螺旋焊管丁字焊縫自動(dòng)焊修補(bǔ)裝置研制及應(yīng)用

涂君俊，涂 遠(yuǎn)

（1.上海寶世威石油鋼管制造有限公司，上海200941；2.北京大學(xué)，北京100871）

螺旋焊管丁字焊縫自動(dòng)焊修補(bǔ)裝置研制及應(yīng)用

涂君俊1，涂 遠(yuǎn)2

（1.上海寶世威石油鋼管制造有限公司，上海200941；2.北京大學(xué)，北京100871）

螺旋焊管生產(chǎn)中存在的丁字焊縫修補(bǔ)問題一直為人們所關(guān)注，多年來開展了許多相關(guān)研究與探討，研制了多種丁字焊縫修補(bǔ)裝置。但在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多問題，其主要原因有①人們對(duì)鋼管丁字焊縫質(zhì)量及安全使用的擔(dān)憂；②焊接效率及焊縫自動(dòng)跟蹤的可靠性。重點(diǎn)介紹了一種螺旋焊管丁字焊縫修補(bǔ)裝置，提出了采用焊接速度控制、螺旋焊縫螺距控制的螺旋焊縫焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了螺旋焊管丁字焊縫及螺旋焊縫的快速修補(bǔ)。目前已應(yīng)用在超長(zhǎng)螺旋樁管、水管的丁字焊縫及螺旋焊縫等修補(bǔ)的焊接作業(yè)中。

螺旋縫焊管；自動(dòng)埋弧焊；丁字焊縫；對(duì)頭焊縫；修補(bǔ)；螺距

1 概 述

在螺旋焊管連續(xù)生產(chǎn)中，都存在鋼帶對(duì)頭焊焊縫，就是俗稱的丁字焊縫或?qū)︻^焊縫。API標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)標(biāo)中對(duì)螺旋焊管對(duì)頭焊縫只提出焊接要求，即①采用埋弧焊或埋弧焊與熔化極氣體保護(hù)電弧焊組合焊接方法焊接；②采用與螺旋焊縫相同的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。沒有嚴(yán)格要求不允許螺旋焊管存在對(duì)頭焊縫，只提出了對(duì)頭焊縫距離鋼管管端位置不能太小。螺旋焊管是否允許對(duì)頭焊縫存在取決于用戶的要求。

目前所用的螺旋焊管生產(chǎn)線的對(duì)接設(shè)備只對(duì)兩條相接的鋼帶進(jìn)行單面焊接，而單面焊接部位在卷制成型鋼管時(shí)形成了鋼管的內(nèi)焊縫，因此，若要保留對(duì)接焊縫鋼管，鋼管外壁螺旋焊縫就需要焊接，需要線下再對(duì)鋼管外焊縫進(jìn)行焊接修補(bǔ)。通常都是采取人工碳弧氣刨坡口，再實(shí)施手工焊條或氣體保護(hù)焊接。因?yàn)楹缚p結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接條件有限，所以鋼管對(duì)頭焊縫是比較薄弱的地方。在輸油輸氣的鋼管生產(chǎn)中，生產(chǎn)廠家為了避免鋼帶對(duì)頭焊縫存在的質(zhì)量隱患，通常采用將其完全切除的作法，這樣就會(huì)增加螺旋焊管材耗2%～5%。

螺旋鋼管樁及結(jié)構(gòu)鋼管一般都允許對(duì)頭焊縫的存在。依據(jù)SY/T 5040—2012樁用焊接鋼管標(biāo)準(zhǔn)： “對(duì)于螺旋埋弧鋼管允許有鋼帶對(duì)頭焊縫，但鋼帶對(duì)頭焊縫與鋼管端面距離不得小于150 mm”。隨著螺旋鋼管樁及結(jié)構(gòu)鋼管的需求增大，人們開始重視螺旋焊管對(duì)接焊縫的焊接問題。特別是樁用螺旋焊接鋼管，一般都比較長(zhǎng)，有的達(dá)到40～90 m。因此，幾乎每一根鋼管都有一條鋼帶對(duì)接焊縫，加之螺旋焊縫本身也有將近5%的焊縫存在焊接缺陷，要對(duì)這么多的焊縫進(jìn)行修補(bǔ)采用完全手工焊的方法，不僅操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，而且質(zhì)量不容易保證，特別是外觀質(zhì)量更是不能和自動(dòng)焊相比。多年來人們積極探索螺旋焊管對(duì)頭丁字焊縫研究，投入了很多財(cái)力，但都沒有很好地解決此問題。半自動(dòng)埋弧焊丁字焊縫修補(bǔ)裝置的研制成功，較好地解決了以上問題。

