71滑动连接的行走支架51、布设于行走支架51上的吊笼提升机构52及用于在井下焊接组装内环焊缝的焊接平台53，焊接平台53通过吊笼缆绳54与吊笼提升机构52连接，焊接平台53包括用于连接吊笼缆绳54的平台基体531、布设于平台基体531上的用于分别抵接相邻的两节钢管6内侧壁的第二定位工装532和第二安装平台533，第二安装平台533上布设有第三环形导轨534，第三环形导轨534上布设有用于焊接组装内环焊缝的第三焊接机器人535，第二安装平台533用于安装焊机、控制柜、泵站等其他装备；使用时，吊笼提升机构52通过吊笼缆绳54将焊接平台53下放至待焊接的组装内环焊缝处(两个钢管多环组件之间的组装内环焊缝)，第二定位工装532对组装内环焊缝下方的钢管多环组件进行抵接，第二安装平台533对组装内环焊缝上方的钢管多环组件进行抵接，第三焊接机器人535沿第三环形导轨534对组装内环焊缝进行自动化焊接，能保证焊接精度，焊接效率高。具体的，第二定位工装532上布设有第三伸缩定位缸5321；第三伸缩定位缸5321沿第二定位工装532的径向布设，多组第三伸缩定位缸5321沿第二定位工装532的周向方向间隔排布；所有的第三伸缩定位缸5321抵接钢管的内侧壁时，第二定位工装532与钢管的轴心线重合，从而保证焊接精度；第二安装平台533上布设有第四伸缩定位缸5331，第四伸缩定位缸5331沿第二安装平台533的径向布设，多组第四伸缩定位缸5331沿第二安装平台533的周向方向间隔排布，以使得所有的第四伸缩定位缸5331抵接钢管6的内侧壁时，第二安装平台533与钢管工件的轴心线重合，通过分别调节第三伸缩定位缸5321和第四伸缩定位缸5331的伸缩量，使得第二定位工装532、第二安装平台533及整个竖井钢管65的轴心线重合，以保证焊接精度；第三焊接机器人535通过驱动装置布设于第三环形导轨534上，第三焊接机器人535上安装有焊缝视觉寻位传感器和焊枪，可实现焊缝自动寻位，第三焊接机器人535为多轴焊接机器人，同时具备焊缝跟踪和多层多道偏移功能，从而实现焊缝的全自动焊接施工，无需人工干预。可选地，第三焊接机器人535为四个，四个第三焊接机器人535同时对组装内环焊缝进行焊接，以缩短焊接时间，提升焊接效率；可以理解的是，第三焊接机器人535还可以是一个、两个、三个或者更多，给每个焊接机器人分配相应地行程即可。可选地，第三伸缩定位缸5321为四组，每组为沿第二定位工装532的轴向方向布设的两个，以保证第二定位工装532定位的稳定性；可以理解的时，第三伸缩定位缸5321还可以为三组、五组或者更多，每组可以是一个、三个或者更多。可选地，第四伸缩定位缸5331为四组，每组为一个，可以理解的时，第四伸缩定位缸5331还可以为三组、五组或者更多，每组可以是两个、三个或者更多，以保证第二安装平台533定位的稳定性。可选地，每组第三伸缩定位缸5321的自由端布设有支撑限位块5322，以增加第三伸缩定位缸5321自由端与钢管6的内壁的接触面积，从而提升焊接平台53的稳定性。可选地，平台基体531布设有吊笼536，吊笼536与吊笼缆绳54连接，井下钢管内缝环焊装置5还可以作为竖井钢管的检修装置，通过吊笼提升机构52可以吊运焊接平台53到竖井内的任意位置进行钢管检修，作业人员在吊笼536内进行检修操作，具有检修方便、检修效率高、安全系数高等优点。

