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        探討石油、天然氣管道焊接工藝現(xiàn)狀及展望

        2022-12-17 13:33:29吳建宏
        新型工業(yè)化 2022年3期
        關(guān)鍵詞:焊接設(shè)備管道工程摩擦

        吳建宏

        (四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610000)

        0 引言

        我國的石油、天然氣管道最初使用低碳鋼等材料,管道設(shè)計(jì)壓力、口徑較小,管道輸送效率不高。隨著石油化工科技的發(fā)展,油氣管道得到持續(xù)改良,管道設(shè)計(jì)壓力、口徑越來越大,需要使用高鋼級材料,并做好油氣管道的焊接作業(yè)[1]。經(jīng)過長期的發(fā)展,油氣管道焊接工藝十分豐富,涵蓋各種手工焊接、半自動焊接、全自動焊接技術(shù),焊接工藝的自動化水平越來越高,各種全自動焊接技術(shù)包括焊接機(jī)器人逐漸得到廣泛應(yīng)用,大幅提高了油氣管道焊接效率和質(zhì)量,降低工作人員的勞動強(qiáng)度。油氣管道焊接工藝的發(fā)展,是一個(gè)循序漸進(jìn)的漫長過程,各種焊接工藝技術(shù)都在其中發(fā)揮了積極的作用,了解油氣管道焊接工藝現(xiàn)狀,并對油氣管道焊接工藝發(fā)展前景進(jìn)行展望分析,對于油氣管道焊接工藝的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

        1 油氣管道焊接工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

        在油氣管道焊接工作中,焊接作業(yè)及驗(yàn)收需嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范落實(shí)焊接工藝要求,并對管道焊縫進(jìn)行無損探傷檢查[2]。油氣管道焊接工藝可以根據(jù)母材是否熔化,是否施加壓力分為熔化焊、壓力焊等類別,下文將進(jìn)行詳細(xì)闡述。

        1.1 熔化焊工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

        熔化焊是油氣管道焊接的主要工藝形式,包括藥皮焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊等,從發(fā)展歷程來看從焊條電弧焊、半自動焊到自動焊[3]。焊條電弧焊是油氣管道焊接的常用工藝方法,分為向上立焊和向下立焊兩種,焊條電弧向上立焊的焊接電弧由下向上移動,采用高纖維素焊條、低氫型焊條,管口組對間隙大,采用熄弧操作法完成焊接,焊層厚度較大;向下立焊的焊接電弧向下移動,使用焊條同向上立焊,但焊層厚度較薄,管口組對間隙小,使用大電流、多層、快速焊接方法,技術(shù)簡單易掌握,焊接效率更高[4]。

        半自動焊借助設(shè)備輔助手工焊接,焊接設(shè)備只負(fù)責(zé)填充金屬,由焊工控制焊接操作和速度,常用的半自動焊焊接工藝包括自保護(hù)藥芯焊絲向下立焊等方法[5]。自動焊是完全依賴設(shè)備進(jìn)行焊接作業(yè),需要使用自動化焊接設(shè)備對焊接作業(yè)進(jìn)行全過程控制,焊工起到引導(dǎo)作用。隨著油氣管道鋼管強(qiáng)度等級、管徑、壁厚提升,自動焊工藝得到愈加廣泛的應(yīng)用,常見的有實(shí)心焊絲氣體保護(hù)自動焊、藥芯焊絲自動焊等。其中,前者是常見的熔化極氣體保護(hù)焊工藝,采用表面張力熔滴過渡控制焊縫熔深,避免出現(xiàn)未熔合等焊接質(zhì)量缺陷;后者使用藥芯焊絲,原理和前者相似。

        自動焊工藝的發(fā)展,關(guān)鍵在于自動焊設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用。目前國內(nèi)外自動焊技術(shù)和自動焊設(shè)備得到十分廣泛的應(yīng)用,投入大量資金和精力研發(fā)全自動化焊接設(shè)備。目前國內(nèi)自主研發(fā)的自動焊工藝及配套設(shè)備在油氣管道工程中已經(jīng)得到普及應(yīng)用,有的設(shè)備采用自動焊內(nèi)焊帶、外部單焊柜的模式,用多個(gè)焊接機(jī)頭在內(nèi)部完成根焊,由單焊柜完成其余焊道的焊接作業(yè)[6]。

