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| 石油化工行业特种焊接机器人技术现状及发展 |
| 发布时间：2016-09-07 文章来源： 浏览次数：1493 |
焊接是石油化工装备安装的主要环节，对装备的使用性能产生直接影响。石化装备焊接结构的种类众多，使用条件各有不同，工作介质一般具有高温、高压、易燃、易爆、深冷、腐蚀的特点，对装备用钢和对应的焊接工艺均提出了较高要求。同时，常见的石化设备一般都规模较大，如球罐、管道等，许多工作都需要在施工现场完成。因此，为了适应特定的结构型式和现场施工要求，石化装备焊接机器人与通用关节焊接机器人有所区别，现根据不同的应用对象和使用环境进行介绍。
1 球罐焊接机器人
球罐具有表面积小、重量轻、占地面积少等优点，在石油化工等行业的应用广泛。球罐大多是现场焊接，现场焊接作业的自动化和智能化是缩短球罐制造周期、提高球罐整体质量的关键。目前国内外球罐焊接机器人相对比较成熟，国外典型的球罐焊接机器人公司有美国BUG-O和A.O.Smith公司，加拿大Servo-robot和GULLCO OSCILLATOR公司，瑞典ESAB公司以及日本的神户制钢。BUG-O公司生产的全位置焊接设备主要由爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成，如图1所示。在焊接过程中，该系统通过操作者的手动调整焊炬实现焊缝对中，自动化程度较低。GULLCO OSCILLATOR 公司的焊接机器人如图2所示，使用药芯气保护和自保护焊丝，设备的高低和横向调整机构由焊工使用手动轮机械调节，焊接过程中没有摆动，自动化程度较低，焊接成形质量较差。
瑞典ESAB公司的Railtrac FWR1000型机器人如图3所示，系统体积小、结构紧凑，可控性较强，控制精度也高，带驱动摆动和反向回焊功能，可根据自带的专家系统自动规划焊接参数。加拿大Servo-robot公司生产的MWR-100/350型焊接机器人（图4所示）有视觉且完全可编程的移动式焊接机器人。能够用于各种焊接材料及焊缝类型的全位置焊接，可将其置于球罐、储罐等大型焊接件上进行工作。集成式激光视觉焊接跟踪系统配备2D 彩色视频摄像头，实现了远程示教及过程监控。
国内一些高校、科研机构也先后开展了球罐全位置焊接机器人的研究，并取得了一定的成绩。北京石油化工学院研究开发了具有自主知识产权的系列化无导轨、有导轨及柔性导轨全位置智能焊接机器人，包括焊接机器人机械机构、机械接触跟踪、焊缝轨迹示教、焊接工艺参数管理系统等。RHC-3柔性导轨全位置焊接机器人系统如图5所示，该系统适用于柔性轨道和圆轨道，能够较好地完成复杂工件的多种焊缝的现场焊接尤其是球罐全位置焊接的工艺要求。BIPT-5无导轨全位置焊接机器人如图6所示，使用了CO2气体保护药芯焊丝全位置多层多道焊的工艺技术，该机器人采用柔性磁轮式机构和CCD光电测控技术实现了无导轨全位置自由行走和球罐多层多道焊的实时跟踪等关键技术问题，该机器人能对球罐内外纵缝、横缝及仰缝进行无导轨全自动焊接，达到了高效率、高质量、低劳动强度[1]。
清华大学潘际銮院士研发了爬行式全位置焊接机器人，见图7，爬行机构采用轮履式结构，可在垂直立面或弯曲面上自主跟踪焊缝，自由爬行, 执行全位置焊接操作任务[2]。2015年7月，炼化工程集团南京工程储运分公司自主研发的球罐全位置自动焊接技术（见图8），成功应用于江苏斯尔邦石化项目空压站400立方米球罐，焊接一次合格率达99.3%，成为国内首家使用球罐全位置自动焊接技术的施工企业。球罐气体保护全位置自动焊接施工工艺效率为传统手工电弧焊的2.7倍。
2 管道焊接机器人