一种竖井钢管自动化作业施工方法，其包括以下步骤：

S1：在地面上挖掘好以略大于钢管直径的竖井，在井上将钢管工件组装并定置自动焊接形成钢管多环组件，并将钢管多环组件下放至竖井内；

S2：在井上将多个钢管多环组件组装并定置自动焊接相邻的两个钢管多环组件的组装外环焊缝，完成整个竖井钢管65的拼装，并将整个竖井钢管65下放至井底；

S3：在井下将相邻的两个钢管多环组件的内环焊缝焊接。

S1具体包括以下步骤：

S101：以钢管6直径的1.05～1.2倍在地面上挖掘好竖井，竖井洞口的正上方为作业工位，通过龙门架21在第三地轨73上运动，使得钢管提升装置2移动至作业工位，通过移动支架31在第二地轨72上运动，使得钢管外缝环焊装置3移动至作业工位，使得支撑平台231、第二环形导轨32及竖井的轴心线重合，将第一钢管工件61放置在井上钢管内缝环焊装置1的组装工位上(套装在第一定位工装12上)，通过移动台车11在第一地轨71上运动，使得井上钢管内缝环焊装置1运动到作业工位，通过钢管提升装置2的抓具23将第一钢管工件61提升到空中；竖井洞口的尺寸小于1.05倍钢管6的直径，难以为卷扬缆绳41预留充足的收放卷空间，竖井洞口的尺寸大于1.2倍钢管6的直径，则会增加竖井开挖工作量和回填区的回填工作量，导致施工效率降低；

S102：井上钢管内缝环焊装置1移出作业工位，将第二钢管工件62放置在井上钢管内缝环焊装置1的组装工位上，井上钢管内缝环焊装置1再次运动到作业工位，使得第一定位工装12的轴心线与竖井的轴心线重合；

S103：井上钢管内缝环焊装置1通过第一定位工装12上的第一伸缩定位缸122将第二钢管工件62定位并固定，钢管提升装置2将第一钢管工件61下放，使得第一钢管工件61与第二钢管工件62对接，再通过第一拼接工装13上的第二伸缩定位缸131对第一钢管工件61定位并固定，保证第一钢管工件61与第二钢管工件62的轴心线重合，然后调节钢管圆度、组装间距及组装错边量；

S104：井上钢管内缝环焊装置1上的第一焊接机器人16和/或钢管外缝环焊装置3上的第二焊接机器人33对第一钢管工件61与第二钢管工件62的组装焊缝进行点焊定位；

S105：井上钢管内缝环焊装置1上的第一焊接机器人16自动寻位到组装内环焊缝，钢管外缝环焊装置3上的第二焊接机器人33自动寻位到组装外环焊缝，再通过电弧跟踪功能保证焊道不跑偏，同时通过多层多道偏移功能实现焊道偏移，从而完成内外侧环焊缝局部焊缝的多层多道焊接施工，第一焊接机器人16和第二焊接机器人33分别在第一环形导轨15和第二环形导轨32上运动到内外侧环焊缝的下一作业位置，对内外侧环焊缝的下一段焊缝实施自动化焊接，直至完成内外侧环焊缝焊接作业；

S106：重复S101-S105，将多节钢管在井上组装并焊接形成第一钢管多环组件63；

S107：再通过钢管提升装置2将第一钢管多环组件63提升，井上钢管内缝环焊装置1和钢管外缝环焊装置3移出作业工位；

S108：钢管提升装置2将第一钢管多环组件63下放到竖井洞口，卷扬装置4与第一钢管多环组件63下端的起始节钢管651连接，钢管提升装置2的抓具23松开第一钢管多环组件63，(亦可以是卷扬装置4和钢管提升装置2同步下放第一钢管多环组件63后，钢管提升装置2再松开第一钢管多环组件63)，抓具23复位，卷扬装置4下放第一钢管多环组件63，使第一钢管多环组件63的上表面与竖井洞口齐平，以避免第一钢管多环组件63与井上钢管内缝环焊装置1干涉。

S2具体包括以下步骤：

S201：重复第一步中的S101-S106，完成第二钢管多环组件64的井上组装和定置自动化焊接；

S202：通过钢管提升装置2将第二钢管多环组件64提升，井上钢管内缝环焊装置1移出作业工位，钢管外缝环焊装置3停留在作业工位；

S203：卷扬装置4将第一钢管多环组件63提升，使第一钢管多环组件63的上表面到达钢管外缝环焊装置3的定置焊接位置，钢管提升装置2将第二钢管多环组件64下放，使管第一钢管多环组件63与第二钢管多环组件64对接，调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和钢管轴心线重合度；

