李多云

國家管網(wǎng)集團(tuán)甘肅公司酒泉維搶修中心

摘要：傳統(tǒng)管道搶修中人工下料精度低、耗時久，焊接易受坡口組對質(zhì)量、參數(shù)設(shè)置等影響，導(dǎo)致?lián)屝扌�率低下、焊接合格率不高。本文以三維激光掃描全自動下料系統(tǒng)和熊谷A-302全自動焊機(jī)為核心設(shè)備，探索全自動下料與全自動焊接技術(shù)在管道搶修中的協(xié)同應(yīng)用效果，針對傳統(tǒng)搶修作業(yè)的痛點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場搶修場景中存在的問題，提出針對性解決方案。實(shí)踐表明，全自動下料可縮短作業(yè)時長、精簡作業(yè)人員，搶修效率提升80%以上，且為焊接提供標(biāo)準(zhǔn)坡口與組對間隙，使管口焊接合格率達(dá)98%。全自動焊接通過優(yōu)化焊槍停留時長、擺動加速度等參數(shù)，有效解決坡口角度差、焊道不均等問題，減少焊接缺陷。全自動下料與全自動焊接技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，能顯著提升管道搶修的效率與質(zhì)量，為大口徑油氣管道應(yīng)急搶修提供可靠技術(shù)支撐，具有廣泛推廣價值。

關(guān)鍵詞：全自動下料；全自動焊接；管道搶修；焊接合格率

傳統(tǒng)管道搶修作業(yè)管道下料環(huán)節(jié)依賴人工測量與焊接切割，受操作人員技術(shù)水平、現(xiàn)場環(huán)境等諸多因素影響，測量精度和切割效率低，且人工修磨坡口很難精準(zhǔn)控制角度使得組對間隙也不穩(wěn)定，導(dǎo)致傳統(tǒng)熔化極氣體保護(hù)焊的焊接作業(yè)出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，管口焊接合格率僅為85%左右，從而影響搶修質(zhì)量與進(jìn)度。本文旨在探索全自動下料與全自動焊接技術(shù)在管道搶修中的協(xié)同應(yīng)用模式，制定全自動下料系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，解決全自動焊接作業(yè)中坡口角度不對稱、焊道寬窄不均、焊層厚度不均等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)技術(shù)在管道搶修中的協(xié)同應(yīng)用，提升管道搶修的效率與質(zhì)量。

1  應(yīng)用研究

首先，梳理傳統(tǒng)搶修作業(yè)中管道下料與焊接環(huán)節(jié)的主要問題。然后，針對全自動下料系統(tǒng)制定標(biāo)準(zhǔn)化操作流程；針對焊接作業(yè)中坡口角度不對稱、焊道寬窄不均等問題，通過全自動焊接作業(yè)優(yōu)化方案加以解決。最后，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性與有效性。

1.1  問題分析

傳統(tǒng)下料環(huán)節(jié)由人工進(jìn)行測量與焊接切割，一般測量精度偏低，通常誤差在1 mm以上，并且切割效率低，比如完成一段管徑DN 813管道的下料需4小時左右，還需多人協(xié)同作業(yè)。傳統(tǒng)焊接作業(yè)環(huán)節(jié)多采用熔化極氣體保護(hù)焊，對坡口角度、組對間隙等要求較高，但人工修磨坡口很難精準(zhǔn)控制角度，如標(biāo)準(zhǔn)要求單邊坡口角度23.5°±1.5°，實(shí)際偏差常達(dá)3°～5°；組對間隙也不穩(wěn)定，如標(biāo)準(zhǔn)要求2.5 mm～4.5 mm，實(shí)際作業(yè)中常為3.0 mm～6.5 mm；此外還存在焊層厚度不均勻和保護(hù)氣體比例不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求等問題，導(dǎo)致焊接作業(yè)出現(xiàn)焊肉過高、熔合不良、夾渣等質(zhì)量缺陷，管口焊接合格率僅為85%左右。

1.2  設(shè)備選型與參數(shù)確定

全自動測量下料設(shè)備選用基于三維激光掃描的自動測量下料系統(tǒng)，支持DN200—DN1200管徑范圍，最大加工速度15 m/min，可兼容碳鋼、不銹鋼等多種管材。全自動焊接設(shè)備選用熊谷A-302全自動外焊機(jī)，該設(shè)備由焊接工作站、焊接小車組成，焊材為藥芯金屬焊絲，保護(hù)氣體為CO2和Ar2混合氣體（標(biāo)準(zhǔn)比例20%CO2+80%Ar2）。

在焊接作業(yè)前，根據(jù)搶修實(shí)際需求確定設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)。全自動下料時切割速度根據(jù)管材材質(zhì)設(shè)定（碳鋼管道切割速度設(shè)為200 mm/min），預(yù)熱時間根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整（常溫下設(shè)為200 s）。全自動焊接時焊接電流峰值根據(jù)管材厚度調(diào)整（如12 mm厚碳鋼管道，峰值電流設(shè)為280 A），行走速度控制在30 cm/min～50 cm/min。

