新型自行走式充氬裝置的研究及應(yīng)用

李經(jīng)緯，孫慶然，武保安，梁立國

中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

氬弧焊，是使用氬氣作為保護氣體的一種焊接技術(shù)，又稱氬氣保護焊，被廣泛應(yīng)用于石油管道焊接領(lǐng)域。在氬弧焊接技術(shù)應(yīng)用中，國內(nèi)外普遍采用密封材料進行管道內(nèi)部充氬保護，即：水溶性密封紙進行焊縫封堵，并從管端向管道內(nèi)部持續(xù)填充氬氣，達到防止焊道氧化的效果[1]。此種方式操作簡單，但耗時長、氬氣利用率低，對人工、材料成本造成巨大浪費，而且氬弧焊對周圍環(huán)境的通風(fēng)性要求較高，如果作業(yè)處風(fēng)速超過一定范圍，會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔，影響焊接質(zhì)量。迄今為止，國內(nèi)外未研制出可行的新型裝置替代傳統(tǒng)方法，解決耗時長、氬氣利用率低、通風(fēng)對焊接質(zhì)量有影響等技術(shù)問題。本文基于傳統(tǒng)的氬弧焊保護方法，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，研制一種新型自行走充氬裝置，縮減氬弧焊充氬工藝流程、將管端封堵縮小為焊接區(qū)域局部封堵、增加內(nèi)置攝像功能及裝置自動行走功能，縮短焊接前準備時間、提高氬氣利用率、實現(xiàn)焊道成型可視化、減少焊工數(shù)量，成功利用機械自動化代替人力，達到提高施工工效、保證焊接質(zhì)量、節(jié)省施工成本的目的[2]。

2. 工作原理及技術(shù)指標(biāo)

2.1. 工作原理

新型自行走式充氬裝置主要由固定支架、充氬氣罩、攝像裝置等三大部分組成，如圖1 所示。管道對口后，新型自行走式充氬裝置通過固定支架驅(qū)動器送入管道焊口處，調(diào)整充氬氣罩，使其中心位置與焊縫中心位置重合。啟動固定支架驅(qū)動器，通過杠桿原理使固定支架三項伸展，直至與管道內(nèi)壁貼緊，將整個裝置固定于管道焊口處。焊接開始前，開啟充氬裝置，向氣罩內(nèi)充入氬氣，當(dāng)氣罩內(nèi)充滿氬氣后開始焊接。焊接過程中，開啟充氬氣罩驅(qū)動器，使充氬氣罩在管道內(nèi)壁跟隨焊接點緩慢爬行，達到防止焊接區(qū)域氧化的效果。焊接過程中，電焊工可通過充氬氣罩內(nèi)置攝像頭觀察焊縫焊接情況。焊接完成后，管壁充氬氣罩驅(qū)動器并停止輸送氬氣，開啟固定裝置驅(qū)動器，使固定支架三項收縮，直至與管道內(nèi)壁分離，最后通過固定支架驅(qū)動器將整個裝置送出管道。

Figure 1. Typical picture of new self-propelled argon filling device 圖1. 新型自行走式充氬裝置原理圖

2.2. 裝置組成及規(guī)格

新型自行走式充氬裝置主要由固定支架、充氬氣罩、攝像裝置等三大部分組成，具體如下：

1) 固定支架 固定支架主要由不銹鋼結(jié)構(gòu)、滑輪、主軸、液壓桿組成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。主軸安裝液壓桿，通過杠桿原理帶動整個支架伸展收縮，達到將整個裝置固定于管道內(nèi)壁的效果。

Figure 2. Typical picture of bracket 圖2 固定支架示意圖

2) 充氬氣罩

充氬氣罩由扇形氣罩、驅(qū)動電機、充氬管、氣篩、密封硅膠、壓力彈簧、動滑輪組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。利用充氬管將內(nèi)部注滿氬氣，并通過驅(qū)動電機和壓力桿的傳動作用圍繞管壁爬行，達到充氬氣罩跟隨焊接點實時移動，實時保護焊接區(qū)域防止氧化的效果。

Figure 3. Typical picture of argon filling hood 圖3. 充氬氣罩示意圖

3) 攝像裝置 攝像裝置主要由攝像頭、保護鏡面、無線接收發(fā)射器組成，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。保護鏡面安裝于充氬氣罩后側(cè)，用于防止焊花濺射損傷攝像頭，攝像頭安裝于保護鏡面后方，固定于氣罩后側(cè)，無線接收發(fā)射器安裝于攝像頭內(nèi)部，用于接收發(fā)射視頻影像。攝像裝置通過充氬氣罩驅(qū)動電機傳動作用，跟隨充氬氣罩移動并拍攝焊接內(nèi)部實際情況，達到焊接情況實時監(jiān)控的效果。

Figure 4. Typical picture of camera 圖4. 攝像裝置示意圖

2.3. 技術(shù)指標(biāo)