S204：通过钢管外缝环焊装置3对第一钢管多环组件63和第二钢管多环组件64的组装外环焊缝先进行点焊固定，再对第一钢管多环组件63和第二钢管多环组件64的组装外环焊缝进行自动焊接施工，此时第一钢管多环组件63和第二钢管多环组件64的组装内环焊缝暂时没焊接；

S205：钢管提升装置2的抓具23松开第二钢管多环组件64，抓具23复位，卷扬装置4将进行组装外环焊缝焊接后的第一钢管多环组件63和第二钢管多环组件64整体下放，使第二钢管多环组件64的上表面与竖井洞口齐平；

S206：重复第二步的S201-S205，在井上完成整个竖井钢管65的拼装，并将整个竖井钢管65下放至井底。

S3具体包括以下步骤：

S301：将井上钢管内缝环焊装置1、钢管外缝环焊装置3和钢管提升装置2移出作业工位，通过行走支架51沿第一地轨71将井下钢管内缝环焊装置5运动至作业工位。

S302：井下钢管内缝环焊装置5的吊笼提升机构52将焊接平台53下放至第一钢管多环组件63与第二钢管多环组件64拼装形成的组装内环焊缝位置；

S303：焊接平台53的第二定位工装532通过第三伸缩定位缸5321抵接第一钢管多环组件63，第二安装平台533通过第四伸缩定位缸5331抵接第二钢管多环组件64的内侧壁，从而保证井焊接平台53的轴心线与整个竖井钢管65的轴心线重合；

S304：焊接平台53上的第三焊接机器人535自动寻位到组装内环焊缝，再通过电弧跟踪功能保证焊道不跑偏，同时通过多层多道偏移功实现焊道偏移，从而完成内侧环焊缝局部焊缝地多层多道焊接施工，第三焊接机器人535在第三环形导轨534三上运动到内侧环焊缝的下一作业位置，对内侧环焊缝的下一段焊缝实施自动化焊接，直至完成内侧环焊缝焊接作业；

S305：重复第三步的S303-S304，在井下完成所有井内环焊缝的自动化焊接施工，卷扬缆绳41与起始节钢管651的连接结构松脱。

一、本方法可实现钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝的焊接施工均在地面上进行，从而大量减少井下作业工作量，极大的提高了作业的安全性。

二、本方法的钢管组装和组装外环焊缝施工均在地面上方进行，无需预留钢管组装外环焊缝焊接施工的作业空间，竖井开挖直径只需略大于钢管直径即可，从而竖井开挖工作量和回填区回填工作量可大幅较少，极大提升工程整体施工效率，大幅降低施工成本。

三、本方法的钢管组装均在地面上进行，可以很方便地调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和两节钢管轴心线重合度，极大的提高钢管组装质量。

四、本方法的焊接机器人都具备坡口寻位、电弧跟踪和多层多道偏移等功能，使整个焊接过程中无需人工干预，自动化焊接程度高，可实现组装外环焊缝和组装内环焊缝的自动化焊接，从而提高焊接质量和效率，降低劳动强度，减少人工成本投入。

五、本方法钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝的焊接施工均在地面上进行，焊缝检测和探伤均可在地面上进行，避免井下焊缝检测和返修，从而大幅提高焊缝检测和返修效率，提高焊缝检测和返修安全系数。

六、本方法钢管组装、组装外环焊缝焊接和绝大部分的组装内环焊缝的焊接施工均在地面上进行，钢管组装、焊接所需的装备以及器具均可放置在地面，无需在井上、井下来回来回转运，能简化施工流程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种竖井钢管自动化作业系统，其特征在于，用于组装钢管(6)、焊接相邻的两节钢管(6)的组装内环焊缝及组装外环焊缝，并将焊接好的钢管(6)下放至竖井内，其包括：

