大型儲罐橫焊技術的發展與應用

劉澤民，方 平

(南昌航空大學 航空制造工程學院，江西 南昌 330063)

大型儲罐橫焊技術的發展與應用

劉澤民，方 平

(南昌航空大學 航空制造工程學院，江西 南昌 330063)

闡述了當前我國大型儲罐的發展狀況，比較了大型儲罐目前常用的橫焊工藝；論述了橫焊焊接設備的發展和前景，重點闡述了當前應用較普遍的自動橫焊機和正在重點研究的移動橫焊機器人；論述焊接自動跟蹤技術在橫焊中的應用和發展，討論了接觸式、激光圖像和激光測距傳感器等幾種常見焊接跟蹤傳感器。

儲罐焊接；焊接設備；自動跟蹤

0 前言

隨著我國經濟的高速發展，原油的進口量大增，建立戰略石油儲備已引起國家高度重視。戰略石油儲備一期項目包括鎮海、舟山、黃島和大連四大石油儲備基地已基本完成，總規模1 640萬m3，可儲原油約1 100萬～1 200萬t。現在又正在規劃、建設規模更大的二期、三期石油戰略儲備基地[1]。石油戰略儲備基地建設離不開大型儲罐，它是石油化工行業非常重要的儲運設備，越來越多地用于原油、成品油的儲運工程。國民經濟的快速發展和戰略石油儲備的建立也極大地推動了大型儲罐需求。

由于大型儲罐建造工作量大，消耗工時、資金大，建造的經濟性已經成為人們日益重視的課題。大型儲罐很多直徑在幾十米以上，受運輸和安裝條件的限制，大多數都在現場制造安裝。而每節筒體的環向焊縫，由于焊道長，焊接工作量巨大，提高橫焊焊接效率對于儲罐的生產具有重要的意義。因此，儲罐的高效焊接技術越來越受到重視，許多高效焊接技術在儲罐施工中得到推廣應用。

1 儲罐橫焊焊接工藝

大型儲罐的橫縫焊接方法主要有焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊。國外在大型儲罐的建造中，罐體橫焊普遍采用自動焊工藝，技術已相當成熟。受制于技術和資金的影響，我國現在大型儲罐的焊接自動化水平較低，焊條電弧焊還占有相當大的比例，自動焊沒有得到廣泛的推廣和應用。

焊條電弧焊工人的勞動強度大、焊接質量依賴于焊工的技術水平，存在焊接質量不穩定、焊接效率差等缺點[2]。可以預見，在一個較長時期內，受生產力發展水平和技術水平的影響，焊條電弧焊在我國大型儲罐的焊接上還將占較大的比例。

我國在20世紀80年代初開始引進大型儲罐自動橫焊技術，經過近30年的發展，部分技術裝備實現了國產化；大型儲罐埋弧自動橫焊技術已取得了突破性進展，單絲埋弧焊技術基本成熟，操作簡單，焊接質量穩定，抗風能力強，適合儲罐的現場焊接，同時具有焊縫成形美觀、焊接質量優良、勞動強度低和生產效率高等優點[3－6]，在大型儲罐焊接中發揮重要作用。不少單位正在開展雙絲或多絲埋弧橫焊技術的研究，以進一步提高焊接效率。

氣體保護橫焊[7－8]具有電弧熱量集中、熔池小、結晶快、熔敷效率高、速度快、焊接條件好以及焊接過程無熔渣等優點。與埋弧自動橫焊相比，氣體保護焊不需要復雜的焊劑回收裝置，減化了系統，沒有殘余焊劑污染環境，易于實現焊接過程的機械化和自動化。但就儲罐焊接的現場作業來說，不利于防風，這是氣保護焊要考慮的重要問題。

雙脈沖技術應用于橫焊有其特殊的優勢。雙脈沖電源焊接通過控制對焊接熔池的熱輸入來控制熔池的凝固過程，強脈沖電流熔化焊縫金屬，弱脈沖維持電弧等待熔池凝固，從而通過控制電流強弱脈沖時間，消除因重力引起的熔池金屬下淌，有效控制了焊縫成形。在20世紀80年代，韓英喜等人和石油部技術人員、清華大學研究過雙脈沖電源在橫焊中的應用[9]；王會霞等人對雙脈沖MAG橫焊工藝進行了研究[10]；天津大學的李桓等人試驗了雙脈沖埋弧橫焊，效果良好[11]。實驗證明，脈沖電弧對熔池金屬具有強烈的攪拌作用，細化了焊縫組織，提高了焊縫的強度和塑性。

