工程建設(shè)中的管道焊接自動(dòng)化

黃繼強(qiáng)，李明哲，鄒勇，薛龍，蔣力培，胡孟可，楊麗，馮麗艷

(1.北京石油化工學(xué)院光機(jī)電裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102617；2.中冶京唐建設(shè)公司機(jī)電公司，河北唐山064000)

工程建設(shè)中的管道焊接自動(dòng)化

黃繼強(qiáng)1，李明哲2，鄒勇1，薛龍1，蔣力培1，胡孟可2，楊麗2，馮麗艷2

(1.北京石油化工學(xué)院光機(jī)電裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102617；2.中冶京唐建設(shè)公司機(jī)電公司，河北唐山064000)

針對(duì)工程建設(shè)中管道焊接典型工序，分析了打底焊、填充和蓋面等的焊接特點(diǎn)，并基于當(dāng)前的工藝水平，從焊接質(zhì)量、焊接效率和施工成本等角度進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了各焊接工序?qū)嵤┳詣?dòng)化的建議。針對(duì)焊前準(zhǔn)備各工序進(jìn)行了對(duì)比分析，說(shuō)明了準(zhǔn)備工序的自動(dòng)化可以提高效率和降低成本。從實(shí)際施工工程的情況看，工程建設(shè)中的管道焊接自動(dòng)化可以提高工程質(zhì)量，加快工程進(jìn)度，節(jié)約費(fèi)用，同時(shí)也減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，必將是工程施工的發(fā)展趨勢(shì)之一。

管道；焊接；自動(dòng)化

0 前言

在許多建設(shè)工程中，管道施工占的比例有時(shí)較大，管道施工又以管道焊接工作最為關(guān)鍵，管道焊接不僅工作量大，而且是決定工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[1]。采用傳統(tǒng)的管道焊接方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大、周期長(zhǎng)、工程成本高、焊縫一致性差、工程質(zhì)量較難把握。管道焊接自動(dòng)化的推廣使用，從根本上改善了工人的勞動(dòng)條件，提高焊接質(zhì)量和效率，保證工期如期完成。我國(guó)工程建設(shè)相關(guān)行業(yè)中，管道焊接自動(dòng)化尚處于初級(jí)階段，在此結(jié)合具體冶金建設(shè)工程項(xiàng)目，對(duì)管道焊接自動(dòng)化工作進(jìn)行了有益的探索。

1 管道焊接自動(dòng)化

1.1 打底焊

由于冶金行業(yè)的特點(diǎn)，大部分管道直徑均在1m以內(nèi)，在管道內(nèi)部施工不便，通常采用單面焊雙面成形工藝在管道外部施焊。利用管道焊接機(jī)器人配合CMT焊機(jī)進(jìn)行了自動(dòng)打底焊的實(shí)驗(yàn)研究[2]，但由于影響管道打底焊的因素較多，如坡口角度、鈍邊大小、組對(duì)間隙、焊接電流和焊接速度等，采用自動(dòng)焊打底需要嚴(yán)格的坡口組對(duì)工藝，實(shí)際工程使用尚不能保證較高的一次通過(guò)率。鑒于此，一般還是推薦采用技術(shù)成熟的手工氬弧焊或焊條電弧焊打底，盡管效率低一些，但大大降低了返修率，綜合考慮，目前采用手工打底有一定優(yōu)勢(shì)。然而隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)打底焊將是管道焊接自動(dòng)化的趨勢(shì)之一。焊接不銹鋼管時(shí)宜采用氬弧焊打底，管道內(nèi)部充氬保護(hù)，表1給出一組不銹鋼氬弧焊參數(shù)及焊接效果。對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)，可以采用手工氬弧焊、焊條電弧焊或手工氣保焊進(jìn)行打底。

