智能化技術(shù)在長輸管道自動焊裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望*

閆 潔，張 倩，楊 琦，馮 帥

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊 065000）

在長輸油氣管道焊接中采用管道自動焊技術(shù)，其環(huán)焊接接頭的強(qiáng)度、韌性等綜合性能優(yōu)良，可顯著提高焊接效率、降低勞動強(qiáng)度，能夠有效保證管道運(yùn)行的安全可靠性，管道自動焊技術(shù)在管道建設(shè)中已日趨成為主流技術(shù)[1]。目前市場上采用的長輸管道自動焊接裝備多為軌道式，配備電弧傳感器或視覺傳感器，可對焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，具有較高的焊接精度，設(shè)備可靠性較強(qiáng)，焊縫美觀，設(shè)備成本較低，在多個國家重點(diǎn)油氣管道工程中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略實(shí)施，面對快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)對能源的需求，管道焊接技術(shù)也正在向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。融合多信息感知技術(shù)、焊接動態(tài)過程識別、信號特征提取以及工藝優(yōu)化等方面的智能化焊接技術(shù)，不僅是現(xiàn)在長輸管道焊接機(jī)器人研究發(fā)展方向，同時也成為推動油氣產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)展質(zhì)變的迫切需要[3-4]。

1 國內(nèi)外管道自動焊接裝備技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)管道自動焊接裝備技術(shù)現(xiàn)狀

隨著管道焊縫跟蹤技術(shù)全面突破，國內(nèi)科研院所和相關(guān)企業(yè)已開始研發(fā)管道全位置自動焊設(shè)備。

（1）中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司在2000 年研發(fā)出第一代PAW 系列管道自動外焊機(jī)，2014 年研制出第二代CPP900 系列管道自動焊裝備，2020 年研制出新一代CPP900-W2N系列管道自動焊裝備（如圖1 所示），采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與國產(chǎn)焊接電源的深度融合和電弧跟蹤技術(shù)的精細(xì)化提升。在中俄東線、唐山LNG 項(xiàng)目、蒙西煤制氣管道項(xiàng)目、廣西支干線、西氣東輸三線等工程中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

圖1 CPP900-W2N管道自動焊接裝備

（2）成都熊谷加世電器有限公司研制出A系列管道自動焊機(jī)，其中A-305 焊機(jī)如圖2 所示，可進(jìn)行管道根焊、預(yù)熱焊、填充焊和蓋面焊，適配GMAW/FCAW-GS/GTAWE 三種焊接工藝。A-305 焊機(jī)還預(yù)留WIFI、掃碼器接口、自動電弧跟蹤功能，可提供遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)與數(shù)據(jù)云端傳輸，便于焊接工程質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)控和管理。

圖2 熊谷A-305單焊炬管道自動外焊機(jī)

（3）艾美特北京公司研發(fā)了基于DT 高精度數(shù)字化控制系統(tǒng)的管道全位置焊接系統(tǒng)，如圖3 所示。通過DT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用數(shù)字直驅(qū)或者模擬信號驅(qū)動方式，可與各種焊管鉗或者全位置焊接機(jī)頭集成，實(shí)現(xiàn)各種尺寸、材質(zhì)、厚度的鋁合金、不銹鋼、碳鋼等材質(zhì)管道全位置焊接。

圖3 DT數(shù)字化控制系統(tǒng)的管道全位置焊接系統(tǒng)

1.2 國外管道自動焊接裝備技術(shù)現(xiàn)狀

（1）美國CRC-Evans 公司研制了管道全位置自動焊機(jī)，圖4 為帶有電弧跟蹤功能的P-625系列自動焊機(jī)，具備自診斷、實(shí)時數(shù)據(jù)記錄、無線傳輸和衛(wèi)星定位功能，能夠在保證高質(zhì)量焊縫的同時最大程度地提高速度，相比CRC-Evans系列以往產(chǎn)品，其質(zhì)量更輕、體積更小[6]。

