探索石油化工业自动化焊接技术的应用现状及发展趋势

探索石油化工业自动化焊接技术的应用现状及发展趋势

陈涛

中石化南京工程有限公司   江苏  南京  210000

摘要：工业进入4.0时代，传统手工焊接人员从业意愿已经下降，自动化焊接技术顺势而起，在石油化工工程承压设备领域内预制、现场安装、抢维修发挥着重要作用。鉴于此，本文将对锅炉、压力容器、压力管道、储罐、球罐等领域的自动化焊接技术应用现状展开深入的剖析，并对焊接自动化技术发展趋势进行了展望。

关键词：自动化焊接；承压设备；应用现状；发展趋势

前言：在石油化工行业在承压设备施工时，由于传统焊接方式主要以人工为主，所以难以有效保障施工质量及效率。近年来，我国愈加重视绿色环保理念的推广与实施，这也使得一些传统高污染行业做出了相应的调整，纷纷朝着绿色方向发展。石油化工业焊接期间会产生有毒有害物质，严重破坏周围的生态环境，为了将污染降至最低，自动化焊接技术应运而生，其不但具有环保效果，减少污染物的流出，全面解决环境污染问题，还可以保障焊接质量，更有利于石油化工业的可持续发展。

1自动化焊接技术的发展

1889-1890年，美国人C.L.coffin首次使用光焊丝做电极进行电弧焊接。1941年，美国人Meredith发明了钨极惰性气体保护焊(TIG)。1941年，前苏联电焊研究所发明了埋弧自动焊，为二战焊接了大批的坦克和装甲车。20世纪70年代，工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率进一步提高。《中国制造2025》出台，将高档数控机床和机器人技术纳入到我国大力推动的十大重点领域。根据工信部规划，到2020年，机器人装机量将达100万台，焊接用机器人占全部机器人的45%以上。自动化、智能化成为提高焊接质量稳定性，提高效率和改善工艺的重要方向。鼓励和发展自动化焊接技术，是抓住未来石化市场建设的重中之重。

2石油化工行业自动化焊接技术的应用现状

2.1锅炉

数据统计，我国50%以上的锅炉均采用自动化焊接技术，主要应用于膜式水冷壁焊机焊接，直管接长焊机焊接、集箱环缝TIG自动封底焊接、马鞍形焊机焊接等。

2.1.1膜式壁焊接自动化技术

在应用锅炉压力容器自动化焊接技术时，膜式壁焊机占据特别重要的地位，主要分为两个系列，气体保护焊接系列与埋弧焊接系列。气体保护焊接技术焊枪主要布置在锅炉压力容器上下两部分，可同时四个工位一起工作，一般有20-44头焊枪，熔深较小，焊接速度能够得到700mm/min，焊接完毕后，锅炉压力容器变形较小，焊接精度比较高，但是，其熔深较小，对焊接环境要求较高。其中日臻成熟的脉冲MAG自动焊能够实现焊缝正反一次成形，管屏变形小，焊缝成形好，生产效率高。电弧的脉冲化使其进行全位置焊接，易实现焊接自动化，因而该方法正得到越来越广泛的应用。埋弧焊接方式焊枪主要布置在锅炉压力容器上方，有12头焊枪，熔深较大，焊接流程简单，受外界环境影响较小，焊接速度较高，但对焊剂处理和保存要求较高，包括焊剂烘干，另外，由于采用单面焊接，焊后产品变形大；生产工序复杂，还需翻身进行反面焊接。通过妥善应用膜式壁焊机自动化焊接技术，尽量选择灵活性较强的焊枪，运用先进的软件系统，能够保证锅炉压力容器内部结构更加稳定，提升锅炉压力容器自动化焊接质量。

2.1.2直管接长焊机焊接技术

我国直管接长焊机经历了从TIG冷丝-TIG热丝+MIG-TIG热丝的三个阶段，主要应用于膜式壁及蛇形管的接长生产中。管子预处理线(ATCP)主要包括管内清理机、管端内外磨光机、管端数控倒角机以及管子定长切断等先进装置和设备，应用PLC自动化控制技术实现循环焊接，最终实现自动化生产。直管接长焊机能够在作业面上重复工作可以与预处理线进行融合，完成切割后，还可自动进行焊接，从而保证焊接作业过程的完整性，使整个过程中管子的焊接质量获得有效保证。