傳統的焊條電弧焊由于勞動強度大、效率低等缺點，正逐漸被機械化、自動化程度更高的埋弧自動橫焊和氣體保護焊等焊接方法取代。隨著我國焊接材料生產工藝的成熟，施工技術水平的不斷提高，各種不同高效率、高質量焊接方法在大型儲罐施工中得到應用，不僅降低了勞動強度，還能提高生產效率和經濟效益。

2 儲罐橫縫自動焊接設備

用于大型儲罐橫焊的自動焊接設備主要有兩類：第一類是在國內外獲得廣泛應用的橫縫自動焊機，第二類是正在研制中的移動焊接機器人。

埋弧自動焊用于大中型儲罐焊接有正裝和倒裝兩種焊接方法，埋弧自動焊專機也對應有正裝、倒裝埋弧自動焊機。正裝法埋弧自動焊專機吊在壁板上，沿壁板上邊移動，國內常見的這類焊機有日本新日鐵 MISA－HB－A4[12]、美國的 AGW－I[13]、廊坊石油管道局特種機具研究所HFX－I型橫縫埋弧焊機。倒裝法用于壁板比較薄的儲罐焊接，焊接專機在地面架設的輔助軌道上移動，中國石油工程技術研究院研制的D－AGW型橫縫埋弧自動焊機就是倒裝法專機[14]。還有正裝與倒裝兩用埋弧焊專機，這種焊接專機的移動機構是可拆裝形式，可根據正裝與倒裝的需要安裝，兩用專機有南京奧特公司的SAHW－I型橫縫埋弧焊機[15－16]。

國外比較先進的橫縫自動焊機可以通過各種組合實現一機多用，控制系統能夠存儲多套焊接參數，控制靈活，結構合理，但價格昂貴。國內近年來也開發了類似產品，目前應用較多的是南京奧特公司的AUTO SHAW－I/II型儲罐埋弧自動橫焊機、中國石油天然氣總公司工程技術研究院研制的AGW－II橫縫自動焊機、中國石油天然氣管道科學研究院研制的TGW大型橫縫自動焊機。南京創佳機電設備有限公司、沈陽大學焊接研究所、昆明理工大學、天津工程技術研究所、沈陽自動化所和珠海百事達機電公司也開發了類似的產品[17－18]。

埋弧橫焊自動焊機主要由焊接電源、焊接機頭、焊劑輸送回收系統、焊劑托送機構、送絲機構、行走機構、行走框架及軌道等組成。各個部分合理地集成在焊接行走機架上，電氣綜合控制系統協調各部分統一工作。橫縫自動焊機沿軌道行走進行焊接，機架的行走速度即是焊接速度。焊劑循環系統采用吸壓式焊劑回收器。工作時，機架自身的質量使托輪帶緊貼在壁板上，焊劑從機架頂部的焊劑桶中沿導管下落到托輪帶上，實現對焊接電弧的保護。在焊接的同時，大功率的洗塵器再將剩余焊劑從熔池的后方回收到焊劑桶中，再次循環利用。值得注意的是：一段時間后，焊劑要全部回收，進行烘干處理。焊機行走機構由電機、傳動機構和輪子組成。由電機經傳送系統驅動輪子帶動框架運動。

橫焊自動焊機框架體積較大，以容納焊接電源和焊劑回收機構等，由于自動化程度不夠高，其焊接過程需要人工干預，還要容納操作自動焊機的操作員，所以自動焊機非常笨重，焊接過程中吊裝和拆卸不方便，操作人員在框架內很小的空間工作，尤其夏天高溫時候，工作環境很惡劣，加上在高空作業，安全性差。

為了克服橫縫自動焊機的缺點，研究人員正在積極開發各種橫焊機器人，以代替自動焊機完成大型儲罐焊接。北京石油化工學院的蔣力培等人研制的BIPT型無軌全位置焊接機器人可用于儲罐橫焊[19]。該機器人的特點是：采用四輪柔性機構，保證左右兩側磁輪同時接觸球罐表面；各輪與鋼板封閉磁路，小車總體磁力達200 kg以上；四主動輪結構和左右磁輪差速運動，可實現原地轉動，機動靈活。該機器人采用的CCD光電軌跡跟蹤系統由兩個CCD光電傳感器和一個橫向滑塊組成，焊接過程中通過傳感器識別焊縫偏差，由滑塊調節焊槍，實現精確跟蹤。

