焊接自動化技術在石油鉆采設備制造中的應用

韓飛云

（大慶石油管理局有限公司裝備制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著焊接技術的自動化、柔性化、智能化的發(fā)展，石油鉆采設備制造行業(yè)的焊接工藝也出現(xiàn)了日新月異的變化，并配以數(shù)控等離子型鋼下料系統(tǒng)、數(shù)控激光厚板切割系統(tǒng)等焊接前序，有效提高了型材、板材下料精度，減小了結構件的裝配誤差，為焊接機器人提供了良好的施焊工況。一改往日由于石油鉆采設備結構件組對精度低而產生的焊縫偏差，使得焊接機器人屢次示教，甚至一個機型一次示教的呆板面貌，開闊了焊接機器人在石油鉆采設備結構件中的應用范圍，放寬了對結構件裝夾的定位要求，使得工人裝夾便利、操作簡便，工人愿意使用焊接機器人，便于推廣焊接機器人。

通過數(shù)控等離子型鋼下料系統(tǒng)、數(shù)控激光厚板切割系統(tǒng)、焊接機器人3種焊接自動化技術的應用，打出一套焊接“組合拳”，前序配合后序，后序提高智能化，焊接質量才得以保證，現(xiàn)代焊接技術能真正發(fā)展為科學的、可控制的、有調節(jié)性能的“科學制造”，廣泛應用于石油鉆采設備制造行業(yè)。

1 焊接技術在石油石化行業(yè)中的應用現(xiàn)狀

焊接技術是石油、石化工程建設中的一項重要技術，在石油、石化行業(yè)中的應用非常廣泛。從西氣東輸?shù)娇鐕凸艿?、從油氣?lián)合站到煉化公司的建設、從鉆采設備的生產到石油特種車輛的制造，無不彰顯焊接技術在石油工程中的重要性。

其中“西氣東輸”工程是我國距離最長、口徑最大的輸氣管道，西起塔里木盆地，東至上海。二線工程的主干線管道采用強度等級為API 5L X80要求的鋼管，鋼管外圓直徑為Φ1219mm，壁厚按照設計壓力10MPa和12MPa的不同，分為2種厚度級別，綜合范圍約為15～33mm，通過焊接技術實現(xiàn)了全長近5000km的管道連接。

中俄石油管道，北起俄羅斯的科沃羅季諾，南至我國東北石油重鎮(zhèn)——大慶，管道全長1030km，整條線路均位于亞寒帶，冬季最低氣溫達-40℃，在施工過程中，應用特殊的焊接工藝克服了管道焊接的冷裂性，保證了焊接質量。

2 焊接技術對自動化智能化的迫切需求

20世紀90年代以來，我國老齡化進程加快，65歲及以上老年人口從1990年的6299萬增加到2000年的8811萬，占總人口的比例由5.57%上升為6.96%，目前我國人口已經進入老年型。面對這個嚴峻的人口結構狀況，首先受到沖擊的是勞動密集型行業(yè)，例如焊接行業(yè)。另外焊接作業(yè)環(huán)境惡劣，通常伴隨著弧光、煙塵、有毒氣體等，對人員損傷大。

當前很多單位及企業(yè)都采取了減少勞動傷害的措施和手段，例如增添焊接除塵系統(tǒng)、增設排煙機構等，但由于焊接工作環(huán)境惡劣、工作強度大等，仍迫切需要自動化、智能化的焊接機器人進行焊接作業(yè)，形成一整條完整的下料、組對、焊接的自動化鏈條。

3 適用于石油鉆采設備制造行業(yè)的焊接自動化技術

焊接機器人最初的應用領域多集中在造船、壓力容器等行業(yè)，這些行業(yè)的相同點均是組對精度高、焊接變形小。最先發(fā)展起來的焊接機器人通常配有一個變位器，通過定位、夾緊裝置將工件固定在變位器的平臺上。因為當時焊接機器人沒有焊縫跟蹤系統(tǒng)，對裝配精度要求很高，在結構件的組對過程中難度很大，尤其是石油鉆采設備行業(yè)，下料和組對的精度一般都達不到焊接機器人的要求。隨著焊接機器人焊縫跟蹤技術、數(shù)控型鋼下料技術、厚板的激光切割技術的發(fā)展，在石油鉆采設備制造行業(yè)，尤其是結構件生產行業(yè)，逐漸浮現(xiàn)出一套焊接自動化、智能化生產線。

3.1 數(shù)控等離子型鋼自動下料系統(tǒng)

圖1 數(shù)控等離子型鋼自動下料系統(tǒng)

在切割行業(yè)內，多數(shù)企業(yè)都將數(shù)控技術應用在板材切割上，因此實現(xiàn)板材的數(shù)控切割不是難事，近年來國內的一些切割企業(yè)獨辟蹊徑，從切型鋼入手，將傳統(tǒng)的型鋼切割由手工轉為數(shù)控。

數(shù)控等離子型鋼自動下料系統(tǒng)通常為龍門式，由機床部分、軟件部分和電氣部分組成，見圖1。

機床部分包括等離子發(fā)射器、槍嘴及切割系統(tǒng)、上、下料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、軌道、床身、減速器等機構。槍嘴采用五軸聯(lián)動，可實現(xiàn)360°全方位回轉，可切割任何角度，任何尺寸的型鋼。上、下系統(tǒng)可以實現(xiàn)型鋼自動上料，只需將待切割的型鋼吊車配合，放入指定工作臺，輸送系統(tǒng)會通過自身攜帶的定位系統(tǒng)，自動對型鋼的鋪設進行找正，后輸送到切割區(qū)域，下料系統(tǒng)亦是如此。上、下料系統(tǒng)既縮小了場地的占用，又免去吊車的往復操作，基本實現(xiàn)了流水線功能，提高了備料的效率。

