工程建設中的管道焊接自動化

黃繼強，李明哲，鄒勇，薛龍，蔣力培，胡孟可，楊麗，馮麗艷

(1.北京石油化工學院光機電裝備北京市重點實驗室，北京102617；2.中冶京唐建設公司機電公司，河北唐山064000)

工程建設中的管道焊接自動化

黃繼強1，李明哲2，鄒勇1，薛龍1，蔣力培1，胡孟可2，楊麗2，馮麗艷2

(1.北京石油化工學院光機電裝備北京市重點實驗室，北京102617；2.中冶京唐建設公司機電公司，河北唐山064000)

針對工程建設中管道焊接典型工序，分析了打底焊、填充和蓋面等的焊接特點，并基于當前的工藝水平，從焊接質量、焊接效率和施工成本等角度進行了對比分析，給出了各焊接工序實施自動化的建議。針對焊前準備各工序進行了對比分析，說明了準備工序的自動化可以提高效率和降低成本。從實際施工工程的情況看，工程建設中的管道焊接自動化可以提高工程質量，加快工程進度，節(jié)約費用，同時也減小了工人的勞動強度，必將是工程施工的發(fā)展趨勢之一。

管道；焊接；自動化

0 前言

在許多建設工程中，管道施工占的比例有時較大，管道施工又以管道焊接工作最為關鍵，管道焊接不僅工作量大，而且是決定工程質量的關鍵因素之一[1]。采用傳統的管道焊接方法，勞動強度大、周期長、工程成本高、焊縫一致性差、工程質量較難把握。管道焊接自動化的推廣使用，從根本上改善了工人的勞動條件，提高焊接質量和效率，保證工期如期完成。我國工程建設相關行業(yè)中，管道焊接自動化尚處于初級階段，在此結合具體冶金建設工程項目，對管道焊接自動化工作進行了有益的探索。

1 管道焊接自動化

1.1 打底焊

由于冶金行業(yè)的特點，大部分管道直徑均在1m以內，在管道內部施工不便，通常采用單面焊雙面成形工藝在管道外部施焊。利用管道焊接機器人配合CMT焊機進行了自動打底焊的實驗研究[2]，但由于影響管道打底焊的因素較多，如坡口角度、鈍邊大小、組對間隙、焊接電流和焊接速度等，采用自動焊打底需要嚴格的坡口組對工藝，實際工程使用尚不能保證較高的一次通過率。鑒于此，一般還是推薦采用技術成熟的手工氬弧焊或焊條電弧焊打底，盡管效率低一些，但大大降低了返修率，綜合考慮，目前采用手工打底有一定優(yōu)勢。然而隨著焊接技術的發(fā)展，自動打底焊將是管道焊接自動化的趨勢之一。焊接不銹鋼管時宜采用氬弧焊打底，管道內部充氬保護，表1給出一組不銹鋼氬弧焊參數及焊接效果。對于碳鋼來說，可以采用手工氬弧焊、焊條電弧焊或手工氣保焊進行打底。

表1 不銹鋼氬弧焊參數和結果

1.2 填充和蓋面自動焊

應用氣體保護自動焊來進行填充焊和蓋面焊，操作簡單、焊縫質量好、焊縫成形一致性好、焊接效率高，同時經過綜合測算，焊接成本也較低。氣體保護自動焊填充和蓋面根據不同環(huán)境下的制作分為兩類，即管道預制工作站的自動焊接和安裝現場組對的全位置自動焊接。氣體保護自動焊工作站可以完成管道預制大部分工作，其工作方式是焊炬相對固定，管道轉動，保證焊接位置始終處于最容易焊接的水平焊位置，這樣焊接工藝相對可靠，操作工人容易掌握，出現焊接缺陷的幾率小，焊接質量高[3]。在這種工況下，實際焊接時在焊接工藝要求范圍內可以采用稍大的焊接規(guī)范，以提高焊接效率。管道預制自動焊接工作站施工如圖1所示。

圖1 管道自動焊工作站焊接過程

管道安裝現場組對焊接時，管道位置固定，不可旋轉，所以這種工況下采用全位置管道焊接機器人更為有效。全位置管道焊接機器人體積小、質量輕、易于搬運、方便現場安裝使用。在組對現場，有的工位焊工難以到達且施工有潛在危險，采用焊接機器人可以有效減少工人勞動強度和降低特殊作業(yè)的危險性，全位置機器人焊接的工作現場如圖2所示。

圖2 全位置焊接機器人焊接過程

自動焊和焊條電弧焊所需焊接時間的對比情況如表2所示。表3是針對相同管徑的自動焊和焊條電弧焊綜合測算費用的比較。可以看出，采用自動焊的費用要低于焊條電弧焊的費用，比較時沒有考慮返工的費用，否則，兩者之間的差距還會增大，因此管道自動焊的優(yōu)勢比較明顯。