表1 不銹鋼氬弧焊參數(shù)和結(jié)果

1.2 填充和蓋面自動(dòng)焊

應(yīng)用氣體保護(hù)自動(dòng)焊來(lái)進(jìn)行填充焊和蓋面焊，操作簡(jiǎn)單、焊縫質(zhì)量好、焊縫成形一致性好、焊接效率高，同時(shí)經(jīng)過(guò)綜合測(cè)算，焊接成本也較低。氣體保護(hù)自動(dòng)焊填充和蓋面根據(jù)不同環(huán)境下的制作分為兩類(lèi)，即管道預(yù)制工作站的自動(dòng)焊接和安裝現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)的全位置自動(dòng)焊接。氣體保護(hù)自動(dòng)焊工作站可以完成管道預(yù)制大部分工作，其工作方式是焊炬相對(duì)固定，管道轉(zhuǎn)動(dòng)，保證焊接位置始終處于最容易焊接的水平焊位置，這樣焊接工藝相對(duì)可靠，操作工人容易掌握，出現(xiàn)焊接缺陷的幾率小，焊接質(zhì)量高[3]。在這種工況下，實(shí)際焊接時(shí)在焊接工藝要求范圍內(nèi)可以采用稍大的焊接規(guī)范，以提高焊接效率。管道預(yù)制自動(dòng)焊接工作站施工如圖1所示。

圖1 管道自動(dòng)焊工作站焊接過(guò)程

管道安裝現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接時(shí)，管道位置固定，不可旋轉(zhuǎn)，所以這種工況下采用全位置管道焊接機(jī)器人更為有效。全位置管道焊接機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕、易于搬運(yùn)、方便現(xiàn)場(chǎng)安裝使用。在組對(duì)現(xiàn)場(chǎng)，有的工位焊工難以到達(dá)且施工有潛在危險(xiǎn)，采用焊接機(jī)器人可以有效減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度和降低特殊作業(yè)的危險(xiǎn)性，全位置機(jī)器人焊接的工作現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 全位置焊接機(jī)器人焊接過(guò)程

自動(dòng)焊和焊條電弧焊所需焊接時(shí)間的對(duì)比情況如表2所示。表3是針對(duì)相同管徑的自動(dòng)焊和焊條電弧焊綜合測(cè)算費(fèi)用的比較?？梢钥闯?，采用自動(dòng)焊的費(fèi)用要低于焊條電弧焊的費(fèi)用，比較時(shí)沒(méi)有考慮返工的費(fèi)用，否則，兩者之間的差距還會(huì)增大，因此管道自動(dòng)焊的優(yōu)勢(shì)比較明顯。

表2 自動(dòng)焊與焊條電弧焊時(shí)間對(duì)比

1.3 焊接質(zhì)量對(duì)比

管道預(yù)制自動(dòng)焊接的外觀成形美觀。不銹鋼管道預(yù)制自動(dòng)焊縫和焊條電弧焊焊縫的對(duì)比如圖3a所示，可以看出，自動(dòng)焊縫明顯優(yōu)于焊條電弧焊焊縫；普通碳鋼采用管道預(yù)制自動(dòng)焊焊縫如圖3b所示，外觀成形較好。另外，按照要求主要采用超聲波和X射線進(jìn)行焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，采用管道焊接自動(dòng)化的焊縫合格率大于90%，而焊條電弧焊無(wú)損檢測(cè)合格率在60%左右，顯然采用管道自動(dòng)焊接的質(zhì)量要優(yōu)于手工焊接質(zhì)量。

表3 不同焊接方法費(fèi)用比較

圖3 不同鋼管的焊接外觀

2 管道焊接的準(zhǔn)備工序

2.1 管段設(shè)計(jì)自動(dòng)化

在管道焊接開(kāi)工前，采用專用的管道繪圖軟件重新繪制出并生成符合管道工程要求的管段圖(見(jiàn)圖4a)，以及管道現(xiàn)場(chǎng)安裝、管理需要的單線圖(見(jiàn)圖4b)。管段圖可以指導(dǎo)材料核算和管道下料等工序，通過(guò)軟件可以優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)，確保分段合理，明確預(yù)制焊道和現(xiàn)場(chǎng)施工焊道的位置，從而在滿足工程質(zhì)量的條件下降低工程成本。通過(guò)管段圖可以生成符合管道工程安裝需要的單線圖，單線圖可以添加指導(dǎo)生產(chǎn)的相關(guān)標(biāo)識(shí)，如焊縫號(hào)、管段號(hào)、直管下料尺寸、現(xiàn)場(chǎng)焊口位置等標(biāo)識(shí)，為后面工序提供指導(dǎo)文件。采用管段設(shè)計(jì)自動(dòng)化可以明顯提高工作效率和管道設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率。