2.1.3集箱环缝TIG自动封底焊接技术

集箱环缝TIG自动封底焊接工作站对于锅炉压力容器的自动化焊接而言也有着重要的应用，焊口组装对位后，采用冷丝TIG焊工艺使两侧的工作相连在一起。在焊枪不动的情况下，工件持续性的转动，利用热丝TIG焊，继续填充，保证一定的焊缝侧壁熔合性，提升焊接效果。此种工作站采用浮动式的动力头，可以很好的适用工件的轴向跳动，回转速度会保持在平稳的状态下。此工作站因采用PLC、四轴运动卡，具备非常高的自动化水平。

2.1.4马鞍形焊机焊接技术

锅炉设备中的接管、下降管等两圆柱体相贯的焊接接头相贯方式各不相同，规格各异，马鞍形焊机具有较高的灵活性，能很好的解决这一问题。该焊接技术利用先进的计算机技术，构建合理的数学模型，输入准确的焊接参数，根据实际焊接需要进行函头运动轨迹计算，确保焊枪可按照既定轨道运动，保证设备的形状和具体功能不会发生偏差，同时推动了不同形式马鞍形焊机的生产，如能够进行摆角、回转运动并能够结合相应参数建立可对焊头运动轨迹进行灵活控制的四轴数控马鞍形焊机。主管与焊枪同步运用，稳步提升了焊接效率和质量，有效解决两直径相近的相关结构焊接质量问题。

2.2压力容器

2.2.1筒体纵缝焊接机

很多压力容器由圆形筒身和两端封头组成，筒身用钢板卷制成型，然后焊接其对接焊缝。直径较大的压力容器，利用筒体纵缝焊接机可以大大改善焊接质量，提高焊接速度。薄壁筒节可采用琴键式纵缝自动化焊接设备，其结构由机架、侧梁导轨、琴键式夹紧机构、支撑芯轴、行走小车、驱动机构、电动或手动十字滑架、焊枪支架及其调节机构、送丝机和系统控制组成。薄壁筒节可以先不点固，直接在琴键式纵缝焊接机上组装纵缝，然后施焊；厚壁筒节可以先点固，然后安装在琴键式纵缝焊接机上焊接。厚壁筒节也可以采用平台式焊接操作机来焊接纵缝，焊接操作机在轨道上移动，匀速完成焊接工作。

2.2.2筒体环缝焊接机

圆柱形压力容器一般由多个筒节和封头组合而成，筒节与筒节、筒节与封头之间环缝焊接质量十分重要。对于大批量而且型号单一的产品来说，可采用主要由机架、侧梁导轨、焊接机头、行走小车、头尾架翻转机、电控系统和焊接电源等组成的标准型环缝自动焊接专机进行焊接；对于小批量或者单件容器，可以采用由电动机、减速机、主动滚轮、公用轴、从动滚轮、齿轮对和联轴器等组成的滚轮架和焊接操作机组合来焊接环缝。焊接时，筒体置于滚轮架从动滚轮和主动滚轮上，具有自动对中功能；滚轮利用摩擦力带动筒体匀速旋转，使焊缝匀速前进；焊枪安装在焊接操作机上，利用十字调架随时对准焊缝。焊接方法可采用等离子弧焊、埋弧焊或者气体保护焊等。

2.3管道

2.3.1全位置脉冲钨极氩弧自动焊(GTAW)

方法特点是焊接质量高、焊缝成形美观，但效率较低，成本较高，一般使用实芯焊丝，坡口必须机械加工方式，特别对于国产管配件由于椭圆度、壁厚差较大，坡口加工难度更大，因此主要应用于加热炉炉管等对焊接质量有特别要求的场合。

2.3.2STT+SAW

采用林肯公司生产的表面张力过渡STT电源进行封底焊(只适用于碳钢、低合金钢、Cr-Mo钢)，通过对焊接电流的波形控制，在万分之几秒时间内，配合熔滴短路过渡形态，改变电流电压的输出，从而对整个热输入量进行控制。主要适用于工厂化预制的管道转动型焊接。可用于DN200以上，壁厚8mm以上管子焊接。

2.3.3大直径管对接全位置TIG焊机

该自动焊管机可用于直径165～1000mm壁厚7.0～35.0mm的不锈钢管环缝的全位置焊，并采用窄间隙填丝TIG焊(单层单道焊工艺)，焊机的自动控制系统采用了视觉和听觉传感器，由计算机程序控制执行机构，模仿熟练焊工的反应和动作。日前，大直径管对接全位置TIG焊机已在电站锅炉管道安装工程中得到实际应用。