對于切割來講，橫切口和立向切口其工藝參數(shù)不同，不同型鋼的切割工藝，包括起弧點和切割順序也不同，多數(shù)情況下，各家企業(yè)基于研究進行設置，因此不同品牌的數(shù)控等離子型鋼下料系統(tǒng)的切割效果也不同。切割工藝合理的，效果很理想，工藝不合理的，效果會很差，此是數(shù)控等離子型鋼自動下料系統(tǒng)的核心技術。

數(shù)控等離子型鋼自動下料系統(tǒng)是將三維技術與等離子切割結合起來，從而實現(xiàn)型鋼的數(shù)控切割，此技術標志著型鋼下料由手工變?yōu)閿?shù)控方式。這套系統(tǒng)還可以實現(xiàn)三維割孔、數(shù)控劃線等操作。目前國內已有某些企業(yè)在生產應用此技術，其顯著技術優(yōu)勢為：切口質量好，封線正，割紋波動小、外形尺寸精度高，尤其在切割帶有角度的斜口時，角度誤差不超過0.5°；可將型鋼翼板或腹板上的孔、或后序組對需要的中心線一并切割出、劃出。社會優(yōu)勢為：實現(xiàn)了型鋼切割流水線作業(yè)，效率高；改善工人操作環(huán)境，降低勞動強度；可減少企業(yè)用工，將原來劃線、氣割、清理的工作完全集合為一體。

3.2 數(shù)控激光厚板下料系統(tǒng)

圖2 數(shù)控激光厚板下料系統(tǒng)

隨著激光行業(yè)的不斷發(fā)展與行業(yè)的良性競爭，使成套激光設備的價格下降到原來的1/3~1/2，降低了各企業(yè)使用激光切割的經濟門檻，尤其是利潤附加值不高的結構件制造行業(yè)，也使得激光切割應用在石油開采設備的結構件制造中，變?yōu)榭赡堋?/p>

數(shù)控激光厚板下料系統(tǒng)通常為龍門式，由激光發(fā)射器、機械行走部分和軟件部分組成，見圖2。在厚板切割領域，常用的激光發(fā)射器為CO2激光器和半導體激光器。CO2激光器的特點是體型大、質量重。在切割時，CO2激光器需要整體跟著床身整體移動，因此對機架和導軌的要求高，最終導致整個切割設備占用場地面積大，對場地的限制了一些企業(yè)，尤其是中小企業(yè)的應用，但是其優(yōu)勢是價格便宜、效率高，為傳統(tǒng)火焰切割的7倍，適合應用在用量大，但不要求精密切割的企業(yè)，石油開采設備制造行業(yè)就恰好需要這樣的激光切割設備。

圖3 焊接機器人

企業(yè)還可將根據常用板厚的不同，選擇不同的功率的激光發(fā)射器，價格也會跟著浮動。就石油開采設備制造行業(yè)來講，板材的厚度多集中在15~20mm，盡管8000W的激光發(fā)射器能滿足使用要求，考慮到效率問題，更優(yōu)的選擇為15000W。

3.3 焊接機器人

隨著近50年的發(fā)展，焊接機器人已經可以做到識別焊接環(huán)境、分析判斷焊道位置和實時焊縫跟蹤糾正，在分析弧焊過程的信息時，可以智能建模，控制焊接動態(tài)，保障熔池的焊透，還可根據傳感器的信息引導焊接路徑，改變了以往的示教模式，糾正了以往焊接機器人必須通過學習，才能了解焊接路徑，保證熔池大小的弊端，使得操作焊接機器人變得非常簡單。不單是實驗室環(huán)境和高利潤附加值行業(yè)，普通的焊接方法，惡劣的工作環(huán)境，較低的裝配精度，也能應用焊接機器人。

尤其近些年來，數(shù)控型鋼下料技術和激光切割厚板技術的發(fā)展，直接提高了型鋼和厚板的下料精度，使得裝配后的結構件精度高、焊縫誤差小，直接提高了石油開采設備結構件制造行業(yè)的制造精度，便于后序使用焊接機器人，如圖3所示。

圖4 激光跟蹤

在焊接機器人設備中，難點是控制技術，尤其是基于傳感器的焊縫識別和跟蹤系統(tǒng)。在國內較為先進的技術是采用視覺傳感拍照和激光跟蹤，如圖4所示。在設備內配置輔助光源和拍照設備，對放置在工作臺上的工件進行多方位拍照，將照片信息傳入主機后，通過“云計算”進行數(shù)據分析，判定出焊縫的位置，對于裝配誤差和坡口精度，識別系統(tǒng)允許存在一定的誤差，一般來講激光切割和數(shù)控型鋼下料的精度，完全可以滿足系統(tǒng)的識別要求，此過程不需肉眼觀察，不需要示教。在焊接時，另有激光跟蹤系統(tǒng)實時調整焊道，使焊道位于焊縫正中心，基本不用人工調整。

4 結語

本文綜述了用于石油開采設備制造行業(yè)的焊接自動化、智能化技術。數(shù)控型鋼下料系統(tǒng)、數(shù)控激光切割厚板系統(tǒng)提高了下料的精度，進而提高裝配精度，便于開展焊接自動化，焊接機器人的識別和跟蹤系統(tǒng)，使焊接更加智能化，三者相互配合，實現(xiàn)了石油開采設備制造行業(yè)的焊接自動化、智能化。