淺談螺旋縫埋弧焊鋼管制造技術(shù)

陳巍 吳棟 徐穎 徐慶艷

摘要：在整個(gè)300年的工業(yè)化過程中，促進(jìn)制造智能是一個(gè)重要的新工業(yè)革命機(jī)遇，也是產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然選擇。本文介紹了國內(nèi)外螺旋縫埋弧焊鋼管制造技術(shù)，介紹了螺旋縫埋弧焊鋼管制造技術(shù)現(xiàn)狀，并分析了焊管生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)“黑燈工廠”的需要研究克服的關(guān)鍵技術(shù)問題。期待螺旋埋弧焊管工業(yè)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：螺旋縫埋弧焊鋼;智能制造;焊接

一、螺旋縫埋弧焊管制造技術(shù)現(xiàn)狀分析

在19世紀(jì)，美國首先發(fā)明了螺旋埋弧焊管方法的加工方法，成型和焊接同時(shí)進(jìn)行。自改革開放以來，隨著我國的石油行業(yè)的發(fā)展，中國石油和天然氣資源的發(fā)展促進(jìn)了石油和氣體管道輸送線路的建設(shè)。近年來，隨著川氣東送管道工程、西氣東輸管線工程、陜京輸氣管線、鄂爾多斯-安平-滄州輸氣管道工程、新疆煤制天然氣外輸管道工程等大型國家油氣管道工程的建設(shè)，我國螺旋焊接管技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，所有鋼管及原材料卷板實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

二、 螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)線技術(shù)

2.1自動(dòng)焊接工藝進(jìn)步

螺旋埋弧焊管的生產(chǎn)過程分為一步法和兩步法。一步法生產(chǎn)過程是指在同一生產(chǎn)線上成型和焊接同步完成。而兩步法生產(chǎn)過程中成型與焊接是獨(dú)立分離的。由于成型和焊接的分離，降低了成型過程熱軋卷板變型對(duì)焊接的不利影響，因此可以優(yōu)化鋼管工藝參數(shù)，從而鋼管的幾何形狀、內(nèi)在焊縫質(zhì)量提升一個(gè)層次。

2.2 前擺式與后擺式比較

前擺式機(jī)組的工藝特性：所有器件安裝在可擺動(dòng)的前橋上，包括開卷，矯平、銑邊、板頭切割、對(duì)頭焊接、遞送等工序，特點(diǎn)是通過前橋擺動(dòng)調(diào)節(jié)成型角度，前擺式機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是各工序設(shè)備集中度高，工序緊湊，調(diào)整變化方便快捷;缺點(diǎn)是由于卷板的限制，卷板與卷板需要單獨(dú)停機(jī)對(duì)接，來保證后續(xù)生產(chǎn)的問題，頻繁停機(jī)的過程影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和整體的工作效率。后擺式機(jī)組的工藝特性：工藝制備段設(shè)備安裝在飛焊卡車上，其特征在于通過調(diào)整可旋轉(zhuǎn)后橋來實(shí)現(xiàn)成型角度的調(diào)節(jié)，同時(shí)飛焊車的存在，解決了卷板與卷板對(duì)接過程的停機(jī)等待，可實(shí)現(xiàn)不間斷生產(chǎn)。

2.3生產(chǎn)線裝備發(fā)展

我國的鋼管制造能力能夠滿足國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，完全符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過改進(jìn)工藝設(shè)備，應(yīng)用新的技術(shù)手段，不斷提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化水平。近年來，螺旋埋弧焊管工業(yè)在以上領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些推動(dòng)鋼管制造能力的成果。

2.3.1焊接區(qū)域集中控制系統(tǒng)

在生產(chǎn)過程中，員工需要佩戴粉塵面具和隔音耳塞，工作環(huán)境相對(duì)嘈雜，同時(shí)需要多人協(xié)作、多點(diǎn)實(shí)時(shí)操作設(shè)備。目前業(yè)內(nèi)已成功開發(fā)成型焊接遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成銑削，成型，內(nèi)部和外部焊接，切割管，運(yùn)輸管理等工序，而且系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，響應(yīng)快速。如圖1所示：

2.3.2板邊自動(dòng)跟蹤

基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，開發(fā)內(nèi)外焊接自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，跟蹤效果良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，適用于所有規(guī)格的螺旋焊接管。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是基于對(duì)卷板輸送側(cè)的偏移測量，在PLC算法計(jì)算之下，可以精確地計(jì)算轉(zhuǎn)移側(cè)變化焊點(diǎn)位置所需的運(yùn)動(dòng)量。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用，它可以實(shí)現(xiàn)彎曲和卷板外形尺寸的極端情況下零誤差，跟蹤精度為±0.1毫米。