2.3.4CO2气体保护(实心、药芯)自动焊

该种方法又可分为管子转动型和管子固定型两种类型。管子转动型该种焊接方法采用管子(被焊工件)转动、焊枪固定在接近水平的最佳位置进行焊接。对一切可实现转动的，无论直径、壁厚大小、不同材质，都可方便地使用该种方法进行各种材质的直管-直管、直管-管配件、管配件-管配件之间对接缝的自动焊接，适用于预制化工厂。

管子固定型开发管-管对接与管-法兰焊接一体化自动化焊接设备，研发成功新的GMAW自动焊接设备及工艺，解决这一制约安装工程工艺管线焊接加工的新问题。该种方法采用管子(被焊工件固定)、焊枪绕被焊工件360°转动进行焊接，可以弥补由于管子无法转动而不能使用管子转动型自动焊机进行焊接的场合。适用于施工现场固定口焊接。

目前对于DN150以上的管子(被焊工件)一般采用美国MAHNATECH公司生产的PIPELINE-II型管-管自动焊机，对于DN50-150管子可采用TUBEMASTER型管-管自动焊机。

2.3.5窄间隙MIG焊

窄间隙MIG自动焊的主要技术特征是：焊丝进入窄间隙焊枪之前，通过左右摆动滚轮进行弯曲，赋予其弯曲特性；焊丝左右摆动，电弧也随之左右振动，亦即电弧旋转，可使坡口壁完全熔融，实现无不良融合的优质焊接。窄间隙焊枪为水冷，一次保护气体从电极两侧流过，二次保护气体从工件表面流出，形成良好的保护特性。窄间隙MIG自动焊与埋弧自动焊等传统技术相比，主要技术优势是：焊接效率高，清渣容易，侧壁充分熔合，焊接热影响区窄以及焊缝氢含量低。火力发电用锅炉的埋弧焊主配管因为焊缝氢含量高，影响了焊接质量。窄间隙MIG焊氢元素含量仅有埋弧焊的1/3，因而在焊缝的疲劳强度方面占有突出优势。可以实现打底、填充、盖面的自动化，但对坡口的对口要求高，否则容易出现缺陷。不推荐采用。

2.4球罐

2.4.1球罐脉冲MAG自动焊

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，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%。实现了从焊接装备、焊接材料到焊接工艺的国产化，成为国内首家使用球罐全位置自动焊接技术的施工企业，突破了以往球罐自动焊接装备和焊接材料依赖进口、自动焊接成本居高不下的局面，完成了球罐从传统手工焊接到自动焊接的技术革命。此套装备成本控制在15万元以下，采用直流脉冲电源、金属粉芯焊丝(富氩气体保护)进行MAG全位置自动焊接。

球罐脉冲MAG自动焊焊接电源选用美国米勒公司的Invision450MPA逆变焊接电源，该设备具有一元化脉冲MAG、锐弧技术和双脉冲技术，实现全位置焊接，金属粉芯焊丝配合内置脉冲程序，获得稳定的喷射电弧。主要解决焊接电源选配、送丝机构、曲面爬行轨道、焊接小车、机头摆动机构、小车行走轨道及调节支架、控制系统、摆动方式、适于全位置焊且质量稳定的金属粉芯焊丝、混合气体配比及MAG全位置焊接工艺等系列问题。

焊接机头受控于爬行机构的长柄焊枪，其端部带有耐高温烧嘴和送丝嘴，长柄焊枪另一端与摆动机构连在一起，可按摆动机构设定的摆动方式完全模拟焊工操作，按球罐焊接要求来完成三角形、月牙形、斜拉形等不同的摆动方式，调整焊枪在焊缝两侧的停留时间，避免焊缝两侧产生未熔合及咬边缺陷，以匹配不同的焊接位置，使焊缝成形美观。

焊接小车与行走轨道结合在一起，可用于球罐的纵、环焊缝的平、横、立及仰焊全位置焊接，可操作性强。焊道采用5mm×80mm双齿条铝合金半柔性轨道，沿球壳板曲面呈弧线爬行，刚度适中可保证小车平稳行走，并不受小车重力的影响而改变爬行速度(小车不可过重)。轨道由全方位可调节支架进行调节，使半柔性轨道弯曲变形，最终在球罐表面铺设出一个柱体形轨道，柱体曲率与焊缝曲率相同特点：焊接变形量小，焊接工艺参数可控。

