大型儲罐焊接技術的發展與應用

婁秀偉

（吉林夢溪工程管理有限公司，吉林吉林 132000）

0 引言

隨著我國社會的不斷進步與經濟的不斷發展，原油需求量逐年遞增，建立原油戰略儲備已經成為關乎國家安全的重要內容。在大型石油儲備基地中，通常會采取大型儲罐進行石油的存儲。現在石油儲罐已經被廣泛地應用于原油、成品油的儲存和運輸，其需求量呈逐年上升的趨勢。

大型儲罐的建造成本很高，是影響石油儲存成本的關鍵，進一步降低大型儲罐的建造成本，提升石油儲運的經濟性，已經成為擺在相關企業面前新的課題。大型儲罐的尺寸一般很大，直徑達到幾十米，運輸困難，因此通常采取現場制造的方式，建造者會將儲罐分成若干的環狀部分，采用焊接的方式進行拼裝，每節筒體采取環向焊接。由于焊道的周長很長，工作量巨大，提高焊接效率對于提升儲罐建造效率、降低建造成本具有重要意義。因此，儲罐的焊接技術歷來被業內作為重點研究對象，有越來越多的新技術在該領域得到了應用。

1 儲罐橫縫焊接工藝

當前大型儲罐的焊接方法主要有電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊等，國外發達國家大多數采用自動焊接技術，大大提升了儲罐的焊接效率和質量。但是我國尚無較成熟的儲罐橫縫自動焊接技術，建造時仍以傳統的焊條電弧焊為主。

焊條電弧焊由工人手工操作，焊接質量與工人的焊接技術高度相關，受工人的主觀因素影響，很容易出現焊接質量不穩定的問題，并且這種焊接方法的勞動強度較大、焊接效率較低。但是受實際技術發展水平的限制，未來一段時間內焊條電弧焊仍將是我國大型儲罐的主要焊接方法。

我國于20 世紀80 年代著手引入大型儲罐自動焊接技術，至今已經掌握了一部分技術，大型儲罐埋弧自動焊接技術也獲得了實質性突破，單絲埋弧焊已投入實際使用，獲得了較好的應用效果，不僅提升了焊接質量，還降低了勞動強度。該技術具有操作簡單、抗風力強的特點，非常適用于現場作業，焊縫的成分穩定、結構優良，推進了我國石油儲備行業發展，現在已有許多企業著手于多絲埋弧焊技術的研究。

氣體保護焊允許焊接效率高、焊接熱量集中、結晶快等優點也被應用于大型儲罐現場焊接，氣體保護焊的焊接系統簡單，對環境的污染較小，更易于采取自動焊接的方式，但現場作業時的防風問題一直沒有得到有效解決，限制了氣體保護焊在大型儲罐焊接中的應用，有待進一步研究。

雙脈沖焊接技術可以直接控制融池的熱輸入，利用高強度脈沖電流直接融化熔池中的金屬，利用弱脈沖電流對融池進行保溫，只需要通過特定的設備控制電流強度就能很好地實現融池控制，形成理想的焊縫。20 世紀80 年代清華大學研究了這項技術的實際應用，王會霞等人通過實踐研究的方式確定了這項技術的先進性，天津大學經過實際驗證，取得了優良的焊接接頭，證明雙脈沖焊接技術的實用價值。實際研究還發現，這一技術具有攪拌熔池內金屬的效果，能夠使焊縫組織成分更加合理，有效提高焊縫的強度與塑性。

隨著我國自有焊接技術的不斷發展，焊接工藝不斷成熟，各種自動焊接技術將逐漸應用于大型儲罐制造中，傳統焊條電弧焊將逐漸會被自動化焊接技術所取代。這將大大降低工人的勞動強度，提高焊接效率與質量，為我國石油儲運行業創造更多的經濟效益。

2 儲罐橫縫自動焊接設備

目前應用于大型儲罐焊接的自動化設備主要有兩種，分別是橫縫自動焊機和自動焊接機器人（圖1～圖2）。

圖1 從國外引進的橫縫自動焊機

圖2 我國自行研制的移動焊接機器人

橫縫自動焊機由電源、控制機構、焊接頭、焊劑填充與回收裝置、焊劑支架、行走機構和軌道組成。所有功能模塊均集成在行走機構上，其中，導軌控制行走方向，控制機構控制走絲和行走速度，焊劑填充與回收裝置負責輸送和回收焊劑，起到保護電弧的作用。焊劑回收采用負壓吸收原理，使焊劑得到循環利用，提高焊劑經濟性。但焊劑應定期進行烘干，避免結塊而影響焊接質量。伺服電機驅動焊機在導軌上行走，由控制機構協調滾輪的行走。

