石油化工行業(yè)特種焊接機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

1、石油化工行業(yè)特種焊接機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展來(lái)源 : 焊接之家發(fā)布時(shí)間：2016年08月19日閱覽：469作者：焦向東 朱加雷 焊接是石油化工裝備安裝的主要環(huán)節(jié)，對(duì)裝備的使用性能產(chǎn)生直接影響。石化裝備焊接結(jié)構(gòu)的種類眾多，使用條件各有不同，工作介質(zhì)一般具有高溫、高壓、易燃、易爆、深冷、腐蝕的特點(diǎn)，對(duì)裝備用鋼和對(duì)應(yīng)的焊接工藝均提出了較高要求。同時(shí)，常見(jiàn)的石化設(shè)備一般都規(guī)模較大，如球罐、管道等，許多工作都需要在施工現(xiàn)場(chǎng)完成。因此，為了適應(yīng)特定的結(jié)構(gòu)型式和現(xiàn)場(chǎng)施工要求，石化裝備焊接機(jī)器人與通用關(guān)節(jié)焊接機(jī)器人有所區(qū)別，現(xiàn)根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象和使用環(huán)境進(jìn)行介紹。  

2、60;     1 球罐焊接機(jī)器人      球罐具有表面積小、重量輕、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工等行業(yè)的應(yīng)用廣泛。球罐大多是現(xiàn)場(chǎng)焊接，現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)的自動(dòng)化和智能化是縮短球罐制造周期、提高球罐整體質(zhì)量的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外球罐焊接機(jī)器人相對(duì)比較成熟，國(guó)外典型的球罐焊接機(jī)器人公司有美國(guó)bug-o和a.o.smith公司，加拿大servo-robot和gullco oscillator公司，瑞典esab公司以及日本的神戶制鋼。bug-o公司生產(chǎn)的全位置焊接設(shè)備主要由爬行機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)

3、構(gòu)、柔性或半柔性軌道等部分組成，如圖1所示。在焊接過(guò)程中，該系統(tǒng)通過(guò)操作者的手動(dòng)調(diào)整焊炬實(shí)現(xiàn)焊縫對(duì)中，自動(dòng)化程度較低。gullco oscillator 公司的焊接機(jī)器人如圖2所示，使用藥芯氣保護(hù)和自保護(hù)焊絲，設(shè)備的高低和橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)由焊工使用手動(dòng)輪機(jī)械調(diào)節(jié)，焊接過(guò)程中沒(méi)有擺動(dòng)，自動(dòng)化程度較低，焊接成形質(zhì)量較差。      瑞典esab公司的railtrac fwr1000型機(jī)器人如圖3所示，系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，可控性較強(qiáng)，控制精度也高，帶驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)和反向回焊功能，可根據(jù)自帶的專家系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃焊接參數(shù)。加拿大servo-robot公司

4、生產(chǎn)的mwr-100/350型焊接機(jī)器人（圖4所示）有視覺(jué)且完全可編程的移動(dòng)式焊接機(jī)器人。能夠用于各種焊接材料及焊縫類型的全位置焊接，可將其置于球罐、儲(chǔ)罐等大型焊接件上進(jìn)行工作。集成式激光視覺(jué)焊接跟蹤系統(tǒng)配備2d 彩色視頻攝像頭，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程示教及過(guò)程監(jiān)控。  國(guó)內(nèi)一些高校、科研機(jī)構(gòu)也先后開(kāi)展了球罐全位置焊接機(jī)器人的研究，并取得了一定的成績(jī)。北京石油化工學(xué)院研究開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列化無(wú)導(dǎo)軌、有導(dǎo)軌及柔性導(dǎo)軌全位置智能焊接機(jī)器人，包括焊接機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)、機(jī)械接觸跟蹤、焊縫軌跡示教、焊接工藝參數(shù)管理系統(tǒng)等。rhc-3柔性導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)適用于柔性

