大型儲(chǔ)罐橫焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

劉澤民，方 平

(南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

大型儲(chǔ)罐橫焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

劉澤民，方 平

(南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

闡述了當(dāng)前我國大型儲(chǔ)罐的發(fā)展?fàn)顩r，比較了大型儲(chǔ)罐目前常用的橫焊工藝；論述了橫焊焊接設(shè)備的發(fā)展和前景，重點(diǎn)闡述了當(dāng)前應(yīng)用較普遍的自動(dòng)橫焊機(jī)和正在重點(diǎn)研究的移動(dòng)橫焊機(jī)器人；論述焊接自動(dòng)跟蹤技術(shù)在橫焊中的應(yīng)用和發(fā)展，討論了接觸式、激光圖像和激光測距傳感器等幾種常見焊接跟蹤傳感器。

儲(chǔ)罐焊接；焊接設(shè)備；自動(dòng)跟蹤

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，原油的進(jìn)口量大增，建立戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備已引起國家高度重視。戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備一期項(xiàng)目包括鎮(zhèn)海、舟山、黃島和大連四大石油儲(chǔ)備基地已基本完成，總規(guī)模1 640萬m3，可儲(chǔ)原油約1 100萬～1 200萬t?，F(xiàn)在又正在規(guī)劃、建設(shè)規(guī)模更大的二期、三期石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地[1]。石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地建設(shè)離不開大型儲(chǔ)罐，它是石油化工行業(yè)非常重要的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，越來越多地用于原油、成品油的儲(chǔ)運(yùn)工程。國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備的建立也極大地推動(dòng)了大型儲(chǔ)罐需求。

由于大型儲(chǔ)罐建造工作量大，消耗工時(shí)、資金大，建造的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為人們?nèi)找嬷匾暤恼n題。大型儲(chǔ)罐很多直徑在幾十米以上，受運(yùn)輸和安裝條件的限制，大多數(shù)都在現(xiàn)場制造安裝。而每節(jié)筒體的環(huán)向焊縫，由于焊道長，焊接工作量巨大，提高橫焊焊接效率對于儲(chǔ)罐的生產(chǎn)具有重要的意義。因此，儲(chǔ)罐的高效焊接技術(shù)越來越受到重視，許多高效焊接技術(shù)在儲(chǔ)罐施工中得到推廣應(yīng)用。

1 儲(chǔ)罐橫焊焊接工藝

大型儲(chǔ)罐的橫縫焊接方法主要有焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊。國外在大型儲(chǔ)罐的建造中，罐體橫焊普遍采用自動(dòng)焊工藝，技術(shù)已相當(dāng)成熟。受制于技術(shù)和資金的影響，我國現(xiàn)在大型儲(chǔ)罐的焊接自動(dòng)化水平較低，焊條電弧焊還占有相當(dāng)大的比例，自動(dòng)焊沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

焊條電弧焊工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量依賴于焊工的技術(shù)水平，存在焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接效率差等缺點(diǎn)[2]。可以預(yù)見，在一個(gè)較長時(shí)期內(nèi)，受生產(chǎn)力發(fā)展水平和技術(shù)水平的影響，焊條電弧焊在我國大型儲(chǔ)罐的焊接上還將占較大的比例。

我國在20世紀(jì)80年代初開始引進(jìn)大型儲(chǔ)罐自動(dòng)橫焊技術(shù)，經(jīng)過近30年的發(fā)展，部分技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化；大型儲(chǔ)罐埋弧自動(dòng)橫焊技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展，單絲埋弧焊技術(shù)基本成熟，操作簡單，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，抗風(fēng)能力強(qiáng)，適合儲(chǔ)罐的現(xiàn)場焊接，同時(shí)具有焊縫成形美觀、焊接質(zhì)量優(yōu)良、勞動(dòng)強(qiáng)度低和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[3－6]，在大型儲(chǔ)罐焊接中發(fā)揮重要作用。不少單位正在開展雙絲或多絲埋弧橫焊技術(shù)的研究，以進(jìn)一步提高焊接效率。