1) 新型自行走式充氬裝置適用于20 英寸以上不銹鋼、鎳基復(fù)合管等需要采用內(nèi)保護的管道根焊。

2) 新型自行走式充氬裝置安裝耗時比傳統(tǒng)封堵方法耗時短，平均安裝時間約為5 分鐘，傳統(tǒng)封堵方法耗時55 分鐘，提高安裝效率91%。

3) 新型自行走式充氬裝置充氬耗時短，平均充氬時間約為3 分鐘，傳統(tǒng)充氬時間約為28 分鐘，提高充氬效率89%。

4) 新型自行走式充氬裝置有效提高氬氣利用率，減少氬氣用量，以焊接20 英寸不銹鋼管道為例，使用新型自行走式充氬裝置進行焊接，每道口消耗氬氣量約為0.7 瓶，傳統(tǒng)的用量為1.5 瓶，每道口節(jié)省保護氣0.8 瓶，提高氬氣利用率53%。

5) 新型自行走式充氬裝置對焊縫內(nèi)保護效果更好，與傳統(tǒng)方式相比，一次合格率提高約2%。

3. 傳統(tǒng)方式與新方式的對比

3.1. 管道封堵對比

傳統(tǒng)方式：利用泡沫材料對管口一端封堵，焊口采用水溶性密封紙進行密封，此方法雖然操作簡單，但耗時長，電焊工懸空的管道旁作業(yè)，不利于施工工效，且增加作業(yè)安全風(fēng)險。如圖5 所示。

Figure 5. Picture of traditional blocking method 圖5. 傳統(tǒng)封堵方式

新型自行走式充氬裝置：將整個裝置固定于管道內(nèi)壁，采用充氬氣罩密封局部焊區(qū)，有效縮短管端封堵準備時間，降低電焊工空管道旁作業(yè)的安全風(fēng)險，有效防止由于環(huán)境通風(fēng)性對焊接質(zhì)量造成的影響。如圖6 所示。

Figure 6. Picture of new blocking method 圖6. 新型封堵方式

以20 英寸不銹鋼管道為例，經(jīng)過現(xiàn)場多次測量試驗，詳細數(shù)據(jù)對比如表1 所示：

Table 1. Time comparison of pipeline sealing 表1. 管道封堵時間對比

3.2. 充氬對比

傳統(tǒng)方式：將封堵的整段管道充滿氬氣，直至管道氬氣含量為100%時，方可開始焊接，此種方法耗時長且氬氣利用率低。如圖7 所示。

Figure 7. Picture of traditional argon filling method 圖7. 傳統(tǒng)充氬方式

新型自行走式充氬裝置：將充氬氣罩固定于管道內(nèi)壁后，直接向充氬氣罩內(nèi)充入氬氣，當(dāng)氬氣含量為100%時即可開始焊接，此種方法有效縮短充氬時間，提高氬氣利用率。如圖8 所示。

實驗選用的氬氣與現(xiàn)場實際應(yīng)用氬氣規(guī)格相同，每瓶氬氣為15 Mpa。以20 英寸不銹鋼管道為例，經(jīng)過現(xiàn)場多次測量試驗，詳細數(shù)據(jù)對比如表2 所示：

Table 2. Comparison of pipeline filling with argon 表2. 管道充氬對比

3.3. 焊接質(zhì)量對比

傳統(tǒng)的充氬方法采用管段封堵后整段管道注入氬氣，由于外界環(huán)境的通風(fēng)性、濕度、溫度等因素，將對管道充氬質(zhì)量造成影響，導(dǎo)致氬弧焊質(zhì)量降低，一般焊接合格率為97% [3] [4]。新型自行走式充氬裝置的研制，將整段管道充氬變?yōu)榫植砍錃?，有效提高氬氣利用率，縮短焊接前準備時間，更保證了焊接質(zhì)量，使用新型自行走式充氬裝置的焊接合格率可達到99%。

4. 成本分析

以20 英寸不銹鋼管道氬弧焊作業(yè)為例，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)記錄，使用新型自行走式充氬裝置進行作業(yè)，按照每天工作10 小時計算，可節(jié)約時間百分比為12.5%。

綜上所述，使用新型自行走式充氬裝置進行不銹鋼管道焊接作業(yè)，每道焊口節(jié)約成本：節(jié)約的人工成本 + 材料成本，共計535 元。

5. 小結(jié)

通過分析焊接實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的充氬方法存在耗時長、氬氣利用率低、對周圍環(huán)境的通風(fēng)性要求嚴格等缺點，且經(jīng)過實踐驗證，傳統(tǒng)方法無法在焊接過程中清晰識別焊道，因而降低焊接質(zhì)量。針對傳統(tǒng)充氬工藝缺陷開發(fā)研制的新型自行走式充氬裝置，利用機械裝置替代人工，將管端封堵縮小為焊接區(qū)域局部封堵、增加內(nèi)置攝像功能及裝置自動行走功能，能夠縮短焊接前準備時間、減少氬氣消耗量、提高氬氣利用率、實現(xiàn)焊道成型可視化，不僅有效解決傳統(tǒng)工藝方法中存在的技術(shù)缺陷，而且提高不銹鋼管道焊接工效、保證焊接質(zhì)量、節(jié)省施工成本，對于氬弧焊技術(shù)在工程項目中的應(yīng)用及發(fā)展起到至關(guān)重要的推進作用。