5、軌道和圓軌道，能夠較好地完成復(fù)雜工件的多種焊縫的現(xiàn)場(chǎng)焊接尤其是球罐全位置焊接的工藝要求。bipt-5無(wú)導(dǎo)軌全位置焊接機(jī)器人如圖6所示，使用了co2氣體保護(hù)藥芯焊絲全位置多層多道焊的工藝技術(shù)，該機(jī)器人采用柔性磁輪式機(jī)構(gòu)和ccd光電測(cè)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)導(dǎo)軌全位置自由行走和球罐多層多道焊的實(shí)時(shí)跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，該機(jī)器人能對(duì)球罐內(nèi)外縱縫、橫縫及仰縫進(jìn)行無(wú)導(dǎo)軌全自動(dòng)焊接，達(dá)到了高效率、高質(zhì)量、低勞動(dòng)強(qiáng)度1。  清華大學(xué)潘際鑾院士研發(fā)了爬行式全位置焊接機(jī)器人，見(jiàn)圖7，爬行機(jī)構(gòu)采用輪履式結(jié)構(gòu)，可在垂直立面或彎曲面上自主跟蹤焊縫，自由爬行, 執(zhí)行全位置焊接操作任務(wù)2。2015年7月，煉化工程

6、集團(tuán)南京工程儲(chǔ)運(yùn)分公司自主研發(fā)的球罐全位置自動(dòng)焊接技術(shù)（見(jiàn)圖8），成功應(yīng)用于江蘇斯?fàn)柊钍?xiàng)目空壓站400立方米球罐，焊接一次合格率達(dá)99.3%，成為國(guó)內(nèi)首家使用球罐全位置自動(dòng)焊接技術(shù)的施工企業(yè)。球罐氣體保護(hù)全位置自動(dòng)焊接施工工藝效率為傳統(tǒng)手工電弧焊的2.7倍。         2 管道焊接機(jī)器人      在石化管道工程施工中，管道焊接質(zhì)量和焊接效率直接影響著施工進(jìn)度。由于管道自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般的管道焊接均為全位置焊接方式，國(guó)外生產(chǎn)

7、管道焊接機(jī)器人商業(yè)化產(chǎn)品的公司主要有美國(guó)crc-evans、法國(guó)serimax、荷蘭vermaat technics 和意大利saipem等。美國(guó)crc evans率先將全位置熔化極氣體保護(hù)焊接技術(shù)應(yīng)用于管道施工，開(kāi)發(fā)了系列化的管道焊接機(jī)器人，包含單炬、雙炬自動(dòng)外焊機(jī)和iwm內(nèi)焊機(jī)等，其中p-625是一種帶電弧跟蹤的單或雙焊炬自動(dòng)外焊機(jī)，具有前瞻性的管道自動(dòng)焊設(shè)計(jì)，具有自診斷功能、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、無(wú)線傳輸和衛(wèi)星定位功能（見(jiàn)圖9）。p-450 是一種帶電弧跟蹤的單焊炬數(shù)字焊接系統(tǒng), 最大限度地提高垂直和水平應(yīng)用的速度和質(zhì)量（見(jiàn)圖10）。crc-evans內(nèi)焊機(jī)（見(jiàn)圖11）的系列包括從24到60的管

8、徑，內(nèi)焊機(jī)多個(gè)焊頭同時(shí)運(yùn)行，能達(dá)8個(gè)之多，其機(jī)構(gòu)包括了快速而準(zhǔn)確的對(duì)口與內(nèi)根焊。crc-evans所參與大多數(shù)施工項(xiàng)目都采用了內(nèi)焊機(jī)，是國(guó)內(nèi)外非常成熟的一種根焊工藝。美國(guó)crc-evans的產(chǎn)品在自動(dòng)控制水平和陸地管線鋪設(shè)應(yīng)用方面處于世界最前沿，其自動(dòng)焊設(shè)備在中國(guó)油氣管線市場(chǎng)焊接里程已達(dá)到約3000公里。  隨著海底管道鋪設(shè)工程量的增加，能提高鋪設(shè)效率的雙炬管道鋪設(shè)焊接機(jī)器人得到了發(fā)展，法國(guó)serimax公司生產(chǎn)的saturnax bug雙焊炬管道全位置自動(dòng)焊機(jī)（如圖12所示）采用了風(fēng)冷式焊槍、外掛推絲式送絲機(jī)構(gòu)和專用的脈沖焊接電源，計(jì)算機(jī)焊接編程控制單元和焊車運(yùn)動(dòng)控制單元分置，可進(jìn)