        1.2 壓力焊工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

        壓力焊是對焊件施加一定壓力,使接合面緊密接觸產(chǎn)生塑性變形而完成焊接。閃光對焊是一種較為常見的壓力焊方法,利用低電壓、強(qiáng)交流電作用熔化管端,借助外加壓力使熔化管端形成連接接頭,需要使用閃光對接焊機(jī)、焊縫清理機(jī)、移動電站等設(shè)備組成的機(jī)組,適用于油氣管道現(xiàn)場和基地施工[7]。爆炸焊利用炸藥爆炸的沖擊力實(shí)現(xiàn)焊接,應(yīng)用于油氣管道焊接時(shí)需在外面加管套,該工藝使用設(shè)備少、方便現(xiàn)場焊接,但難以選擇適合方法對接頭缺陷進(jìn)行檢測,且存在安全和噪聲等問題,應(yīng)用越來越少。

        壓力焊的工藝形式眾多,除上述工藝方法外,還有摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊等形式。對于大直徑的油氣管道來說,需要確定合適的焊接工藝參數(shù),并對焊接缺陷特征、形成機(jī)理、檢測方法等有成熟的研究,開發(fā)適合的焊接材料。

        1.3 油氣管道焊接新工藝

        隨著焊接工藝技術(shù)的發(fā)展成熟,越來越多新的焊接工藝在油氣管道工程中得到應(yīng)用。目前,具有廣闊發(fā)展前景的主要有高能束焊和摩擦焊工藝。

        高能束焊在油氣管道工程中的應(yīng)用主要有電子束焊和激光焊兩種。電子束焊利用加速和聚焦的電子束轟擊焊接面實(shí)現(xiàn)焊工件的熔化焊接,因其不使用焊條、熱變形量小、抗氧化能力強(qiáng)和工藝重復(fù)性好等優(yōu)勢,在油氣管道和航空航天、國防軍工等眾多高精尖領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。電子束焊在油氣管道工程中的應(yīng)用,可以在大直徑、厚壁化管道焊接中保持高質(zhì)量、快速度的特點(diǎn),但在如何獲得高功率密度、高真空度和防控X射線等方面仍需要繼續(xù)深入研究。激光焊借助聚焦的激光束轟擊焊件完成焊接,由于激光的折射、聚焦等光學(xué)性質(zhì),適用于可達(dá)性差的部位焊接,且具有焊接變形小等優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)在于設(shè)備價(jià)格昂貴且電光轉(zhuǎn)換效率不高。近年來,光纖激光器得到高速發(fā)展,具有使用壽命長、效率高、體積小和光纖傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),使激光焊在油氣管道工程的廣泛應(yīng)用具備可行性。目前,單獨(dú)的激光焊焊縫沖擊應(yīng)力低且焊接速度較慢,可以研究激光-電弧等復(fù)合焊技術(shù),利用激光焊替代內(nèi)焊機(jī)單獨(dú)打底焊,利用電弧焊進(jìn)行填充焊,簡化焊接程序,提高焊接速度和質(zhì)量。