（2）法國Serimax 公司研制了Saturnax 系列全自動焊系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、焊接工藝管理和集成、簡易的軌道參數(shù)設(shè)置、穩(wěn)定的焊弧和熔池等特點(diǎn)。該公司研發(fā)的最新一代管道自動焊機(jī)如圖5 所示，綜合了30 多年的優(yōu)質(zhì)管道焊接經(jīng)驗(yàn)，更加注重效率、質(zhì)量和靈活性，適用最小外徑168.5 mm的管道[7]。

（3）美國Magnatech公司研制的Pipeliner II焊機(jī)如圖6所示，主要用于進(jìn)行管道與管道、管道與管件的焊接。可互換的導(dǎo)向環(huán)將頭部安裝在管道上，允許工件尺寸范圍為168～1 524 mm，甚至更大。Pipeliner II 焊機(jī)通過增加占空比、降低維修率和提高焊縫穩(wěn)定性來提高生產(chǎn)效率。

圖6 美國Magnatech公司Pipeliner II焊機(jī)

（4）PTL 公司研制的HALO 自動焊系統(tǒng)如圖7 所示，帶有上、下、左、右調(diào)整電機(jī)及可快速拆裝的焊接夾持結(jié)構(gòu)，最大移動速度2 m/min，具備可調(diào)節(jié)參數(shù)的控制軟件和遠(yuǎn)程控制功能，能提供全面定制。

圖7 PTL公司HALO自動焊系統(tǒng)

2 自動化焊接技術(shù)在長輸油氣管道焊接中的適用性分析

2.1 長輸油氣管道焊接

2.1.1 野外現(xiàn)場作業(yè)

管道運(yùn)輸因其經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的優(yōu)勢成為石油、天然氣等基礎(chǔ)能源的主要運(yùn)輸方式。油氣管道在野外建設(shè)，鋪設(shè)過程會穿越高山、峽谷、河流等不同的地形地貌，需要進(jìn)行現(xiàn)場流動焊接施工。流動性施工使其與標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品相比，施工管理、質(zhì)量監(jiān)督的難度更大，焊接質(zhì)量容易受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速變化的影響。

2.1.2 全位置焊接

管道建設(shè)的焊縫主要為對接環(huán)焊縫。由于油氣管道建設(shè)地處野外，且管線長度大，因此難以采用可實(shí)現(xiàn)位置變換的焊接工裝，因此只能在環(huán)縫組對完成后以焊炬繞管道開展360°全位置焊接。

2.1.3 窄小坡口填充

隨著管線鋼強(qiáng)度的提升和管道壁厚的增大，拘束應(yīng)力增加，焊接易導(dǎo)致嚴(yán)重的殘余應(yīng)力甚至裂紋。因此在設(shè)計(jì)焊接工藝時往往需要設(shè)法減小熱量在金屬上的作用范圍。一般做法是預(yù)先在厚壁管道兩側(cè)加工小角度階梯坡口或 U 形坡口[8]，在窄小間隙中完成填充焊接。

2.2 管道焊縫跟蹤技術(shù)

基于電弧傳感的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)具有實(shí)時響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外管道焊接中已有較為成熟的應(yīng)用。雖然電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)在管道焊接領(lǐng)域已有應(yīng)用，但焊縫根部與蓋面層的跟蹤效果較差。激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣、檢測精度高，可有效彌補(bǔ)電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)的不足。兩種焊縫跟蹤技術(shù)的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下方面。

2.2.1 應(yīng)用范圍

電弧傳感焊縫跟蹤的原理是在焊炬擺動過程中實(shí)時檢測焊炬高度方向尺寸變化引起的焊接參數(shù)信號變化，因此只能在焊炬可以正常擺動且焊接部位高度方向有顯著尺寸變化的位置使用。而激光視覺焊縫跟蹤技術(shù)是利用工業(yè)相機(jī)采集激光照射工件后的反射信息，通過分析圖像特征獲得焊炬橫向位置偏離數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)焊接位置糾偏。因此，激光視覺焊縫跟蹤無需保持焊炬擺動或要求焊接區(qū)域高度方向有尺寸變化，在空間受限的位置或坡口深度方向尺寸變化不顯著的位置，如焊縫根部和蓋面層部位，激光視覺焊縫跟蹤技術(shù)將發(fā)揮更大的作用。