1.3  全自動下料標(biāo)準(zhǔn)化操作流程制定

（1）準(zhǔn)備工作。在管件上畫好管道中線和圓周向基準(zhǔn)線，確定兩端零位點(diǎn)，零位點(diǎn)與管道邊緣預(yù)留切割距離不少于100 mm；安裝切割導(dǎo)軌，根據(jù)管道直徑選擇匹配規(guī)格，確保導(dǎo)軌外邊緣與零位點(diǎn)間距為250 mm~350 mm；安裝主機(jī)，將鏈輪調(diào)至最低位置后安放主機(jī)；連接線纜并接通電源；調(diào)節(jié)割炬角度，安裝畫針并對準(zhǔn)零位點(diǎn)，按數(shù)控系統(tǒng)F3鍵歸零，設(shè)置切割速度、預(yù)熱時間、管直徑等參數(shù)。

（2）管道掃描及數(shù)據(jù)計算。將激光掃描儀置于管端中間（圖 1），開機(jī)后設(shè)置掃描參數(shù)（分辨率28.0 MPts/3x，掃描范圍360°/﹣60°～90°）并啟動掃描（掃描時間約1 min 39 s），掃描過程中避免人員或物體遮擋。掃描完成后導(dǎo)出掃描數(shù)據(jù)至SCENE軟件，生成三維模型并導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖 1 管道掃描示例 

（3）切割指令生成與作業(yè)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入自動測量下料系統(tǒng)，創(chuàng)建工程并輸入?yún)��?shù)，系統(tǒng)自動處理數(shù)據(jù)；進(jìn)行指令計算，導(dǎo)出上下游端面切割指令，通過U盤將指令導(dǎo)入數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)。在切割機(jī)上，選擇U盤文件并復(fù)制到本機(jī)，運(yùn)行切割程序。

1.4  全自動焊接問題解決方法

（1）坡口角度不對稱問題。針對維搶修中管道坡口角度差大于2°的問題，需要調(diào)整焊槍左右停留時長。利用焊接工作站的控制系統(tǒng)窗口（圖 2），根據(jù)坡口角度差值計算停留時長調(diào)整量，如坡口角度每小于標(biāo)準(zhǔn)值1°，停留時長減少10 ms，最大減少量不超過35 ms。

圖 2 焊槍左右停留時長調(diào)整窗口 

（2）焊道寬窄不均勻問題。由于組對間隙變化不均，導(dǎo)致焊道寬窄不一，需調(diào)整焊槍擺動加速度。在焊接前，用焊縫檢測尺測量焊道寬窄并標(biāo)記，打開控制系統(tǒng)“擺動加速度”對話框，按“寬窄變化每1 mm對應(yīng)2～3個加速度當(dāng)量”的原則調(diào)整參數(shù)。如某段焊道寬窄從3 mm變化到5 mm，變化量為2 mm，將擺動加速度在原有基礎(chǔ)上增加4~6個當(dāng)量，提高焊槍擺幅變化的靈敏度，避免焊道兩邊墜肉或坡口未熔合。

（3）焊層厚度不均勻問題。根焊層厚度不均勻（差異達(dá)0 mm～3.5 mm）會導(dǎo)致導(dǎo)電嘴干絲長度變化，進(jìn)而引發(fā)焊接參數(shù)波動。解決方法分兩步：一是在氬弧焊熱焊階段，根焊完成后用檢測尺分段測量厚度，在焊道窄處增加送絲量以增厚填充層，寬處減少或不送絲，熱焊后確保焊層厚度控制在5 mm～6 mm，若超出范圍則打磨修補(bǔ)；二是定期檢查導(dǎo)電嘴，若出現(xiàn)燒損，立即停機(jī)，對可能“滲銅”的位置徹底打磨清理，補(bǔ)焊后再繼續(xù)焊接，防止產(chǎn)生“滲銅”裂紋。

（4）保護(hù)氣體比例影響問題。保護(hù)氣體中CO2比例過高或過低都會影響焊接質(zhì)量，一般保護(hù)氣體廠家提供的混合氣體CO2比例為20±5%。因此在焊接前需使用氣體分析儀復(fù)檢混合氣體比例，確保CO2比例在20±1.5%范圍內(nèi)。

1.5  協(xié)同應(yīng)用驗(yàn)證方法

某DN1016碳鋼管道、破損長度1.5 m的搶修現(xiàn)場，采用上述全自動下料與全自動焊接技術(shù)進(jìn)行搶修作業(yè)，記錄下料時間、焊接時間、人員數(shù)量、焊接缺陷率等數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)搶修方式對比，驗(yàn)證應(yīng)用效果。同時，在不同管徑（DN 559、DN 813、DN 1219）、不同環(huán)境溫度（﹣10℃、25℃、40℃）下進(jìn)行多次試驗(yàn)，分析技術(shù)的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。

2  應(yīng)用效果

2.1  全自動下料應(yīng)用效果

（1）效率提升。在DN 1016管道現(xiàn)場搶修中，全自動下料系統(tǒng)從測量到完成切割僅用1.8小時，相較于傳統(tǒng)人工下料4小時縮短作業(yè)時長55%；作業(yè)人員僅需2人，比傳統(tǒng)人工下料減少人員50%。在不同管徑試驗(yàn)中， 管徑DN 559、DN 813 、DN 1219分別用時1.2小時、1.5小時、2.0小時，平均作業(yè)效率較傳統(tǒng)方式提升80%以上。