        摩擦焊在油氣管道工程中的應(yīng)用主要是徑向和攪拌摩擦焊工藝。其中徑向摩擦焊起源于特種連續(xù)驅(qū)動摩擦焊,隨著油氣管道鋪設(shè)越接越長,常規(guī)的軸向摩擦焊機(jī)難以滿足軸向加壓頂鍛要求,可以采用徑向連續(xù)環(huán)旋轉(zhuǎn)的摩擦焊工藝,該工藝具有連接效率高、可重復(fù)性好、焊縫成形質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),適用于常規(guī)手段難以連接的焊接作業(yè)。攪拌摩擦焊利用高速旋轉(zhuǎn)焊具與工件摩擦使焊材局部熔化,在焊具擠壓下形成固相焊縫,適用于輕金屬的焊接。攪拌摩擦焊的優(yōu)勢在于接頭性能好、焊接環(huán)境好,但對于高熔點(diǎn)高強(qiáng)度材料焊接難度較大[9]。為此,近年來對攪拌頭的研究成為熱點(diǎn),攪拌頭的成功設(shè)計(jì)有助于應(yīng)用在高熔點(diǎn)高強(qiáng)度材料和更大厚度的焊接作業(yè),目前已研發(fā)出適用于油氣管道全位置焊接的攪拌頭。但仍需要繼續(xù)加大在攪拌頭設(shè)計(jì)制造等方面的投入力度,并對攪拌摩擦焊的攪拌頭與夾持機(jī)構(gòu)整體環(huán)向運(yùn)動、加壓焊接等工藝進(jìn)行研究改進(jìn),進(jìn)一步提升攪拌摩擦焊的適用性,使攪拌摩擦焊在油氣管道工程中逐漸得到廣泛應(yīng)用。

        2 油氣管道焊接工藝的發(fā)展前景

        油氣管道焊接工藝的發(fā)展,并非單純焊接技術(shù)的成熟與進(jìn)步,而依賴于焊接設(shè)備、工藝流程、檢測方法等相關(guān)方面的共同發(fā)展,構(gòu)建一個(gè)更加科學(xué)、先進(jìn)的焊接技術(shù)體系,才能拓寬焊接技術(shù)在油氣管道工程的應(yīng)用空間,全面提升油氣管道焊接質(zhì)量與效率。

        2.1 油氣管道焊接工藝的發(fā)展思路

        首先,油氣管道焊接技術(shù)應(yīng)形成一個(gè)完善的技術(shù)體系,著重發(fā)展激光焊、電子束焊、徑向摩擦焊等焊接技術(shù),尤其要提高自動焊技術(shù)的占比,不斷提升焊接工藝的自動化、智能化水平[10]。這要求科研院所等研究機(jī)構(gòu)加大焊接工藝方面的研發(fā)力度,重點(diǎn)研究解決制約激光焊等焊接技術(shù)應(yīng)用的難題,并致力于構(gòu)建統(tǒng)一化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)部門應(yīng)建立油氣管道焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,以書面文件形式明確焊接工藝的技術(shù)要求,為焊接技術(shù)應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

        其次,油氣管道焊接工藝發(fā)展需要重視焊接設(shè)備方面的研發(fā)與應(yīng)用。焊接設(shè)備對提高油氣管道焊接自動化程度具有關(guān)鍵性作用,影響焊接工藝的適用性和可行性[11]。應(yīng)加大設(shè)備研發(fā)方面的投入,持續(xù)改進(jìn)各種自動焊設(shè)備,使自主研發(fā)的焊接設(shè)備早日達(dá)到世界領(lǐng)先水平,形成以國產(chǎn)化設(shè)備為主、國外設(shè)備為輔的有利局面。同時(shí),應(yīng)研發(fā)更加先進(jìn)的焊接材料,比如攪拌摩擦焊的攪拌頭,通過提升焊接材料質(zhì)量來增強(qiáng)焊接材料與焊接設(shè)備的適配性,保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

        再次,油氣管道焊接工藝發(fā)展需要構(gòu)建科學(xué)、有序的工藝流程。油氣管道焊接作業(yè)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不僅要考慮焊接工藝的科學(xué)與否,還要關(guān)注油氣管道工程的實(shí)際情況,需要形成更為有效的管道焊接施工組織方法和工藝流程。焊接工藝流程不僅涵蓋焊接作業(yè)的各個(gè)工序環(huán)節(jié),還要銜接焊接前后的相關(guān)工作,合理準(zhǔn)備備用設(shè)備和備件,加強(qiáng)工序協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)流水作業(yè),使焊接、無損檢測等工作順暢、高效,提升焊接工藝對各種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。