2.3.3鋼管周長實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)

自動(dòng)識(shí)別設(shè)備在鋼管完成變形后，獲取鋼管的實(shí)時(shí)位置，在處理PLC程序算法后，實(shí)現(xiàn)和顯示成形鋼管周長等相關(guān)數(shù)據(jù)，測量精度為±1 mm，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，消除了手動(dòng)測量的安全問題和質(zhì)量可靠性問題，并確保鋼管圓周的一致性，為后續(xù)工程施工對(duì)接提供方便。

三、制管生產(chǎn)工廠對(duì)比“黑燈工廠”的差距分析

3.1“黑燈工廠”的定義

“黑燈工廠”即智慧工廠，這種生產(chǎn)模式解決了人工無法連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)精度因人而異的瓶頸問題，降低了高級(jí)操作工的依賴度，大大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量的穩(wěn)定性。在中國，制造企業(yè)正在經(jīng)歷一種使用機(jī)器人替代人工以及自動(dòng)化改造生產(chǎn)裝備的過程，以降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化工藝過程，提高生產(chǎn)效率。在芯片、半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)大范圍進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)于制管生產(chǎn)工廠這類大型裝備制造企業(yè)的“黑燈工廠”模式還在探索中，但依然是未來發(fā)展的趨勢。

3.2 技術(shù)難題

為改變國內(nèi)螺旋焊弧焊管制造業(yè)的現(xiàn)狀，基于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化升級(jí)，進(jìn)一步通過智能化、信息化研發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)“黑燈工廠”，仍需要關(guān)注以下問題。

（1）X射線無損檢測過程，經(jīng)過設(shè)備工藝的提升，目前主流的檢測通過數(shù)字成像的形式再現(xiàn)焊縫的內(nèi)在質(zhì)量情況，一定程度上替代了膠片拍片的低效率和不穩(wěn)定性，但是智能評(píng)定系統(tǒng)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，除了后臺(tái)數(shù)據(jù)庫對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)缺陷和樣片的積累外，應(yīng)用先進(jìn)的算法捕捉成像中的特點(diǎn)逐步提高判斷精度，完全替代人工評(píng)判是一個(gè)發(fā)展方向。對(duì)于發(fā)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)確定位并進(jìn)行有效標(biāo)識(shí)，對(duì)后續(xù)焊接修補(bǔ)工序來講是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

（2）超聲波無損檢測過程，該工序通過自動(dòng)探傷設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波形記錄和缺陷識(shí)別，參照X射線無損檢測的技術(shù)進(jìn)步，仍需要對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)缺陷和波形反饋樣片的積累。另外，探傷設(shè)備在運(yùn)行過程中探頭的消耗和精度降低，行進(jìn)位置偏離帶來的錯(cuò)誤波形反饋也應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)化干預(yù)和識(shí)別，提高自動(dòng)評(píng)判的準(zhǔn)確性。對(duì)于發(fā)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)確定位并進(jìn)行有效標(biāo)識(shí)，對(duì)后續(xù)焊接修補(bǔ)工序來講是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

（3）焊接修補(bǔ)工序過程，目前通過人工定位的方式，由經(jīng)驗(yàn)豐富的焊接技師進(jìn)行缺陷去除并修補(bǔ)，焊接修補(bǔ)工作已經(jīng)可以通過自動(dòng)焊接設(shè)備完成，但是缺陷定位的準(zhǔn)確性以及標(biāo)識(shí)的設(shè)備準(zhǔn)備識(shí)別還需要進(jìn)一步研究。通過無損檢測過程發(fā)現(xiàn)的缺陷，識(shí)別過程中進(jìn)行三維模擬，定位缺陷在母管的準(zhǔn)確位置，修補(bǔ)工作時(shí)通過前置環(huán)境三維定位，由機(jī)械手臂按照指定坐標(biāo)位進(jìn)行操作。修補(bǔ)完成后自動(dòng)返回?zé)o損檢測工位，進(jìn)行修補(bǔ)效果檢驗(yàn)。

四、總結(jié)

隨著中國工業(yè)技術(shù)的持續(xù)加強(qiáng)，伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步、信息工業(yè)的發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用以及人工智能、深度學(xué)習(xí)的快速成熟，作為傳統(tǒng)加工制造行業(yè)的螺旋埋弧焊管行業(yè)也必將迎來更大的變革，不斷降低生產(chǎn)制造成本、低碳、環(huán)保、智能、高效，向智能化、自動(dòng)化、信息化轉(zhuǎn)變，終將實(shí)現(xiàn)“黑燈工廠”。

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