清華大學和南昌大學等單位研制的磁吸附輪履式焊接機器人可用于大型儲罐橫焊[20－21]。該機器人采用輪履式結構，兩條履帶上帶有多個永磁塊，加上機器人本體底座上裝有多個永磁鐵，具有強大的吸附能力；其傳動系統由交流伺服電機、行星減速機和蝸輪蝸桿減速機組成，機器人結合輪、履兩種結構的優點，能夠實現運動平穩和轉彎的靈活控制。該機器人采用光學傳感器跟蹤和微調十字滑塊、PLC控制器組成焊縫跟蹤系統。激光傳感器檢測到焊縫偏差，經PLC處理后，控制微調十字滑塊控制焊槍，消除偏差，實現了對焊接過程的精確控制。

由于機器人可直接在罐體表面進行全位置自動焊接，無需安裝軌道，無需人工跟蹤，自動化程度高，能大幅度降低勞動強度、工人操作難度和設備成本。當前，這類機器人正在研究完善中，待技術成熟以后，可望在儲罐的橫焊中得到廣泛的應用。

3 儲罐焊接跟蹤方法

常見的焊接跟蹤傳感器主要有機械接觸式，光學式、激光測距式傳感器、旋轉電弧傳感器和超聲傳感器等[22－24]。在儲罐的橫焊中，應用較多的是機械接觸式傳感器和光學傳感器。

最初對焊接進行焊縫跟蹤時最常采用的傳感器就是接觸式傳感器，接觸傳感器裝有導桿或導輪在焊炬前方探測焊縫位置。探頭式跟蹤系統中，傳感器的探頭直接與焊縫坡口接觸，直接對偏差進行檢測，可在感知水平橫向和高度垂直方向的偏差。當焊槍偏離焊道時，傳感器將檢測到的偏差發送給控制系統，控制焊槍動作消除偏差。接觸式傳感器的最大優點是系統簡單，可靠性高，不怕焊接過程中的磁、光、煙塵、飛濺等干擾。但接觸式傳感器獲取的焊縫位置信息量較少，應用范圍較窄，精度和靈敏度都比較低，不適用于精密焊接。

光學式跟蹤傳感器有劃線光學跟蹤和直接激光圖像跟蹤兩種方式。劃線光學跟蹤方式要求焊接前預先在遠離環縫坡口的儲罐壁板畫一條與環縫坡口平行的直線，作為跟蹤焊縫的基準線，焊接時與焊槍同步調節的光斑對中器跟蹤此線，以實現焊縫對中。這種方法對傳感器圖像處理技術要求較低，容易實現。其缺點是：對劃線精度要求高，劃線輔助工作時間長，在組裝后的罐壁板上畫環線難度大，不易保證劃線精度要求，實際跟蹤精度較差。

另一種光學跟蹤方式是直接激光圖像跟蹤焊縫方式。這種方式的光學傳感器內置有激光器，發射的激光照射在焊縫上，傳感器內的攝像頭采集到焊縫坡口的形狀和位置，由于傳感器和焊槍固連，當焊槍和焊縫位置出現偏差時，傳感器所采集的圖像能檢測到這個偏差，其偏差信號傳給控制系統，由控制系統發出信息控制焊槍以消除偏差。這種激光圖像跟蹤傳感器采用直接跟蹤坡口位置的方法，提高了跟蹤精度，無需焊前板壁畫線，是一種具有優良發展前景的跟蹤方法[25]。

現在，新型采用激光測距方式跟蹤焊縫的傳感器也已問世，激光掃描測距傳感器通過對焊縫進行掃描，可準確測定焊縫的空間位置[26－27]。

4 結論

我國大型儲罐的橫焊技術水平與世界先進國家技術水平相比還有較大差距，要大力研究雙絲、多絲埋弧橫焊，大電流脈沖焊，以進一步提高焊接效率；研制新型自動化焊接裝備，提高焊接自動化、智能化水平。

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Development and technology of horizontal welding for oil tank

LIU Ze-ming，FANG Ping
(School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

This paper state the current oil tank development in China，explain the common horizontal welding technology applied nowadays，and compare their advantages and disadvantages here.The prospects and development of horizontal welding equipment are elaborated here，with the focus on automatic horizontal welding machine commonly applied today and the development and application of mobile horizontal welding robot which is under research.The application and development of automatic tracking technology regarding horizontal welding is described here，and the welding automatic tracking sensors such as touch sensors，laser image sensor and laser ranging sensor are discussed.

oil tank horizontal welding；welding equipment；automatic tracking

TG441.4

C

1001－2303(2011)03－0046－04

2010－02－02

劉澤民(1977—)，男，江西吉安人，講師，碩士，主要從事焊接自動化的研究工作。