由于結構復雜、體積較大，自動化程度較低，橫縫自動焊機無法實現完全自主工作，有時需要人工進行干預，在焊機中需要設置操作員，這使得焊機的體積進一步增加。在實際使用中，焊機的吊裝非常不便，焊機內工作人員的活動空間較小、舒適性較差。

為了克服上述缺點，科研人員致力于開發焊接機器人，現已研制出無軌道全位置焊接機器人，在大型儲罐焊接中展現出良好的應用效果。該機器人采用磁性滾輪吸附于儲罐表面，吸附力超過200 kg（f1961.33 N），使機器人能夠穩定地停留在儲罐表面，具有一定的防風能力，通過兩側輪子的轉速差實現轉彎，靈活性很高。該焊機采用CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）光電軌跡跟蹤系統識別焊接軌跡，識別精度高、焊縫位置準確。

清華大學研制的磁性吸附焊接機器人，以履帶行走機構代替傳統的輪式機構，使焊機行走過程更加平穩；鋁帶上均勻分布的永磁塊增加了吸附面積，使焊機具備更強的抗風能力；履帶由伺服電機驅動，并配有先進的減速機構，能實現靈活的軌跡跟蹤，其配備的激光傳感器可以精確識別焊縫位置偏差，并將位置信號送入中央處理器，經修正后返回控制機構，實現位置信號的閉環控制，大大提高了焊接精度。

該機器人能夠實現大型儲罐表面焊接的無人值守，由于不需要軌道，因此具備更好的場地適應性，自動化程度很高，一名工作人員可以同時監控多臺焊機，大大提高工作效率，降低焊接成本。但這類焊接機器人要想投入實際使用，還需解決一些技術難題，相信不久將成為大型儲罐焊接的主力軍。

3 儲罐焊接跟蹤方法

自動焊接利用焊縫位置跟蹤裝置來準確識別焊縫位置，通常采取的傳感器有機械式傳感器、光學傳感器、激光測距儀等、電流傳感器等，現在使用較廣泛的是機械式傳感器或光學傳感器。

機械傳感器通過接觸焊縫金屬來識別焊縫位置，在早期的自動焊機中被廣泛使用。它通過導輪來探測焊縫位置，導輪與焊縫直接接觸并安置在焊接位置的前面，以此來引導焊頭沿焊縫焊接。導輪具有檢測位置偏差功能，具有一定的位置修正能力，當檢測到焊頭位置偏差后會將偏差信號返回控制系統，從而消除位置偏差，使焊頭保持在正確的焊接軌跡上。機械傳感器具有結構簡單、可靠性高的優點，能夠有效抵抗焊接過程中的磁、光、煙塵等干擾因素，但其使用溫度較低、無法實現精密焊接。

自動焊機中采用的光學傳感器主要分為劃線跟蹤與激光跟蹤兩種形式。劃線跟蹤是指采用特制的涂料預先劃一條與焊縫相平行的直線，供光學傳感器識別和跟蹤，與焊頭同步的光源會對準劃線，傳感器檢測光源位置實現焊縫的對齊，發現跟蹤的好處是技術門檻低、設備成本不高，但這種跟蹤方式主要依賴于劃線精度，劃線工作由專業技術人員進行，而在大型儲罐表面進行精確劃線是非常困難的，這降低了該技術的實用價值。

作為近年來的新興技術，激光跟蹤擁有很強的技術優勢，它通過激光器照射焊縫，再以傳感器識別焊縫的位置和形狀，傳感器與焊槍固定連接，當焊槍位置出現偏差時傳感器就會檢測到位置偏差，并將偏差信號輸送給中央處理器，實現位置的修正。這種跟蹤方式無需在儲罐表面劃線，具備更高的跟蹤精度，也大大降低了輔助工作量，應用前景廣闊。

現階段激光測距跟蹤技術也已逐漸成熟，能夠更加準確地識別焊縫位置，進一步提高焊接精度，將為大型儲罐自動焊接技術的發展提供更多助力。

4 結論

我國大型儲罐自動焊接技術起步較晚，與國外發達國家還有一定的距離，當務之急是努力攻克多絲自動埋弧焊接技術與大電流脈沖自動焊接技術，并研制新型自動焊機，提高我國大型儲罐焊接的自動化水平，以滿足我國石油儲運的需求。