2.2.2 檢測精度

電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)將電弧本身作為傳感器的一部分，檢測精度高度依賴于焊接電弧的穩(wěn)定性。而激光視覺跟蹤是通過工業(yè)相機(jī)采集激光照射工件的反射信息，采集位置領(lǐng)先于焊接位置，即前置檢測，采集圖像為待焊接部位的坡口信息，幾乎不受焊接過程穩(wěn)定性的影響，檢測精度更高。

2.2.3 儀器設(shè)備

電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)的傳感器為電弧本身，只需少量控制電路即可實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。而激光視覺焊縫跟蹤采用工業(yè)相機(jī)做視覺傳感器、激光做輔助光源，跟蹤器體積相對較大，設(shè)備需要固定于焊炬上隨焊炬共同運(yùn)動，額外增大了焊炬體積，因此在使用時需要考慮跟蹤器與工件、對口器等其他設(shè)備的干涉情況。

綜合上述分析，在管道焊接過程中，將基于電弧傳感和激光視覺傳感的焊縫跟蹤技術(shù)相互結(jié)合，可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，獲得更好的跟蹤效果。電弧傳感與視覺傳感特征對比見表1。

表1 電弧傳感與視覺傳感特征對比

3 管道自動化焊接技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 管道焊接的智能化升級方向

基于目前較為成熟的智能化焊接技術(shù)，管道焊接的智能化升級主要有以下幾個方向：

（1）采用多傳感器協(xié)同工作提高焊縫跟蹤精度。將電弧和視覺兩種傳感器相互結(jié)合，可選擇采用協(xié)同工作或獨(dú)立工作模式。協(xié)同工作模式下，雙傳感器感知的信息可以相互融合和校正，控制器綜合判定后指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成跟蹤調(diào)控；獨(dú)立工作模式即單開電弧或視覺焊縫跟蹤設(shè)備，在現(xiàn)場環(huán)境和工件坡口狀態(tài)總體良好的情況下，可以選擇單開某一傳感器的跟蹤設(shè)備，節(jié)省能源，同時保證精度。

（2）基于機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)焊接大數(shù)據(jù)感知與智能反饋控制。利用高精度、大存儲、小體積的工業(yè) CCD 攝像機(jī)搭建焊接過程信息視覺感知系統(tǒng)，其主要任務(wù)是完成焊接過程熔池、熔滴、熔透、電弧、焊絲、飛濺、缺陷等多方面信息的感知與實(shí)時存儲。可加入智能反饋控制，如熔透控制、缺陷控制；可組建焊接工藝數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)未來任意時刻對任意焊縫的工藝參數(shù)及過程狀態(tài)信息的追溯；建立故障代碼數(shù)據(jù)庫與遠(yuǎn)程推送數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、工藝參數(shù)自動優(yōu)化匹配與功能模塊自主更新。

（3）借助深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)多信息傳感融合質(zhì)量控制。利用視覺、聲音、電信號等多種傳感器實(shí)時獲知焊接過程的多種特征信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、主成分分析等算法將獲取的復(fù)雜信息根據(jù)不同的焊接特征分類識別，同時剔除冗余信息，然后基于分類數(shù)據(jù)利用 PID、模糊控制等人工智能控制方法實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量控制。

3.2 管道焊接的智能化流程

管道焊接機(jī)器人接受發(fā)出的任務(wù)指令后，開啟焊接起始點(diǎn)尋位功能，激光搜索焊縫，找到焊縫后，反饋控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)焊接起始點(diǎn)位置；到達(dá)起始點(diǎn)后，啟動焊接系統(tǒng)和焊縫跟蹤功能，利用電弧、激光跟蹤結(jié)合的方式進(jìn)行焊縫自主跟蹤，焊接過程中實(shí)時進(jìn)行路徑規(guī)劃。同時，視覺系統(tǒng)還可根據(jù)所測的焊縫尺寸數(shù)據(jù)，計(jì)算所需的焊接參數(shù)，如焊接速度、電弧電壓、焊接電流、擺動幅度等，以此調(diào)用焊接工藝專家?guī)觳⒖刂坪附与娫凑{(diào)整焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的焊接參數(shù)控制。待焊接一周后，激光視覺系統(tǒng)檢測到起弧點(diǎn)，自動重疊焊接一段距離后再熄弧，重復(fù)操作完成多層多道焊接；然后，經(jīng)操作員人工確認(rèn)后，機(jī)器人關(guān)閉焊接系統(tǒng)，之后結(jié)束整個任務(wù)流程。管道焊接的智能化流程如圖8 所示。