2.5储罐

2.5.1气电立焊工艺

壁厚8mm以上，采用药芯焊丝作为熔化极，用能自动控制的上升系统带动焊枪进行连续焊接，焊道正面采用随焊枪移动的水冷铜滑块，背面采用固定水冷滑块，熔池被限制在前后两滑块及母材中间，熔池上部收到CO2气体与熔渣的保护，药芯焊丝熔化后产生的部分熔渣渗入到熔池与两块水冷滑块的接触面之间，对熔池起保护作用，同时也避免了铜滑块被熔池熔化产生的粘连，保证焊接接头的质量；熔池下部被水冷铜滑块冷却凝固并被强迫成型，从而实现双面焊单面成型。随着焊缝的形成，送丝机构的小车和正面的铜滑块沿垂直导轨自动向上移动，并保持距熔池的相对位置不变，以保证焊接过程的稳定。

2.5.2埋弧横焊工艺

埋弧横焊系统主要由焊接电源、机头、焊剂输送回收系统、焊剂托送机构、送丝机构、行走机构和行走框架组成。行走框架通过行走机构骑跨在行车轨道上(倒装)或悬挂在罐壁板上(正装)，由于偏心作用，焊剂托送机构将被紧贴在罐壁上。焊丝经送丝机构，通过导电嘴将焊丝送向工件焊接区，同时通过焊剂斗将焊剂送向焊接区，在电源的作用下，电弧引燃。电弧在焊剂下燃烧，将焊剂、母材、焊丝不断熔化形成熔池，冷却、凝固完成连续焊接过程。

3石油石化装备焊接自动化的发展趋势

3.1焊接自动化向智能化跃进

焊接自动化技术涉及到多门学科的综合利用，焊接自动化与信息化的融合是走向焊接技术智能化的有效途径。对于石油石化自动焊接设备而言，控制系统倾向于采用最先进的自动控制技术，如数字控制系统、基于PC机的控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等，而且焊接电弧监视、图像识别、激光焊缝跟踪等已经逐渐成为比较通用的配置选项。

3.2焊接自动化设备更新寻求新途径，提高更新速度

对传统焊接工艺设备进行智能改进，如为了在继承钨极氩弧焊高焊接质量优点的同时，提高其焊接效率，开发了热丝钨极氩弧焊，对焊丝的运动和电参数控制提出了很高的要求。如以埋弧自动焊为代表的焊接方法设置参数自动调节器、熔深自动调节装置、焊缝跟踪系统以及程序自动控制系统等功能，以满足压力容器全位置焊接、智能控制的基本要求。

3.3新焊接方法开拓，从而丰富焊接自动化的内容

新型焊接工艺方法(窄间隙焊、电子束焊、激光焊和现场组装自动焊接技术等)集微观、宏观技术为一体，为压力容器自动焊接技术领域提供了新的途径。目前国际上正在开发用于钢管的搅拌摩擦焊技术、闪光接触焊、激光焊接等新技术，这些技术的突破将对石油石化装备制造产生重要影响。

3.4深度引入人工智能技术及专家系统，实现新突破

在焊接过程中，人工智能技术最典型的代表便是神经网络控制系统、模糊控制系统及焊接专家系统。目前，日本、美国等发达国家在缺陷分析、工艺制定、设备选择及材料选择等层面进行了一系列系统、深入的研究。美国Adaptive Technologies公司研发出来的Adaptitech 1000及Camtech 100可以有效实现焊接操作、零件定位以及质量检测等具体功能，系统通过源自传感器的电弧、温度、光等信息，对线能量、焊接路径、摆动参数及送丝速度等指标自动进行相关调整，并对多道焊参数进行优化。日本NKK公司研发出来的“焊接参数控制专家系统”可以实现焊接参数的最优化，以使焊接高度及熔深的稳定性得到最大限度的保障。我国也相继对该领域进行了类型不同应用软件的研究与开发，其中，清华大学就研发出了具有再开发能力及适应性较强的“通用型弧焊工艺专家系统QHWES”，就是因为其本身的优越性使得研发独具特色。

结束语：

综上所述，纵观自动化焊接技术的发展历程，充分借助于其他学科如电子信息技术、计算机技术和自动控制技术等实现焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性化以及焊接生产系统的集成化，探索新的焊接方法和计算机控制是该领域的发展动向，对此应予以足够的重视，以便不断提高我国自动化焊接技术水平。

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