圖4 管道設(shè)計(jì)

2.2 下料機(jī)械化

常用的管道下料方式可以采用氣割、手動(dòng)操作電動(dòng)切割機(jī)和帶式鋸床。鋸床的使用明顯提高了管道下料的速度，端面成形好，端面垂直度和粗糙度較好，一般無(wú)需再處理。從成本角度來(lái)看，考慮人工費(fèi)用、耗材、電費(fèi)等費(fèi)用，對(duì)于相同管徑的鋼管，核算每道口切割的費(fèi)用如表4所示，鋸床切割的費(fèi)用比手動(dòng)切割的費(fèi)用低20%～30%，顯然采用鋸床下料較有優(yōu)勢(shì)，只是一次性投資成本要高一些。

表4 切割費(fèi)用比較

2.3 自動(dòng)坡口機(jī)

坡口加工得越規(guī)則就越容易實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，提高焊縫質(zhì)量，降低返修率，為此采用了坡口加工工作站，根據(jù)不同的壁厚可以加工出所需要的多種坡口形式。坡口機(jī)與氧－乙炔切割加工坡口對(duì)比情況如表5所示，可以看出坡口機(jī)的使用明顯提高了工作效率。

3 結(jié)論

在工程建設(shè)中大量采用管道焊接自動(dòng)化工序提高了工程建設(shè)的生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。從中冶京唐公司承擔(dān)的曹妃甸首鋼建設(shè)項(xiàng)目施工情況來(lái)看，管道焊接自動(dòng)化工作量超過(guò)50%，在提高施工質(zhì)量的同時(shí)，施工周期也相應(yīng)縮短。但管道焊接的打底工序和檢驗(yàn)工序的自動(dòng)化水平有待進(jìn)一步提高。可以相信，隨著相關(guān)技術(shù)的提高，管道焊接自動(dòng)化在冶金建設(shè)工程中必將發(fā)揮更大的作用。

表5 坡口機(jī)與氧－乙炔切割加工坡口對(duì)比

[1]顧紀(jì)清，陽(yáng)代軍.管道焊接技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]鄒勇，梁亞軍，薛龍，等.焊接機(jī)器人管道全自動(dòng)打底焊研究[J].電焊機(jī)，2008，38(8)：48－50.

[3]黃繼強(qiáng)，蔣力培，薛龍，等.管道預(yù)制焊接機(jī)器人研究[J].電焊機(jī)，2008，38(6)：16－18.

Automatization of pipe welding applying in constructing industry

HUANG Ji-qiang1，LI Ming-zhe2，ZOU Yong1，XUE Long1，JIANG Li－pei1，HU Meng-ke2，YANG Li2，F(xiàn)ENG Li-yan2
(1.Optic-Mechatronic Equipment Technology，Beijing Area Major Laboratory，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.MCC Jingtang Construction Corp.，Ltd.，Tangshan 064000，China)

According to the typical procedures of pipe welding in constructing industry，the characteristics of welding process were studied for root welding，filling layer welding and cover layer welding.Suggestion was given to execute automatization of pipe welding in different procedures based on currently technics.Contrast and analysis between usual manual methods and automatization of pipe welding were done in several points，such as welding quality，efficiency and cost.The automatization of preparative procedures were also discussed to show their high efficiency and low cost.Base on the application，the automatization of pipe welding with a better quality project，a shorter constructing time，a less expenses and a less laboring intension will be one of the trends of the constructing industry.

pipeline；welding；automatization

book=73,ebook=213

TG409

B

1001－2303(2010)10－0073－04

2009－07－30；

2009－11－30

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA042208)；北京石油化工學(xué)院青年科研基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(N08－03)

黃繼強(qiáng)(1971—)，男，北京人，高級(jí)工程師，博士，主要從事焊接設(shè)備及自動(dòng)化方面的研究工作。