2 丁字焊縫修補(bǔ)裝置

針對(duì)鋼管對(duì)頭焊縫的鋼管外壁焊接操作設(shè)計(jì)了自動(dòng)埋弧焊接裝置，并將此裝置應(yīng)用在了超長(zhǎng)螺旋焊樁管的丁字焊縫焊接上。

2.1 工藝平面

因螺旋焊管車間場(chǎng)地較小，為考慮超長(zhǎng)螺旋焊管丁字焊縫修補(bǔ)，故選在車間外進(jìn)行螺旋鋼管丁字焊縫修補(bǔ)，修補(bǔ)工藝平面布置如圖1所示。

圖1 螺旋焊管線下修補(bǔ)工藝平面布置

2.2 工作過程

由兩臺(tái)龍門吊將焊管車間后橋輸出輥輸出的超長(zhǎng)樁管吊放在4臺(tái)焊接輥輪架上，然后驅(qū)動(dòng)單軌行走平臺(tái)，焊接操作機(jī)快速到達(dá)丁字焊縫位置或需補(bǔ)焊螺旋縫處停止，由焊接輥輪將鋼管對(duì)接焊縫旋轉(zhuǎn)到正上方。然后由雙升降立柱上的橫向滾珠絲桿滑板將懸臂上的焊頭移至焊接起點(diǎn)位置。根據(jù)每種鋼管規(guī)格輸入預(yù)設(shè)焊接速度及螺旋焊縫螺距，依靠紅外線指示及微調(diào)螺距參數(shù)檢測(cè)焊縫運(yùn)行軌跡，模擬正常后儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，然后退回起點(diǎn)位置開始施焊操作，焊接過程中完成焊劑供給及回收。

2.3 焊縫修補(bǔ)裝置結(jié)構(gòu)

螺旋焊縫丁字焊縫修補(bǔ)裝置主要由自動(dòng)焊接中心、焊接輥輪架組成，如圖2所示。

圖2 螺旋焊縫丁字焊縫修補(bǔ)裝置

自動(dòng)焊接中心為單軌懸臂行走焊接操作機(jī)，焊接設(shè)備固定在升降立柱滑板上的橫向滾珠絲桿傳動(dòng)的懸臂架上。懸壁架縱向滑板下面設(shè)置有可旋轉(zhuǎn)360°升降移動(dòng)滑板，滑板上安裝懸掛埋弧焊機(jī)頭。所有縱向及橫向滑板全部采用直線導(dǎo)軌，提高了機(jī)構(gòu)運(yùn)行精度。機(jī)頭上設(shè)置有2個(gè)紅外線指示器，一個(gè)指示丁字焊縫，一個(gè)指示螺旋焊縫。懸壁架上方安裝有焊劑回收箱、焊劑供給系統(tǒng)及焊絲供給系統(tǒng)。平臺(tái)上設(shè)置有埋弧焊設(shè)備、焊劑回收及電氣控制裝置。

焊接輥輪架采用單邊定位方式保證單軌懸臂行走小車操作平臺(tái)靠近鋼管邊緣方便操作。焊接輥輪架上的被動(dòng)輥輪架為固定的，主動(dòng)滾輪采用絲桿調(diào)節(jié)保證適合不同管徑的輥輪中心距。

輥輪采用鋼輪，可有效防止吊放鋼管時(shí)產(chǎn)生的沖擊，輥輪架上安裝接地純銅圓柱棒緊靠輪上，始終保持輥輪可靠接地。并且輥輪架接地裝置與小車軌道、小軌接地裝置聯(lián)接。滾輪驅(qū)動(dòng)采用無(wú)級(jí)調(diào)速。

焊接工藝采用埋弧半自動(dòng)焊工藝，埋弧焊電源為DC1000林肯焊機(jī)。送絲裝置采用林肯NA-3S，采用單絲焊，焊接電流選用600～1 000 A，焊接速度為0.038～0.75 m/min。