圖8 管道焊接的智能化流程

3.3 管道焊接智能化實(shí)施過程中的關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 焊接導(dǎo)引和跟蹤

（1） 焊縫起始點(diǎn)導(dǎo)引。激光視覺系統(tǒng)通過借助自動化標(biāo)定軟件完成激光平面標(biāo)定和手眼標(biāo)定，對主動視覺采集的焊縫原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，最大限度濾除干擾，消除噪點(diǎn)，從而將包含焊縫特征信息的激光條紋從周圍背景中分離出來。通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)序列重建、焊接工件的分割和擬合等步驟，完成對工件模型的擬合，以得到焊縫位置及初始點(diǎn)信息。

（2）多層多道焊縫跟蹤。采用基于主動視覺的坡口特征點(diǎn)信息的提取及識別算法，完成焊縫頂部和焊縫底部特征點(diǎn)識別，利用雙目視覺傳感器對焊接過程中的激光條紋圖像進(jìn)行實(shí)時采集、處理、提取激光條紋中心線和焊縫特征點(diǎn)[9]。

采用基于電弧跟蹤的電流電壓信息采集及特征提取，利用霍爾傳感器獲取焊接過程中的電弧信息，并將之轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號輸出，利用數(shù)據(jù)采集卡接收轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號的電弧信息，發(fā)送給控制系統(tǒng)。分別從時域、頻域、時頻域的角度分析電流、電壓信號與電弧-側(cè)壁距離的相關(guān)性。

采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多源信息融合焊縫跟蹤算法，例如采用Matlab的深度學(xué)習(xí)工具箱和Simulink建立仿真模型，對跟蹤算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并對結(jié)果進(jìn)行分析，最后進(jìn)行焊縫跟蹤驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.3.2 焊接過程質(zhì)量信息化

（1）電弧信息。將電流、電壓等焊接參數(shù)的波動性作為評估焊接缺陷的指標(biāo)，并建立參數(shù)波動和焊接缺陷之間的關(guān)聯(lián)。利用焊接監(jiān)測系統(tǒng)，將電弧焊接中焊接參數(shù)設(shè)定值與實(shí)際焊接參數(shù)值進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)焊接過程可追蹤，實(shí)時判斷是否出現(xiàn)焊接缺陷以及缺陷類別。

（2）熔池監(jiān)測。運(yùn)用雙目視覺中的被動視覺功能，實(shí)時獲取正面熔池圖像。運(yùn)用圖像處理方法即可獲知當(dāng)前熔池尺寸，直觀判定當(dāng)前焊接質(zhì)量[10]。通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熔池監(jiān)控，將處理后的圖像信息傳輸給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識別，最后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的信息控制焊接機(jī)器人做出相應(yīng)的缺陷評估操作。

4 結(jié)論與展望

智能化焊接技術(shù)在汽車及其零部件制造與裝配、食品行業(yè)的生產(chǎn)輸送及包裝、電子電器生產(chǎn)線產(chǎn)品輸送、物流倉儲等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，管道自動化焊接也必然要向智能化發(fā)展。管道焊接的智能化升級可圍繞采用多傳感器協(xié)同工作提高焊縫跟蹤精度、基于機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)焊接大數(shù)據(jù)感知與智能反饋控制、借助深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)多信息傳感融合質(zhì)量控制開展研究，采用視覺傳感方法監(jiān)測熔池形貌并獲取焊后焊縫界面輪廓信息，實(shí)現(xiàn)在線焊接質(zhì)量和焊后焊接質(zhì)量信息化。以上技術(shù)的研究將為推進(jìn)管道焊接施工水平的升級換代提供助力，為傳統(tǒng)能源運(yùn)輸行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供重要保障。