（2）精度提升。全自動下料系統(tǒng)測量精度達(dá)±0.1 mm，切割誤差≤0.3 mm，能精準(zhǔn)控制坡口角度與組對間隙。在DN 1016管道試驗(yàn)中，單邊坡口角度偏差控制在1°以內(nèi)，組對間隙穩(wěn)定在3.0 mm～4.0 mm，完全符合全自動焊接的工藝要求。

全自動下料技術(shù)憑借三維激光掃描的高精度與AI算法的智能規(guī)劃，能有效解決傳統(tǒng)人工下料精度低、效率低的問題，為全自動焊接提供標(biāo)準(zhǔn)的坡口與組對間隙，是提升管道搶修質(zhì)量的前提保障。其標(biāo)準(zhǔn)化操作流程（從準(zhǔn)備工作到切割作業(yè)）具有較強(qiáng)的可操作性，適用于不同管徑、不同環(huán)境下的管道搶修場景。

2.2  全自動焊接應(yīng)用效果

（1）焊接缺陷減少。焊接后檢測結(jié)果顯示，通過調(diào)整焊槍停留時長、擺動加速度等參數(shù)，坡口兩側(cè)焊肉高度差從傳統(tǒng)焊接的2 mm降至0.5 mm以內(nèi)，并且無熔合不良現(xiàn)象；焊道兩邊墜肉量從1.5 mm減少至0.3 mm，未出現(xiàn)未熔合缺陷。通過控制保護(hù)氣體比例（CO2比例20±1.0%）和搭建防風(fēng)棚，有效減少氣孔、夾渣等缺陷，焊接缺陷率降至2%以下。

（2）焊接質(zhì)量與效率提升。全自動焊接技術(shù)的焊接速度可達(dá)60 cm/min，相較于傳統(tǒng)人工焊接的30 cm/min，速度提升100%。在DN 1016管道焊接中，經(jīng)無損檢測（射線檢測、超聲檢測），抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的95%以上，沖擊韌性在﹣20℃時仍能滿足使用要求，管口焊接合格率達(dá)98%。

全自動焊接技術(shù)通過智能控制系統(tǒng)對焊接參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控，能有效應(yīng)對管道搶修中坡口角度差、焊道不均等問題，減少焊接缺陷，提升焊接質(zhì)量與效率。

2.3  協(xié)同應(yīng)用效果

在DN 1016管道搶修中，全自動下料系統(tǒng)與全自動焊接技術(shù)協(xié)同應(yīng)用，從故障發(fā)現(xiàn)到搶修完成總時長縮短50%；搶修作業(yè)人員減少50%。搶修完成后，管道一次性試壓合格，無泄漏現(xiàn)象。此外，在不同管徑試驗(yàn)中，協(xié)同應(yīng)用均能高效完成搶修，且隨著管徑增大，效率優(yōu)勢更加明顯。如DN 1219管道傳統(tǒng)搶修需16小時，而協(xié)同應(yīng)用僅需7小時。兩者協(xié)同應(yīng)用可以形成“精準(zhǔn)下料與高質(zhì)量焊接”的一體化搶修模式，提升管道搶修的整體效率與質(zhì)量。

3  結(jié)語

研究表明，全自動下料與全自動焊接技術(shù)在管道搶修中具有十分重要的的應(yīng)用價值，能將管道搶修時間縮短50%以上，人員數(shù)量減少50%，管口焊接合格率提升至98%，大幅降低了管道停輸帶來的經(jīng)濟(jì)損失與安全風(fēng)險。本文制定的全自動下料標(biāo)準(zhǔn)化操作流程和提出的全自動焊接作業(yè)優(yōu)化方案經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，具有可行性與有效性，可直接應(yīng)用于管道搶修作業(yè)中。此外，全自動下料與全自動焊接技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用還可拓展至不銹鋼等其他材質(zhì)管道的搶修作業(yè)，且隨著管徑增大，其效率與質(zhì)量優(yōu)勢更加突出，尤其適合大口徑油氣管道的應(yīng)急搶修。實(shí)際管道搶修作業(yè)中，應(yīng)充分考慮管道搶修的特殊性，如管道應(yīng)力變形導(dǎo)致的坡口不規(guī)則、現(xiàn)場空間受限影響設(shè)備安裝等問題。通過優(yōu)化設(shè)備安裝方式、靈活調(diào)整參數(shù)，確保技術(shù)穩(wěn)定應(yīng)用。

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作者簡介：李多云，1998年生，二級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)任酒泉維搶修中心搶修技術(shù)崗，現(xiàn)研究方向?yàn)殚L輸管道搶修、焊接工藝優(yōu)化與故障診斷工作，管道現(xiàn)場應(yīng)急作業(yè)技術(shù)攻關(guān)等。聯(lián)系方式：19993736262，lidy09@pipechina.com.cn。