井上钢管内缝环焊装置(1)，用于在井上转运、组装钢管(6)及自动化焊接相邻的两节钢管(6)的组装内环焊缝；

钢管提升装置(2)，用于在井上抓取及吊装钢管(6)；

钢管外缝环焊装置(3)，用于在井上自动化焊接相邻的两节钢管(6)的组装外环焊缝；

卷扬装置(4)，用于提升或下放已放入竖井内的钢管(6)；

井下钢管内缝环焊装置(5)，用于在井下自动化焊接相邻的两节钢管(6)的组装内环焊缝；

多组地轨(7)，以竖井洞口为中心由内向外依次布，用于分别承载井上钢管内缝环焊装置(1)、钢管外缝环焊装置(3)及钢管提升装置(2)，钢管提升装置(2)及钢管外缝环焊装置(3)均为龙门式结构，钢管外缝环焊装置(3)可横跨于井上钢管内缝环焊装置(1)上方，钢管提升装置(2)可横跨于钢管外缝环焊装置(3)上方，以使得井上钢管内缝环焊装置(1)、钢管提升装置(2)及钢管外缝环焊装置(3)可沿对应的地轨(7)移动且互不干涉，

井下钢管内缝环焊装置(5)与井上钢管内缝环焊装置(1)布设于同一组地轨(7)上，井上钢管内缝环焊装置(1)、钢管提升装置(2)、钢管外缝环焊装置(3)及井下钢管内缝环焊装置(5)均可移动至竖井洞口的正上方。

2.根据权利要求1所述的竖井钢管自动化作业系统，其特征在于，

井上钢管内缝环焊装置(1)包括与对应的地轨(7)滑动连接的用于承载钢管(6)的移动台车(11)、布设于移动台车(11)上的用于抵接钢管(6)的内侧壁并使钢管(6)固定的第一定位工装(12)、用于使得相邻的两节钢管(6)的轴心线重合的第一拼接工装(13)、布设于第一定位工装(12)上的用于调节第一拼接工装(13)与第一定位工装(12)之间的高度差的支撑柱(14)、布设于第一拼接工装(13)上的第一环形导轨(15)及布设于第一环形导轨(15)上的用于焊接组装内环焊缝的第一焊接机器人(16)。

3.根据权利要求1所述的竖井钢管自动化作业系统，其特征在于，

钢管提升装置(2)包括与对应的地轨(7)滑动连接的龙门架(21)、布设于龙门架(21)上的抓具提升机构(22)及用于抓取钢管(6)的抓具(23)，抓具提升机构(22)通过吊绳与抓具(23)连接，以提升或下降钢管(6)。

4.根据权利要求1所述的竖井钢管自动化作业系统，其特征在于，

钢管外缝环焊装置(3)包括与对应的地轨(7)滑动连接的移动支架(31)、布设于移动支架(31)上的第二环形导轨(32)及布设于第二环形导轨(32)上的用于焊接组装外环焊缝的第二焊接机器人(33)。

5.根据权利要求1所述的竖井钢管自动化作业系统，其特征在于，

卷扬装置(4)包括用于连接钢管(6)的卷扬缆绳(41)及用于对卷扬缆绳(41)进行收放卷的卷扬机构(42)，多个卷扬装置(4)均布在竖井洞口的外围，且同步收/放卷扬缆绳(41)以提升或下放钢管(6)。

6.根据权利要求1所述的竖井钢管自动化作业系统，其特征在于，

井下钢管内缝环焊装置(5)包括与对应的地轨(7)滑动连接的行走支架(51)、布设于行走支架(51)上的吊笼提升机构(52)及用于在井下焊接组装内环焊缝的焊接平台(53)，焊接平台(53)通过吊笼缆绳(54)与吊笼提升机构(52)连接，

焊接平台(53)包括用于连接吊笼缆绳(54)的平台基体(531)、布设于平台基体(531)上的用于分别抵接相邻的两节钢管(6)内侧壁的第二定位工装(532)和第二安装平台(533)，

第二安装平台(533)上布设有第三环形导轨(534)，第三环形导轨(534)上布设有用于焊接组装内环焊缝的第三焊接机器人(535)。

7.一种竖井钢管自动化作业施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在地面上挖掘好以略大于钢管直径的竖井，在井上将钢管工件组装并定置自动焊接形成钢管多环组件，并将钢管多环组件下放至竖井内；