表2 自動焊與焊條電弧焊時間對比

1.3 焊接質量對比

管道預制自動焊接的外觀成形美觀。不銹鋼管道預制自動焊縫和焊條電弧焊焊縫的對比如圖3a所示，可以看出，自動焊縫明顯優(yōu)于焊條電弧焊焊縫；普通碳鋼采用管道預制自動焊焊縫如圖3b所示，外觀成形較好。另外，按照要求主要采用超聲波和X射線進行焊縫內部質量檢測。根據統計結果可知，采用管道焊接自動化的焊縫合格率大于90%，而焊條電弧焊無損檢測合格率在60%左右，顯然采用管道自動焊接的質量要優(yōu)于手工焊接質量。

表3 不同焊接方法費用比較

圖3 不同鋼管的焊接外觀

2 管道焊接的準備工序

2.1 管段設計自動化

在管道焊接開工前，采用專用的管道繪圖軟件重新繪制出并生成符合管道工程要求的管段圖(見圖4a)，以及管道現場安裝、管理需要的單線圖(見圖4b)。管段圖可以指導材料核算和管道下料等工序，通過軟件可以優(yōu)化管道的設計，確保分段合理，明確預制焊道和現場施工焊道的位置，從而在滿足工程質量的條件下降低工程成本。通過管段圖可以生成符合管道工程安裝需要的單線圖，單線圖可以添加指導生產的相關標識，如焊縫號、管段號、直管下料尺寸、現場焊口位置等標識，為后面工序提供指導文件。采用管段設計自動化可以明顯提高工作效率和管道設計的準確率。

圖4 管道設計

2.2 下料機械化

常用的管道下料方式可以采用氣割、手動操作電動切割機和帶式鋸床。鋸床的使用明顯提高了管道下料的速度，端面成形好，端面垂直度和粗糙度較好，一般無需再處理。從成本角度來看，考慮人工費用、耗材、電費等費用，對于相同管徑的鋼管，核算每道口切割的費用如表4所示，鋸床切割的費用比手動切割的費用低20%～30%，顯然采用鋸床下料較有優(yōu)勢，只是一次性投資成本要高一些。

表4 切割費用比較

2.3 自動坡口機

坡口加工得越規(guī)則就越容易實現焊接自動化，提高焊縫質量，降低返修率，為此采用了坡口加工工作站，根據不同的壁厚可以加工出所需要的多種坡口形式。坡口機與氧－乙炔切割加工坡口對比情況如表5所示，可以看出坡口機的使用明顯提高了工作效率。

3 結論

在工程建設中大量采用管道焊接自動化工序提高了工程建設的生產效率，節(jié)約了成本，降低了工人的勞動強度。從中冶京唐公司承擔的曹妃甸首鋼建設項目施工情況來看，管道焊接自動化工作量超過50%，在提高施工質量的同時，施工周期也相應縮短。但管道焊接的打底工序和檢驗工序的自動化水平有待進一步提高。可以相信，隨著相關技術的提高，管道焊接自動化在冶金建設工程中必將發(fā)揮更大的作用。

表5 坡口機與氧－乙炔切割加工坡口對比

[1]顧紀清，陽代軍.管道焊接技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2]鄒勇，梁亞軍，薛龍，等.焊接機器人管道全自動打底焊研究[J].電焊機，2008，38(8)：48－50.

[3]黃繼強，蔣力培，薛龍，等.管道預制焊接機器人研究[J].電焊機，2008，38(6)：16－18.

Automatization of pipe welding applying in constructing industry

HUANG Ji-qiang1，LI Ming-zhe2，ZOU Yong1，XUE Long1，JIANG Li－pei1，HU Meng-ke2，YANG Li2，FENG Li-yan2
(1.Optic-Mechatronic Equipment Technology，Beijing Area Major Laboratory，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.MCC Jingtang Construction Corp.，Ltd.，Tangshan 064000，China)

According to the typical procedures of pipe welding in constructing industry，the characteristics of welding process were studied for root welding，filling layer welding and cover layer welding.Suggestion was given to execute automatization of pipe welding in different procedures based on currently technics.Contrast and analysis between usual manual methods and automatization of pipe welding were done in several points，such as welding quality，efficiency and cost.The automatization of preparative procedures were also discussed to show their high efficiency and low cost.Base on the application，the automatization of pipe welding with a better quality project，a shorter constructing time，a less expenses and a less laboring intension will be one of the trends of the constructing industry.

pipeline；welding；automatization

book=73,ebook=213

TG409

B

1001－2303(2010)10－0073－04

2009－07－30；

2009－11－30

國家863計劃項目(2009AA042208)；北京石油化工學院青年科研基金資助重點項目(N08－03)

黃繼強(1971—)，男，北京人，高級工程師，博士，主要從事焊接設備及自動化方面的研究工作。