焊劑回收裝置主要由負(fù)壓風(fēng)泵、除塵總成、焊劑回收分離箱、焊劑供料斗組成，如圖3所示?；厥站嚯x為4 m，真空壓力為0.16～0.2 MPa，并能通過視景窗觀測(cè)焊劑使用情況，有加料口可隨時(shí)添加焊劑，滿足焊接需要。

圖3 焊劑回收裝置

3 丁字焊縫軌跡形成機(jī)理

近年來生產(chǎn)企業(yè)開始注重樁管螺旋焊縫焊接，主要是采用龍門焊接裝置或焊接小車沿鋼管移動(dòng)的速度及鋼管旋轉(zhuǎn)速度來確定焊頭在螺旋焊縫上完成焊接作業(yè)，但每次調(diào)整螺旋焊縫軌跡很費(fèi)時(shí)，全靠經(jīng)驗(yàn)摸索調(diào)整。因此，上海寶世威石油鋼管制造有限公司研究了螺旋焊縫及丁字焊縫的形成原理。

螺旋鋼管丁字焊縫形成的對(duì)頭焊縫實(shí)際上由螺旋線相交的兩條焊縫線，即為兩條螺旋線形成。結(jié)合螺旋焊管生產(chǎn)成型工藝參數(shù)及焊接速度、鋼管旋轉(zhuǎn)速度、焊接機(jī)頭運(yùn)行速度，推算出了輸入焊接速度及螺旋焊管螺旋線螺距數(shù)學(xué)關(guān)系，以此來調(diào)整螺旋焊縫及對(duì)接丁字焊縫焊接裝置，簡(jiǎn)化了焊頭螺旋線焊縫行走軌跡的調(diào)整過程。

3.1 螺旋焊管成型的幾何關(guān)系

寬度、成型角、直徑、螺距的基本關(guān)系如圖4所示。

圖4 螺旋焊管成型幾何參數(shù)關(guān)系示意圖

式中：α為成型角；B為帶材寬度；D為管材直徑；S為螺距。

3.2 螺旋焊管的焊接速度

如圖4所示，焊接速度、焊頭移動(dòng)速度、鋼管旋轉(zhuǎn)線速度關(guān)系為

式中：V為焊接速度；Vp為焊頭移動(dòng)速度；Vx為鋼管旋轉(zhuǎn)線速度。

3.3 螺旋焊管的焊接速度、旋轉(zhuǎn)線速度、螺距基本關(guān)系

Vx=Vsinα=VB/S（由（2）式和（4）式得）

3.4 鋼管旋轉(zhuǎn)速度、焊接輥輪轉(zhuǎn)速、焊接輥輪直徑基本關(guān)系

螺旋焊管與焊接輥輪的位置關(guān)系如圖5所示。

Vx′=ndπd

圖5 螺旋焊管與焊接輥輪位置關(guān)系示意圖

式中：Vx′為焊接輥輪線速度；nd為焊接輥輪轉(zhuǎn)速；nD為鋼管轉(zhuǎn)速；d為焊接輥輪直徑。

通過以上鋼管成型幾何參數(shù)及運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)學(xué)變換，得出了所需的焊接速度V及螺旋焊管的螺距S參數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鋼管旋轉(zhuǎn)線速度及焊頭移動(dòng)速度，又知鋼管與焊接輥輪在接觸點(diǎn)的線速度相等，因此可求出所需的焊接輥輪線速度Vx′及轉(zhuǎn)速nd，以此完成整個(gè)焊接過程的聯(lián)動(dòng)并使焊頭沿著鋼管螺旋焊縫或丁字焊縫運(yùn)行。

通過計(jì)算，可以由給定的焊接速度來調(diào)整懸臂桿速度（焊頭移動(dòng)速度）及焊接輥輪旋轉(zhuǎn)速度，合成螺旋縫的焊接軌跡，保證對(duì)螺旋縫的準(zhǔn)確補(bǔ)焊。又知帶鋼對(duì)頭焊縫與螺旋焊縫是垂直關(guān)系，由兩條螺距相等的螺旋線形成，因此，只要切換焊接輥輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉聪?，則焊頭形成的軌跡即為鋼帶對(duì)接的焊縫，以此完成鋼帶對(duì)接焊縫形成的鋼管外焊縫的焊接。從而實(shí)現(xiàn)了既能修補(bǔ)螺旋焊縫又能修補(bǔ)鋼板對(duì)接焊縫，完成螺旋焊管丁字焊縫焊接。實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）根據(jù)螺旋焊管成型工藝參數(shù)與焊接速度基本關(guān)系，導(dǎo)出給定焊接速度及螺旋焊縫螺距關(guān)系來調(diào)整控制螺旋焊管丁字焊縫及螺旋焊縫修補(bǔ)是簡(jiǎn)單有效的自動(dòng)控制方法。