9、行在線編程，能夠完成根焊、窄間隙疊焊或?qū)掗g隙排焊，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置及焊接過(guò)程參數(shù)存儲(chǔ)功能，機(jī)器人本體采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)齒輪與軌道嚙合，完成環(huán)縫焊接所需要的周向運(yùn)動(dòng)，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕便、海上作業(yè)歷史悠久、施工經(jīng)驗(yàn)豐富，在海洋石油工程領(lǐng)域處于絕對(duì)霸主地位。對(duì)于鋪設(shè)直徑24寸的近海油氣管線，法國(guó)serimax公司開(kāi)發(fā)了四頭雙炬全自動(dòng)焊接系統(tǒng)，如圖13所示，該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)四個(gè)焊頭同時(shí)工作，全部焊頭以管道頂點(diǎn)為起點(diǎn)分布在左右兩側(cè)，焊接時(shí)左側(cè)與右側(cè)的兩個(gè)焊炬進(jìn)行向下焊作業(yè)。同時(shí)打底焊采用了帶銅襯墊的內(nèi)對(duì)口器背面強(qiáng)制成形技術(shù)，使整套設(shè)備具有很好的柔性。 在國(guó)內(nèi)，中石油廊坊管道局基于自主研

10、發(fā)的paw2000全自動(dòng)焊機(jī)，并以此為基礎(chǔ)，于2008 年研制出升級(jí)版的paw3000雙焊炬全位置自動(dòng)焊機(jī)（見(jiàn)圖14），2013年8月5日，在西氣東輸三線西段工程中首次進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，創(chuàng)造了日焊接60道口的好成績(jī)，兩個(gè)全自動(dòng)焊機(jī)組日焊接管線達(dá)1.5公里。北京石油化工學(xué)院針對(duì)海底油氣輸送管道（管徑648）對(duì)接環(huán)形焊縫焊接工藝特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套用于3000米深水鋪管的具備窄間隙焊接能力的海底管道鋪設(shè)焊接機(jī)器人。機(jī)器人機(jī)械本體主要由行走機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、焊槍橫向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊槍高低調(diào)整機(jī)構(gòu)和焊槍組件等組成，機(jī)器人控制系統(tǒng)以工業(yè)pc機(jī)作為主控制器，通過(guò)can總線實(shí)現(xiàn)與焊接小車各軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、焊接電源等外圍設(shè)備的

11、接口，通過(guò)ethernet 網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)督計(jì)算機(jī)的通信。整個(gè)焊接機(jī)器人系統(tǒng)如圖15所示。該焊接系統(tǒng)進(jìn)行了兩次海上現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)，海上焊接試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖16所示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)ut檢驗(yàn)，焊接接頭全部符合api std1104-2005的要求。通過(guò)海上試驗(yàn)諸多環(huán)節(jié)的考驗(yàn)，焊接樣機(jī)的技術(shù)性能滿足海上應(yīng)用需要3。在此基礎(chǔ)上，北京石油化工學(xué)院針對(duì)陸上重型管道鋪設(shè)焊接作業(yè)需求，研發(fā)了重型管道焊接機(jī)器人系統(tǒng)如圖17所示，單機(jī)器人可以同時(shí)帶動(dòng)兩把雙絲共熔池焊槍（tandem），在保證焊接質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步提高了焊接效率。  非同軸對(duì)接的兩個(gè)管道相接時(shí)形成相貫線，該相貫線為一條空間曲線，焊

12、接過(guò)程中需要多軸相互配合。北京石油化工學(xué)院在管道全位置焊接機(jī)器人的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了馬鞍形焊縫焊接機(jī)器人（如圖18所示），并作為北京市對(duì)口支援什邡市災(zāi)后重建智力援助項(xiàng)目進(jìn)行推廣使用，焊縫照片如圖19所示。相關(guān)研究結(jié)果極大地提升我國(guó)海底管道鋪設(shè)技術(shù)水平，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海底管道鋪設(shè)關(guān)鍵設(shè)備，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。  3 海底管道維修機(jī)器人系統(tǒng)  海底油氣管道在運(yùn)行中受到介質(zhì)腐蝕、船舶拋錨、地質(zhì)災(zāi)害和海洋開(kāi)發(fā)第三方破壞等的影響，會(huì)發(fā)生管道損傷事故，同時(shí)隨著服役年限的增加，一批較早建造的海底油氣管道接近服役期限，管道損傷事故發(fā)生的概率也