在石化管道工程施工中，管道焊接质量和焊接效率直接影响着施工进度。由于管道自身的结构特点，一般的管道焊接均为全位置焊接方式，国外生产管道焊接机器人商业化产品的公司主要有美国CRC-Evans、法国Serimax、荷兰Vermaat Technics 和意大利Saipem等。美国CRC Evans率先将全位置熔化极气体保护焊接技术应用于管道施工，开发了系列化的管道焊接机器人，包含单炬、双炬自动外焊机和IWM内焊机等，其中P-625是一种带电弧跟踪的单或双焊炬自动外焊机，具有前瞻性的管道自动焊设计，具有自诊断功能、实时数据记录、无线传输和卫星定位功能（见图9）。P-450 是一种带电弧跟踪的单焊炬数字焊接系统, ******限度地提高垂直和水平应用的速度和质量（见图10）。CRC-Evans内焊机（见图11）的系列包括从24″到60″的管径，内焊机多个焊头同时运行，能达8个之多，其机构包括了快速而准确的对口与内根焊。CRC-Evans所参与大多数施工项目都采用了内焊机，是国内外非常成熟的一种根焊工艺。美国CRC-Evans的产品在自动控制水平和陆地管线铺设应用方面处于世界最前沿，其自动焊设备在中国油气管线市场焊接里程已达到约3000公里。
随着海底管道铺设工程量的增加，能提高铺设效率的双炬管道铺设焊接机器人得到了发展，法国Serimax公司生产的Saturnax Bug双焊炬管道全位置自动焊机（如图12所示）采用了风冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和专用的脉冲焊接电源，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元分置，可进行在线编程，能够完成根焊、窄间隙叠焊或宽间隙排焊，具有远程监控、参数设置及焊接过程参数存储功能，机器人本体采用双电机驱动方式带动齿轮与轨道啮合，完成环缝焊接所需要的周向运动，整机结构紧凑、重量轻便、海上作业历史悠久、施工经验丰富，在海洋石油工程领域处于绝对霸主地位。对于铺设直径≥24寸的近海油气管线，法国Serimax公司开发了四头双炬全自动焊接系统，如图13所示，该系统驱动四个焊头同时工作，全部焊头以管道顶点为起点分布在左右两侧，焊接时左侧与右侧的两个焊炬进行向下焊作业。同时打底焊采用了带铜衬垫的内对口器背面强制成形技术，使整套设备具有很好的柔性。
在国内，中石油廊坊管道局基于自主研发的PAW2000全自动焊机，并以此为基础，于2008 年研制出升级版的PAW3000双焊炬全位置自动焊机（见图14），2013年8月5日，在西气东输三线西段工程中首次进行工业应用，创造了日焊接60道口的好成绩，两个全自动焊机组日焊接管线达1.5公里。
北京石油化工学院针对海底油气输送管道（管径6″～48″）对接环形焊缝焊接工艺特点，开发了一套用于3000米深水铺管的具备窄间隙焊接能力的海底管道铺设焊接机器人。机器人机械本体主要由行走机构、锁紧机构、焊枪横向摆动机构、焊枪高低调整机构和焊枪组件等组成，机器人控制系统以工业PC机作为主控制器，通过CAN总线实现与焊接小车各轴驱动电机、焊接电源等外围设备的接口，通过Ethernet 网络接口实现上层监督计算机的通信。整个焊接机器人系统如图15所示。该焊接系统进行了两次海上现场焊接试验，海上焊接试验现场照片如图16所示，通过现场UT检验，焊接接头全部符合API STD1104-2005的要求。通过海上试验诸多环节的考验，焊接样机的技术性能满足海上应用需要[3]。在此基础上，北京石油化工学院针对陆上重型管道铺设焊接作业需求，研发了重型管道焊接机器人系统如图17所示，单机器人可以同时带动两把双丝共熔池焊枪（tandem），在保证焊接质量的前提下，进一步提高了焊接效率。