氣體保護(hù)橫焊[7－8]具有電弧熱量集中、熔池小、結(jié)晶快、熔敷效率高、速度快、焊接條件好以及焊接過程無熔渣等優(yōu)點(diǎn)。與埋弧自動(dòng)橫焊相比，氣體保護(hù)焊不需要復(fù)雜的焊劑回收裝置，減化了系統(tǒng)，沒有殘余焊劑污染環(huán)境，易于實(shí)現(xiàn)焊接過程的機(jī)械化和自動(dòng)化。但就儲(chǔ)罐焊接的現(xiàn)場作業(yè)來說，不利于防風(fēng)，這是氣保護(hù)焊要考慮的重要問題。

雙脈沖技術(shù)應(yīng)用于橫焊有其特殊的優(yōu)勢。雙脈沖電源焊接通過控制對焊接熔池的熱輸入來控制熔池的凝固過程，強(qiáng)脈沖電流熔化焊縫金屬，弱脈沖維持電弧等待熔池凝固，從而通過控制電流強(qiáng)弱脈沖時(shí)間，消除因重力引起的熔池金屬下淌，有效控制了焊縫成形。在20世紀(jì)80年代，韓英喜等人和石油部技術(shù)人員、清華大學(xué)研究過雙脈沖電源在橫焊中的應(yīng)用[9]；王會(huì)霞等人對雙脈沖MAG橫焊工藝進(jìn)行了研究[10]；天津大學(xué)的李桓等人試驗(yàn)了雙脈沖埋弧橫焊，效果良好[11]。實(shí)驗(yàn)證明，脈沖電弧對熔池金屬具有強(qiáng)烈的攪拌作用，細(xì)化了焊縫組織，提高了焊縫的強(qiáng)度和塑性。

傳統(tǒng)的焊條電弧焊由于勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等缺點(diǎn)，正逐漸被機(jī)械化、自動(dòng)化程度更高的埋弧自動(dòng)橫焊和氣體保護(hù)焊等焊接方法取代。隨著我國焊接材料生產(chǎn)工藝的成熟，施工技術(shù)水平的不斷提高，各種不同高效率、高質(zhì)量焊接方法在大型儲(chǔ)罐施工中得到應(yīng)用，不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，還能提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2 儲(chǔ)罐橫縫自動(dòng)焊接設(shè)備

用于大型儲(chǔ)罐橫焊的自動(dòng)焊接設(shè)備主要有兩類：第一類是在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用的橫縫自動(dòng)焊機(jī)，第二類是正在研制中的移動(dòng)焊接機(jī)器人。

埋弧自動(dòng)焊用于大中型儲(chǔ)罐焊接有正裝和倒裝兩種焊接方法，埋弧自動(dòng)焊專機(jī)也對應(yīng)有正裝、倒裝埋弧自動(dòng)焊機(jī)。正裝法埋弧自動(dòng)焊專機(jī)吊在壁板上，沿壁板上邊移動(dòng)，國內(nèi)常見的這類焊機(jī)有日本新日鐵 MISA－HB－A4[12]、美國的 AGW－I[13]、廊坊石油管道局特種機(jī)具研究所HFX－I型橫縫埋弧焊機(jī)。倒裝法用于壁板比較薄的儲(chǔ)罐焊接，焊接專機(jī)在地面架設(shè)的輔助軌道上移動(dòng)，中國石油工程技術(shù)研究院研制的D－AGW型橫縫埋弧自動(dòng)焊機(jī)就是倒裝法專機(jī)[14]。還有正裝與倒裝兩用埋弧焊專機(jī)，這種焊接專機(jī)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是可拆裝形式，可根據(jù)正裝與倒裝的需要安裝，兩用專機(jī)有南京奧特公司的SAHW－I型橫縫埋弧焊機(jī)[15－16]。

國外比較先進(jìn)的橫縫自動(dòng)焊機(jī)可以通過各種組合實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，控制系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)多套焊接參數(shù)，控制靈活，結(jié)構(gòu)合理，但價(jià)格昂貴。國內(nèi)近年來也開發(fā)了類似產(chǎn)品，目前應(yīng)用較多的是南京奧特公司的AUTO SHAW－I/II型儲(chǔ)罐埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)、中國石油天然氣總公司工程技術(shù)研究院研制的AGW－II橫縫自動(dòng)焊機(jī)、中國石油天然氣管道科學(xué)研究院研制的TGW大型橫縫自動(dòng)焊機(jī)。南京創(chuàng)佳機(jī)電設(shè)備有限公司、沈陽大學(xué)焊接研究所、昆明理工大學(xué)、天津工程技術(shù)研究所、沈陽自動(dòng)化所和珠海百事達(dá)機(jī)電公司也開發(fā)了類似的產(chǎn)品[17－18]。