13、在增加。事故一旦發(fā)生，就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境污染，需要緊急修復(fù)。高壓干法水下焊接通過(guò)往焊接艙內(nèi)充入高壓氣體排除海水，形成干式高壓環(huán)境后進(jìn)行海底管道焊接，可以獲得高的焊縫質(zhì)量，是目前海底管道維修中焊接質(zhì)量最有保證的技術(shù)。挪威statoil公司海底管道維修系統(tǒng)prs如圖20所示，焊接過(guò)程通過(guò)控制室的控制面板進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，焊接電弧通過(guò)監(jiān)視器進(jìn)行觀察，焊接過(guò)程圖像如圖21所示。  北京石油化工學(xué)院與海洋石油工程股份有限公司合作開(kāi)展了海底管道水下干式高壓焊接研究，采用壓縮空氣作為加壓氣體，試驗(yàn)壓力范圍為0.6mpa，圖22是高壓環(huán)境焊接試驗(yàn)艙，焊接試驗(yàn)同樣是以遙操作方式進(jìn)行。圖

14、23用于實(shí)際海底管道焊接修復(fù)的水下干式工作艙，艙內(nèi)的焊接小車上安裝了用于焊接電弧觀察的攝像機(jī)，潛水員協(xié)助完成焊接小車安裝后，通過(guò)遙操作方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制焊接作業(yè)4。         4 無(wú)潛式水下維修系統(tǒng)  隨著海底油氣開(kāi)采深度的逐漸增加，潛水員協(xié)助的水下維修方式將不能滿足要求，無(wú)潛式海底管道維修連接技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)海油工程研發(fā)的重點(diǎn)。常用的無(wú)潛式海底管道維修連接技術(shù)有機(jī)械連接技術(shù)和焊接連接技術(shù)，焊接連接技術(shù)在維修大管徑、超深水管道時(shí)成本低、操作時(shí)間短，在無(wú)潛式海底管道連接維修中具有較大

15、應(yīng)用前景。  目前國(guó)外主要的水下無(wú)潛式焊接法維修系統(tǒng)有comex公司的thor-2系統(tǒng)和statoil公司最新研制的rprs系統(tǒng)5。thor-2系統(tǒng)由陸地控制系統(tǒng)、高壓艙、焊接機(jī)頭與軌道等三部分組成，無(wú)需潛水員協(xié)助，整個(gè)焊接過(guò)程可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)電氣參數(shù)和焊機(jī)位置等進(jìn)行控制。   挪威statoil公司在有潛水員輔助的prs系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)的無(wú)潛式rprs（remote pipeline repair system）系統(tǒng)示意圖和實(shí)物照片分別如圖24和圖25所示，主要由支持模塊和焊接艙組成。焊接艙是進(jìn)行焊接的機(jī)構(gòu)，是系統(tǒng)的核心，主要由氣體循環(huán)室、焊接室、旋轉(zhuǎn)室以及靜態(tài)卡爪組成。焊接艙的外形分為三瓣，可抱緊管道形成焊接密閉空間，艙體左右對(duì)稱位置設(shè)計(jì)有兩個(gè)焊接室，室內(nèi)安裝有焊槍及視覺(jué)傳感器用以焊接，驅(qū)動(dòng)室位于焊接艙中間提供焊接艙旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。   北京石油化工學(xué)院在北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目的資助下，建造了滿足3000米水深范圍焊接修復(fù)要求的無(wú)潛式焊接系統(tǒng)，如圖26所示，系統(tǒng)主要由焊接艙、遠(yuǎn)程控制臺(tái)、焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、焊接艙開(kāi)閉系統(tǒng)、惰性保護(hù)氣供給系統(tǒng)等部