        最后,油氣管道焊接工藝發(fā)展需要探索質(zhì)量檢測新方法。油氣管道焊接質(zhì)量檢測主要應(yīng)用超聲、滲透等無損檢測方法,應(yīng)進(jìn)一步研究其他無損檢測技術(shù)在油氣管道焊接檢測中的應(yīng)用,并著重研究自動焊質(zhì)量檢測與評判的方法,探討各種無損檢測方法在自動焊檢測中應(yīng)用的可行性,使無損檢測技術(shù)可以適應(yīng)油氣管道焊接工藝發(fā)展的要求,提升各種質(zhì)量檢測方法的適應(yīng)能力和質(zhì)量、效率。

        2.2 油氣管道焊接工藝的前景展望

        目前,國外已經(jīng)有企業(yè)研制出集成激光視覺焊接和檢測技術(shù)的管道自動焊接系統(tǒng),由坡口視覺檢測設(shè)備、根焊道視覺檢測設(shè)備、視覺清渣設(shè)備、視覺外焊機(jī)等組件構(gòu)成,采用激光視覺技術(shù),提高了管道自動焊接的質(zhì)量與效率。管道焊接機(jī)器人是眾多領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的集合體,可以高精度移動焊槍完成焊接作業(yè),對焊接作業(yè)全過程進(jìn)行自動化控制,實(shí)現(xiàn)最佳的焊接參數(shù)和運(yùn)動參數(shù),焊接性能穩(wěn)定,焊接作業(yè)效率高,自動化程度高,可以避免人為因素的干擾,將逐漸成為油氣管道焊接施工的主要方式[12]。目前管道焊接機(jī)器人正在向智能化階段發(fā)展,通過集成多種傳感器提高對復(fù)雜環(huán)境變化的適應(yīng)能力,借助智能化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃決策,采集管端坡口尺寸等參數(shù)信息并自主匹配焊接策略和工藝參數(shù),可以獨(dú)立完成復(fù)雜的焊接任務(wù),并具備故障診斷、質(zhì)量監(jiān)控等功能。管道焊接機(jī)器人可以分為管道內(nèi)焊接與外焊接機(jī)器人,管道內(nèi)焊接機(jī)器人負(fù)責(zé)打底焊接,需要根據(jù)不同管徑匹配適用的焊接機(jī)器人,這會造成資源的浪費(fèi),未來需要研究如何突破管徑定型等因素制約,研究跨管徑的內(nèi)焊接機(jī)器人;由外焊接機(jī)器人負(fù)責(zé)熱焊、蓋面焊接等規(guī)模性流水作業(yè),需要具備和人近似的感知能力,并能對焊接機(jī)器人的動作實(shí)現(xiàn)高精度控制,可以根據(jù)空間環(huán)境和位置不同調(diào)整焊接速度、電流等參數(shù),適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境下的焊接作業(yè)。

        當(dāng)前較為熱門的管道焊接機(jī)器人主要是應(yīng)用多焊炬、激光-電弧復(fù)合焊、串聯(lián)雙絲焊、攪拌摩擦焊等技術(shù)。多焊炬管道焊接機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全自動焊接控制,驅(qū)動多個(gè)焊炬同時(shí)作業(yè),焊接部分采用彈性轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu),焊接操作配備多點(diǎn)焊縫跟蹤系統(tǒng),適用于油氣管道鋪設(shè)。該類型焊接機(jī)器人的多焊炬運(yùn)動控制是研究重點(diǎn),需要實(shí)現(xiàn)高度集成運(yùn)動控制與焊縫自動跟蹤等功能的高度融合。激光-電弧復(fù)合焊機(jī)器人兼具激光焊與電弧焊的優(yōu)點(diǎn),可以解決電弧焊熔深不足、激光焊適應(yīng)能力不強(qiáng)等問題,在油氣管道工程中的應(yīng)用空間很大。串聯(lián)雙絲焊是十分成熟的焊接工藝,雙絲管道焊接機(jī)器人的兩根焊絲供電、參數(shù)獨(dú)立,可以降低相互干擾,兩根焊絲互為加熱,焊縫成形美觀,與單絲焊接相比焊接質(zhì)量和速度有顯著提升。攪拌摩擦焊機(jī)器人具有操作簡單、能量效率高、無弧光輻射等優(yōu)勢,技術(shù)突破重點(diǎn)在于攪拌頭的研制,此處不再贅述。