埋弧橫焊自動(dòng)焊機(jī)主要由焊接電源、焊接機(jī)頭、焊劑輸送回收系統(tǒng)、焊劑托送機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、行走框架及軌道等組成。各個(gè)部分合理地集成在焊接行走機(jī)架上，電氣綜合控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各部分統(tǒng)一工作。橫縫自動(dòng)焊機(jī)沿軌道行走進(jìn)行焊接，機(jī)架的行走速度即是焊接速度。焊劑循環(huán)系統(tǒng)采用吸壓式焊劑回收器。工作時(shí)，機(jī)架自身的質(zhì)量使托輪帶緊貼在壁板上，焊劑從機(jī)架頂部的焊劑桶中沿導(dǎo)管下落到托輪帶上，實(shí)現(xiàn)對焊接電弧的保護(hù)。在焊接的同時(shí)，大功率的洗塵器再將剩余焊劑從熔池的后方回收到焊劑桶中，再次循環(huán)利用。值得注意的是：一段時(shí)間后，焊劑要全部回收，進(jìn)行烘干處理。焊機(jī)行走機(jī)構(gòu)由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輪子組成。由電機(jī)經(jīng)傳送系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪子帶動(dòng)框架運(yùn)動(dòng)。

橫焊自動(dòng)焊機(jī)框架體積較大，以容納焊接電源和焊劑回收機(jī)構(gòu)等，由于自動(dòng)化程度不夠高，其焊接過程需要人工干預(yù)，還要容納操作自動(dòng)焊機(jī)的操作員，所以自動(dòng)焊機(jī)非常笨重，焊接過程中吊裝和拆卸不方便，操作人員在框架內(nèi)很小的空間工作，尤其夏天高溫時(shí)候，工作環(huán)境很惡劣，加上在高空作業(yè)，安全性差。

為了克服橫縫自動(dòng)焊機(jī)的缺點(diǎn)，研究人員正在積極開發(fā)各種橫焊機(jī)器人，以代替自動(dòng)焊機(jī)完成大型儲(chǔ)罐焊接。北京石油化工學(xué)院的蔣力培等人研制的BIPT型無軌全位置焊接機(jī)器人可用于儲(chǔ)罐橫焊[19]。該機(jī)器人的特點(diǎn)是：采用四輪柔性機(jī)構(gòu)，保證左右兩側(cè)磁輪同時(shí)接觸球罐表面；各輪與鋼板封閉磁路，小車總體磁力達(dá)200 kg以上；四主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)和左右磁輪差速運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)動(dòng)靈活。該機(jī)器人采用的CCD光電軌跡跟蹤系統(tǒng)由兩個(gè)CCD光電傳感器和一個(gè)橫向滑塊組成，焊接過程中通過傳感器識別焊縫偏差，由滑塊調(diào)節(jié)焊槍，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。

清華大學(xué)和南昌大學(xué)等單位研制的磁吸附輪履式焊接機(jī)器人可用于大型儲(chǔ)罐橫焊[20－21]。該機(jī)器人采用輪履式結(jié)構(gòu)，兩條履帶上帶有多個(gè)永磁塊，加上機(jī)器人本體底座上裝有多個(gè)永磁鐵，具有強(qiáng)大的吸附能力；其傳動(dòng)系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)、行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)組成，機(jī)器人結(jié)合輪、履兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和轉(zhuǎn)彎的靈活控制。該機(jī)器人采用光學(xué)傳感器跟蹤和微調(diào)十字滑塊、PLC控制器組成焊縫跟蹤系統(tǒng)。激光傳感器檢測到焊縫偏差，經(jīng)PLC處理后，控制微調(diào)十字滑塊控制焊槍，消除偏差，實(shí)現(xiàn)了對焊接過程的精確控制。

由于機(jī)器人可直接在罐體表面進(jìn)行全位置自動(dòng)焊接，無需安裝軌道，無需人工跟蹤，自動(dòng)化程度高，能大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度、工人操作難度和設(shè)備成本。當(dāng)前，這類機(jī)器人正在研究完善中，待技術(shù)成熟以后，可望在儲(chǔ)罐的橫焊中得到廣泛的應(yīng)用。