非同轴对接的两个管道相接时形成相贯线，该相贯线为一条空间曲线，焊接过程中需要多轴相互配合。北京石油化工学院在管道全位置焊接机器人的基础上，开发了马鞍形焊缝焊接机器人（如图18所示），并作为北京市对口支援什邡市灾后重建智力援助项目进行推广使用，焊缝照片如图19所示。相关研究结果极大地提升我国海底管道铺设技术水平，形成了自主知识产权的海底管道铺设关键设备，具有重大的经济效益和深远的社会效益。
3 海底管道维修机器人系统
海底油气管道在运行中受到介质腐蚀、船舶抛锚、地质灾害和海洋开发第三方破坏等的影响，会发生管道损伤事故，同时随着服役年限的增加，一批较早建造的海底油气管道接近服役期限，管道损伤事故发生的概率也在增加。事故一旦发生，就会造成巨大的经济损失及环境污染，需要紧急修复。高压干法水下焊接通过往焊接舱内充入高压气体排除海水，形成干式高压环境后进行海底管道焊接，可以获得高的焊缝质量，是目前海底管道维修中焊接质量最有保证的技术。挪威STATOIL公司海底管道维修系统PRS如图20所示，焊接过程通过控制室的控制面板进行远程控制，焊接电弧通过监视器进行观察，焊接过程图像如图21所示。
北京石油化工学院与海洋石油工程股份有限公司合作开展了海底管道水下干式高压焊接研究，采用压缩空气作为加压气体，试验压力范围为0.6MPa，图22是高压环境焊接试验舱，焊接试验同样是以遥操作方式进行。图23用于实际海底管道焊接修复的水下干式工作舱，舱内的焊接小车上安装了用于焊接电弧观察的摄像机，潜水员协助完成焊接小车安装后，通过遥操作方式实现远程控制焊接作业[4]。
4 无潜式水下维修系统
随着海底油气开采深度的逐渐增加，潜水员协助的水下维修方式将不能满足要求，无潜式海底管道维修连接技术已经成为各国海油工程研发的重点。常用的无潜式海底管道维修连接技术有机械连接技术和焊接连接技术，焊接连接技术在维修大管径、超深水管道时成本低、操作时间短，在无潜式海底管道连接维修中具有较大应用前景。
目前国外主要的水下无潜式焊接法维修系统有Comex公司的THOR-2系统和STATOIL公司******研制的RPRS系统[5]。THOR-2系统由陆地控制系统、高压舱、焊接机头与轨道等三部分组成，无需潜水员协助，整个焊接过程可通过计算机对电气参数和焊机位置等进行控制。
挪威STATOIL公司在有潜水员辅助的PRS系统基础上研发的无潜式RPRS（Remote Pipeline Repair System）系统示意图和实物照片分别如图24和图25所示，主要由支持模块和焊接舱组成。焊接舱是进行焊接的机构，是系统的核心，主要由气体循环室、焊接室、旋转室以及静态卡爪组成。焊接舱的外形分为三瓣，可抱紧管道形成焊接密闭空间，舱体左右对称位置设计有两个焊接室，室内安装有焊枪及视觉传感器用以焊接，驱动室位于焊接舱中间提供焊接舱旋转的动力。
北京石油化工学院在北京市创新团队建设项目的资助下，建造了满足3000米水深范围焊接修复要求的无潜式焊接系统，如图26所示，系统主要由焊接舱、远程控制台、焊接电源、送丝机构、焊接舱开闭系统、惰性保护气供给系统等部分组成，可以开展与无潜式水下管道高压干式焊接技术相关的理论和室内实验研究，为深海管道海底焊接修复技术研究提供了良好试验平台。
5 结束语
综上所述，根据石油化工装备现场组装和修复时的焊接特点，国内外相关研究机构开发了系列焊接机器人系统，基本上实现了远程遥控的自动焊接作业。随着工业场合对焊接质量和自动化程度的需求提高，相关焊接机器人的智能化程度将进一步提高。 |
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