石油化工行業(yè)特種焊接機器人技術現(xiàn)狀及發(fā)展

1、石油化工行業(yè)特種焊接機器人技術現(xiàn)狀及發(fā)展來源 : 焊接之家發(fā)布時間：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)，對裝備的使用性能產(chǎn)生直接影響。石化裝備焊接結構的種類眾多，使用條件各有不同，工作介質一般具有高溫、高壓、易燃、易爆、深冷、腐蝕的特點，對裝備用鋼和對應的焊接工藝均提出了較高要求。同時，常見的石化設備一般都規(guī)模較大，如球罐、管道等，許多工作都需要在施工現(xiàn)場完成。因此，為了適應特定的結構型式和現(xiàn)場施工要求，石化裝備焊接機器人與通用關節(jié)焊接機器人有所區(qū)別，現(xiàn)根據(jù)不同的應用對象和使用環(huán)境進行介紹。  

2、60;     1 球罐焊接機器人      球罐具有表面積小、重量輕、占地面積少等優(yōu)點，在石油化工等行業(yè)的應用廣泛。球罐大多是現(xiàn)場焊接，現(xiàn)場焊接作業(yè)的自動化和智能化是縮短球罐制造周期、提高球罐整體質量的關鍵。目前國內外球罐焊接機器人相對比較成熟，國外典型的球罐焊接機器人公司有美國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)的全位置焊接設備主要由爬行機構、擺動機

3、構、柔性或半柔性軌道等部分組成，如圖1所示。在焊接過程中，該系統(tǒng)通過操作者的手動調整焊炬實現(xiàn)焊縫對中，自動化程度較低。gullco oscillator 公司的焊接機器人如圖2所示，使用藥芯氣保護和自保護焊絲，設備的高低和橫向調整機構由焊工使用手動輪機械調節(jié)，焊接過程中沒有擺動，自動化程度較低，焊接成形質量較差。      瑞典esab公司的railtrac fwr1000型機器人如圖3所示，系統(tǒng)體積小、結構緊湊，可控性較強，控制精度也高，帶驅動擺動和反向回焊功能，可根據(jù)自帶的專家系統(tǒng)自動規(guī)劃焊接參數(shù)。加拿大servo-robot公司

4、生產(chǎn)的mwr-100/350型焊接機器人（圖4所示）有視覺且完全可編程的移動式焊接機器人。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、儲罐等大型焊接件上進行工作。集成式激光視覺焊接跟蹤系統(tǒng)配備2d 彩色視頻攝像頭，實現(xiàn)了遠程示教及過程監(jiān)控。  國內一些高校、科研機構也先后開展了球罐全位置焊接機器人的研究，并取得了一定的成績。北京石油化工學院研究開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的系列化無導軌、有導軌及柔性導軌全位置智能焊接機器人，包括焊接機器人機械機構、機械接觸跟蹤、焊縫軌跡示教、焊接工藝參數(shù)管理系統(tǒng)等。rhc-3柔性導軌全位置焊接機器人系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)適用于柔性

5、軌道和圓軌道，能夠較好地完成復雜工件的多種焊縫的現(xiàn)場焊接尤其是球罐全位置焊接的工藝要求。bipt-5無導軌全位置焊接機器人如圖6所示，使用了co2氣體保護藥芯焊絲全位置多層多道焊的工藝技術，該機器人采用柔性磁輪式機構和ccd光電測控技術實現(xiàn)了無導軌全位置自由行走和球罐多層多道焊的實時跟蹤等關鍵技術問題，該機器人能對球罐內外縱縫、橫縫及仰縫進行無導軌全自動焊接，達到了高效率、高質量、低勞動強度1。  清華大學潘際鑾院士研發(fā)了爬行式全位置焊接機器人，見圖7，爬行機構采用輪履式結構，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2。2015年7月，煉化工程

6、集團南京工程儲運分公司自主研發(fā)的球罐全位置自動焊接技術（見圖8），成功應用于江蘇斯爾邦石化項目空壓站400立方米球罐，焊接一次合格率達99.3%，成為國內首家使用球罐全位置自動焊接技術的施工企業(yè)。球罐氣體保護全位置自動焊接施工工藝效率為傳統(tǒng)手工電弧焊的2.7倍。         2 管道焊接機器人      在石化管道工程施工中，管道焊接質量和焊接效率直接影響著施工進度。由于管道自身的結構特點，一般的管道焊接均為全位置焊接方式，國外生產(chǎn)

7、管道焊接機器人商業(yè)化產(chǎn)品的公司主要有美國crc-evans、法國serimax、荷蘭vermaat technics 和意大利saipem等。美國crc evans率先將全位置熔化極氣體保護焊接技術應用于管道施工，開發(fā)了系列化的管道焊接機器人，包含單炬、雙炬自動外焊機和iwm內焊機等，其中p-625是一種帶電弧跟蹤的單或雙焊炬自動外焊機，具有前瞻性的管道自動焊設計，具有自診斷功能、實時數(shù)據(jù)記錄、無線傳輸和衛(wèi)星定位功能（見圖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用的速度和質量（見圖10）。crc-evans內焊機（見圖11）的系列包括從24到60的管

8、徑，內焊機多個焊頭同時運行，能達8個之多，其機構包括了快速而準確的對口與內根焊。crc-evans所參與大多數(shù)施工項目都采用了內焊機，是國內外非常成熟的一種根焊工藝。美國crc-evans的產(chǎn)品在自動控制水平和陸地管線鋪設應用方面處于世界最前沿，其自動焊設備在中國油氣管線市場焊接里程已達到約3000公里。  隨著海底管道鋪設工程量的增加，能提高鋪設效率的雙炬管道鋪設焊接機器人得到了發(fā)展，法國serimax公司生產(chǎn)的saturnax bug雙焊炬管道全位置自動焊機（如圖12所示）采用了風冷式焊槍、外掛推絲式送絲機構和專用的脈沖焊接電源，計算機焊接編程控制單元和焊車運動控制單元分置，可進