3 儲(chǔ)罐焊接跟蹤方法

常見的焊接跟蹤傳感器主要有機(jī)械接觸式，光學(xué)式、激光測距式傳感器、旋轉(zhuǎn)電弧傳感器和超聲傳感器等[22－24]。在儲(chǔ)罐的橫焊中，應(yīng)用較多的是機(jī)械接觸式傳感器和光學(xué)傳感器。

最初對焊接進(jìn)行焊縫跟蹤時(shí)最常采用的傳感器就是接觸式傳感器，接觸傳感器裝有導(dǎo)桿或?qū)л喸诤妇媲胺教綔y焊縫位置。探頭式跟蹤系統(tǒng)中，傳感器的探頭直接與焊縫坡口接觸，直接對偏差進(jìn)行檢測，可在感知水平橫向和高度垂直方向的偏差。當(dāng)焊槍偏離焊道時(shí)，傳感器將檢測到的偏差發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制焊槍動(dòng)作消除偏差。接觸式傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，可靠性高，不怕焊接過程中的磁、光、煙塵、飛濺等干擾。但接觸式傳感器獲取的焊縫位置信息量較少，應(yīng)用范圍較窄，精度和靈敏度都比較低，不適用于精密焊接。

光學(xué)式跟蹤傳感器有劃線光學(xué)跟蹤和直接激光圖像跟蹤兩種方式。劃線光學(xué)跟蹤方式要求焊接前預(yù)先在遠(yuǎn)離環(huán)縫坡口的儲(chǔ)罐壁板畫一條與環(huán)縫坡口平行的直線，作為跟蹤焊縫的基準(zhǔn)線，焊接時(shí)與焊槍同步調(diào)節(jié)的光斑對中器跟蹤此線，以實(shí)現(xiàn)焊縫對中。這種方法對傳感器圖像處理技術(shù)要求較低，容易實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是：對劃線精度要求高，劃線輔助工作時(shí)間長，在組裝后的罐壁板上畫環(huán)線難度大，不易保證劃線精度要求，實(shí)際跟蹤精度較差。

另一種光學(xué)跟蹤方式是直接激光圖像跟蹤焊縫方式。這種方式的光學(xué)傳感器內(nèi)置有激光器，發(fā)射的激光照射在焊縫上，傳感器內(nèi)的攝像頭采集到焊縫坡口的形狀和位置，由于傳感器和焊槍固連，當(dāng)焊槍和焊縫位置出現(xiàn)偏差時(shí)，傳感器所采集的圖像能檢測到這個(gè)偏差，其偏差信號傳給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)發(fā)出信息控制焊槍以消除偏差。這種激光圖像跟蹤傳感器采用直接跟蹤坡口位置的方法，提高了跟蹤精度，無需焊前板壁畫線，是一種具有優(yōu)良發(fā)展前景的跟蹤方法[25]。

現(xiàn)在，新型采用激光測距方式跟蹤焊縫的傳感器也已問世，激光掃描測距傳感器通過對焊縫進(jìn)行掃描，可準(zhǔn)確測定焊縫的空間位置[26－27]。

4 結(jié)論

我國大型儲(chǔ)罐的橫焊技術(shù)水平與世界先進(jìn)國家技術(shù)水平相比還有較大差距，要大力研究雙絲、多絲埋弧橫焊，大電流脈沖焊，以進(jìn)一步提高焊接效率；研制新型自動(dòng)化焊接裝備，提高焊接自動(dòng)化、智能化水平。

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Development and technology of horizontal welding for oil tank

LIU Ze-ming，F(xiàn)ANG Ping
(School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

This paper state the current oil tank development in China，explain the common horizontal welding technology applied nowadays，and compare their advantages and disadvantages here.The prospects and development of horizontal welding equipment are elaborated here，with the focus on automatic horizontal welding machine commonly applied today and the development and application of mobile horizontal welding robot which is under research.The application and development of automatic tracking technology regarding horizontal welding is described here，and the welding automatic tracking sensors such as touch sensors，laser image sensor and laser ranging sensor are discussed.

oil tank horizontal welding；welding equipment；automatic tracking

TG441.4

C

1001－2303(2011)03－0046－04

2010－02－02

劉澤民(1977—)，男，江西吉安人，講師，碩士，主要從事焊接自動(dòng)化的研究工作。