S2：在井上将多个钢管多环组件组装并定置自动焊接相邻的两个钢管多环组件的组装外环焊缝，完成整个竖井钢管的拼装，并将整个竖井钢管下放至井底；

S3：在井下将相邻的两个钢管多环组件的组装内环焊缝焊接。

8.根据权利要求7所述的竖井钢管自动化作业施工方法，其特征在于，所述S1具体包括以下步骤：

S101：以钢管直径的1.05～1.2倍在地面上挖掘好竖井，竖井洞口处为作业工位，将钢管提升装置和钢管外缝环焊装置移动至作业工位，将第一钢管工件放置在井上钢管内缝环焊装置上，井上钢管内缝环焊装置运动到作业工位，通过钢管提升装置将第一钢管工件提升到空中；

S102：井上钢管内缝环焊装置移出作业工位，将第二钢管工件放置在井上钢管内缝环焊装置上，井上钢管内缝环焊装置再次移动至作业工位；

S103：井上钢管内缝环焊装置将第二钢管工件定位并固定，钢管提升装置将第一钢管工件下放，使得第一钢管工件与第二钢管工件对接，再通过井上钢管内缝环焊装置对第一钢管工件定位并固定，保证第一钢管工件与第二钢管工件的轴心线重合，然后调节钢管圆度、组装间距及组装错边量；

S104：井上钢管内缝环焊装置和/或钢管外缝环焊装置对第一钢管工件与第二钢管工件的组装焊缝进行点焊定位；

S105：井上钢管内缝环焊装置和钢管外缝环焊装置自动寻位到组装内环焊缝和组装外环焊缝，并进行自动化焊接；

S106：重复S101-S105，将多节钢管在井上组装并焊接形成第一钢管多环组件；

S107：再通过钢管提升装置将第一钢管多环组件提升，井上钢管内缝环焊装置和钢管外缝环焊装置移出作业工位；

S108：钢管提升装置将第一钢管多环组件下放到竖井洞口，卷扬装置与第一钢管多环组件下端的起始节钢管连接，钢管提升装置松开第一钢管多环组件，卷扬装置下放第一钢管多环组件，使第一钢管多环组件的上表面与竖井洞口齐平。

9.根据权利要求8所述的竖井钢管自动化作业施工方法，其特征在于，所述S2具体包括以下步骤：

S201：重复第一步中的S101-S106，完成第二钢管多环组件的井上组装和定置自动化焊接；

S202：通过钢管提升装置将第二钢管多环组件提升，井上钢管内缝环焊装置移出作业工位，钢管外缝环焊装置停留在作业工位；

S203：卷扬装置将第一钢管多环组件提升，使第一钢管多环组件的上表面到达钢管外缝环焊装置的定置焊接位置，钢管提升装置将第二钢管多环组件下放，使管第一钢管多环组件与第二钢管多环组件对接，调节钢管圆度、组装间距、组装错边量和钢管轴心线重合度；

S204：通过钢管外缝环焊装置对第一钢管多环组件和第二钢管多环组件的组装外环焊缝先进行点焊固定，再对第一钢管多环组件和第二钢管多环组件的组装外环焊缝进行自动焊接施工；

S205：钢管提升装置松开第二钢管多环组件，卷扬装置将进行组装外环焊缝焊接后的第一钢管多环组件和第二钢管多环组件下放，使第二钢管多环组件的上表面与竖井洞口齐平；

S206：重复第二步的S201-S205，在井上完成整个竖井钢管的拼装，并将整个竖井钢管下放至井底。

10.根据权利要求9所述的竖井钢管自动化作业施工方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤：

S301：将井上钢管内缝环焊装置、钢管外缝环焊装置和钢管提升装置移出作业工位，将井下钢管内缝环焊装置运动至作业工位；

S302：井下钢管内缝环焊装置的焊接平台下放至第一钢管多环组件与第二钢管多环组件拼装形成的组装内环焊缝位置；

S303：焊接平台抵接第一钢管多环组件和/或第二钢管多环组件的内侧壁，且保证井焊接平台的轴心线与整个竖井钢管的轴心线重合；

S304：焊接平台自动寻位到组装内环焊缝，并进行自动化焊接；

S305：重复第三步的S303-S304，在井下完成所有井内环焊缝的自动化焊接施工。