（2）由于螺旋鋼管傳動(dòng)存在螺旋焊縫高度問題，因此鋼管傳動(dòng)時(shí)存在跳動(dòng)造成焊頭瞬時(shí)偏移現(xiàn)象，焊工可根據(jù)紅外線距蹤指示器瞬時(shí)糾偏解決焊偏問題，以此保證焊接質(zhì)量。

（3）螺旋鋼管成型時(shí)其帶鋼寬度及鋼管直徑存在尺寸公差，易造成螺旋縫螺距變化，因此，通過調(diào)整焊接輥輪架旋轉(zhuǎn)速度來設(shè)置螺旋縫焊接及丁字縫焊接調(diào)節(jié)量修正螺距變化，以達(dá)到微調(diào)修整焊頭始終在焊縫上。實(shí)際操作時(shí)焊工在模擬操作時(shí)根據(jù)紅外線跟蹤指示器調(diào)整焊頭偏移量并存貯，退回始點(diǎn)焊接操作時(shí)可有效防止焊偏，保證焊接質(zhì)量。

（4）為保證焊縫啟弧處質(zhì)量，可設(shè)置焊輪輥架及懸臂工作時(shí)間延遲1～3 s，可解決此處焊絲充量不足問題。

（5）采用人工碳弧氣刨焊接坡口的質(zhì)量對(duì)埋弧焊接質(zhì)量影響很大，主要是氣刨坡口形狀不規(guī)整，易出現(xiàn)深淺不一，外形寬度及V形角度變化大等問題，對(duì)焊工操作技術(shù)要求高。因此，采用先人工進(jìn)行定位焊，使焊縫規(guī)整些，然后采用本專用設(shè)備進(jìn)行埋弧焊接，可保證螺旋焊縫的焊接質(zhì)量。

現(xiàn)有許多焊管機(jī)組中鋼帶對(duì)頭焊機(jī)組都設(shè)置有焊頭及對(duì)頭銑坡口裝置，這樣鋼板對(duì)接所形成的鋼管外焊縫就可以不開焊接坡口直接焊接，可有效提高鋼管外壁焊接效率和保證焊縫質(zhì)量。

（6）埋弧焊焊接時(shí)能使用較大的焊接電流，同時(shí)電弧熔深大，特別適合于大厚度的鋼管外壁不開坡口或機(jī)器開坡口焊接，一般只需1～2道焊就可完成，不僅減少了焊接道次，而且能保證焊縫質(zhì)量。

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Development and Application of Spiral Welded Pipe T-shape Weld Automatic Welding Repair Device

TU Junjun1,TU Yuan2
（1.Shanghai BSW Petro-pipe Co.,Ltd.,Shanghai 200941,China;2.Beijing University,Beijing 100871,China）

T-shape weld repair in spiral welded pipe is always be focused by people,a lot of research and exploration were carried out for many years,and many kinds of repair welding device were developed.But there are many problems in practical application,mainly two aspects:one is people are worried about to steel pipe T-shape weld quality and the safe use;the other is the welding efficiency and weld automatic tracking.This article mainly introduced a kind of spiral welded pipe T-shape weld repair device,and put forward adopting welding speed,spiral weld screw pitch to control spiral weld welding,in order to quickly adapt to the spiral welded pipe T-shape weld and spiral weld repair.At present,it has been used in T-shape weld and spiral weld repair of super long spiral pile pipe and water pipe.

T-shape weld;screw pitch;repair;automatic submerged arc welding;butt weld;spiral pile pipe

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.010

涂君俊（1958—），男，工程師，主要從事螺旋縫埋弧焊管的技術(shù)、鋼管防腐技術(shù)及設(shè)備管理工作。

2016-04-26

李紅麗