        2.3 油氣管道焊接工藝的突破途徑

        在油氣管道自動焊接工藝的應(yīng)用過程中,以焊接機(jī)器人為代表的自動焊技術(shù)應(yīng)用仍面臨一些難題需要解決,主要表現(xiàn)在焊接運(yùn)動軌跡規(guī)劃、焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量檢測與預(yù)防和自動焊適應(yīng)能力等方面。因此,油氣管道焊接工藝的發(fā)展,應(yīng)著重從這幾個(gè)方面著手,提升自動焊在油氣管道工程的應(yīng)用能力。

        自動焊需要具備焊接運(yùn)動軌跡規(guī)劃能力。油氣管道鋪設(shè)施工環(huán)境復(fù)雜多變,要面臨各種特殊環(huán)境的考驗(yàn),作業(yè)環(huán)境惡劣,對焊接設(shè)備的穩(wěn)定性、適應(yīng)性提出了很高的要求。自動焊在管道現(xiàn)場焊接時(shí),可能因外界溫度變化、裝配不當(dāng)?shù)仍蚨a(chǎn)生擠壓變形的情況,焊工可以根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整焊接工藝,而自動焊需要按照設(shè)定好的程序焊接,容易出現(xiàn)對口間隙不一致等偏差,影響焊接質(zhì)量。同時(shí),自動焊對焊縫的跟蹤能力也提出很高的要求,而焊縫視覺跟蹤必然增加設(shè)備體積和重量,電弧跟蹤經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯但容易受磁場變化等多重因素干擾,單純依靠視覺或電弧跟蹤難以取得理想的效果。

        為此,應(yīng)對焊接機(jī)器人通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練,提高自動焊接的智能化水平,有能力根據(jù)外部環(huán)境變化調(diào)整焊接參數(shù),修正焊接軌跡,縮小自動焊與焊工在經(jīng)驗(yàn)、適應(yīng)能力等方面的差距。應(yīng)研究如何運(yùn)用視覺、觸覺傳感器對坡口、焊縫進(jìn)行掃描,精準(zhǔn)提取坡口尺寸、焊縫特征點(diǎn)等信息,通過運(yùn)算分析獲取焊接路徑點(diǎn),確定各點(diǎn)位置坐標(biāo)和焊槍姿態(tài)、運(yùn)動路徑等規(guī)劃方案,消除管道變形、工況不確定性的不利影響。這需要研究更加輕便、高精度的傳感設(shè)備,開發(fā)多種自適應(yīng)PID控制方法,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能跟蹤、控制方法。此外,自動焊需要具備一定的焊接質(zhì)量檢測與缺陷預(yù)防、排除能力。以焊接機(jī)器人為例,應(yīng)研發(fā)運(yùn)用傳感器采集的電流、光譜、溫度、聲音等信號進(jìn)行焊接質(zhì)量檢測的技術(shù),比如利用光譜信號檢測熔滴過渡,利用電弧信號監(jiān)測焊接缺陷??梢砸劳泻附訉<蚁到y(tǒng),對焊接機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)診斷,提高自動焊接工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障處理能力。

        3 結(jié)語

        綜上所述,隨著油氣管道工程的不斷發(fā)展,管道口徑、壁厚、壓力增大帶來更大的運(yùn)輸能力,也對管道焊接工藝提出了更高的要求。手工焊接、半自動焊接等傳統(tǒng)方式受人為因素影響大,焊接速度有限,一次焊接合格率不高,且焊工勞動強(qiáng)度大,無法滿足油氣管道工程發(fā)展的需求。自動焊技術(shù)是油氣管道焊接工藝發(fā)展的主流趨勢,電子束焊等一系列先進(jìn)的焊接技術(shù)將擁有更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間,而自動焊工藝的發(fā)展需要加大研發(fā)投入,加快推動焊接設(shè)備與焊接系統(tǒng)等方面的進(jìn)步。

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