9、行在線編程，能夠完成根焊、窄間隙疊焊或寬間隙排焊，具有遠程監(jiān)控、參數(shù)設置及焊接過程參數(shù)存儲功能，機器人本體采用雙電機驅動方式帶動齒輪與軌道嚙合，完成環(huán)縫焊接所需要的周向運動，整機結構緊湊、重量輕便、海上作業(yè)歷史悠久、施工經(jīng)驗豐富，在海洋石油工程領域處于絕對霸主地位。對于鋪設直徑24寸的近海油氣管線，法國serimax公司開發(fā)了四頭雙炬全自動焊接系統(tǒng)，如圖13所示，該系統(tǒng)驅動四個焊頭同時工作，全部焊頭以管道頂點為起點分布在左右兩側，焊接時左側與右側的兩個焊炬進行向下焊作業(yè)。同時打底焊采用了帶銅襯墊的內對口器背面強制成形技術，使整套設備具有很好的柔性。 在國內，中石油廊坊管道局基于自主研

10、發(fā)的paw2000全自動焊機，并以此為基礎，于2008 年研制出升級版的paw3000雙焊炬全位置自動焊機（見圖14），2013年8月5日，在西氣東輸三線西段工程中首次進行工業(yè)應用，創(chuàng)造了日焊接60道口的好成績，兩個全自動焊機組日焊接管線達1.5公里。北京石油化工學院針對海底油氣輸送管道（管徑648）對接環(huán)形焊縫焊接工藝特點，開發(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焊接機器人。機器人機械本體主要由行走機構、鎖緊機構、焊槍橫向擺動機構、焊槍高低調整機構和焊槍組件等組成，機器人控制系統(tǒng)以工業(yè)pc機作為主控制器，通過can總線實現(xiàn)與焊接小車各軸驅動電機、焊接電源等外圍設備的

11、接口，通過ethernet 網(wǎng)絡接口實現(xiàn)上層監(jiān)督計算機的通信。整個焊接機器人系統(tǒng)如圖15所示。該焊接系統(tǒng)進行了兩次海上現(xiàn)場焊接試驗，海上焊接試驗現(xiàn)場照片如圖16所示，通過現(xiàn)場ut檢驗，焊接接頭全部符合api std1104-2005的要求。通過海上試驗諸多環(huán)節(jié)的考驗，焊接樣機的技術性能滿足海上應用需要3。在此基礎上，北京石油化工學院針對陸上重型管道鋪設焊接作業(yè)需求，研發(fā)了重型管道焊接機器人系統(tǒng)如圖17所示，單機器人可以同時帶動兩把雙絲共熔池焊槍（tandem），在保證焊接質量的前提下，進一步提高了焊接效率。  非同軸對接的兩個管道相接時形成相貫線，該相貫線為一條空間曲線，焊

12、接過程中需要多軸相互配合。北京石油化工學院在管道全位置焊接機器人的基礎上，開發(fā)了馬鞍形焊縫焊接機器人（如圖18所示），并作為北京市對口支援什邡市災后重建智力援助項目進行推廣使用，焊縫照片如圖19所示。相關研究結果極大地提升我國海底管道鋪設技術水平，形成了自主知識產(chǎn)權的海底管道鋪設關鍵設備，具有重大的經(jīng)濟效益和深遠的社會效益。  3 海底管道維修機器人系統(tǒng)  海底油氣管道在運行中受到介質腐蝕、船舶拋錨、地質災害和海洋開發(fā)第三方破壞等的影響，會發(fā)生管道損傷事故，同時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，就會造成巨大的經(jīng)濟損失及環(huán)境污染，需要緊急修復。高壓干法水下焊接通過往焊接艙內充入高壓氣體排除海水，形成干式高壓環(huán)境后進行海底管道焊接，可以獲得高的焊縫質量，是目前海底管道維修中焊接質量最有保證的技術。挪威statoil公司海底管道維修系統(tǒng)prs如圖20所示，焊接過程通過控制室的控制面板進行遠程控制，焊接電弧通過監(jiān)視器進行觀察，焊接過程圖像如圖21所示。  北京石油化工學院與海洋石油工程股份有限公司合作開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，試驗壓力范圍為0.6mpa，圖22是高壓環(huán)境焊接試驗艙，焊接試驗同樣是以遙操作方式進行。圖

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

15、應用前景。  目前國外主要的水下無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、焊接機頭與軌道等三部分組成，無需潛水員協(xié)助，整個焊接過程可通過計算機對電氣參數(shù)和焊機位置等進行控制。   挪威statoil公司在有潛水員輔助的prs系統(tǒng)基礎上研發(fā)的無潛式rprs（remote pipeline repair system）系統(tǒng)示意圖和實物照片分別如圖24和圖25所示，主要由支持模塊和焊接艙組成。焊接艙是進行焊接的機構，是系統(tǒng)的核心，主要由氣體循環(huán)室、焊接室、旋轉室以及靜態(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，艙體左右對稱位置設計有兩個焊接室，室內安裝有焊槍及視覺傳感器用以焊接，驅動室位于焊接艙中間提供焊接艙旋轉的動力。   北京石油化工學院在北京市創(chuàng)新團隊建設項目的資助下，建造了滿足3000米水深范圍焊接修復要求的無潛式焊接系統(tǒng)，如圖26所示，系統(tǒng)主要由焊接艙、遠程控制臺、焊接電源、送絲機構、焊接艙開閉系統(tǒng)、惰性保護氣供給系統(tǒng)等部