小口徑管道焊接用機械化安裝充氣背保護系統設計

張田利，李春潤，何亞章，張建護，劉 劍

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

現有國內油氣集輸用不銹鋼等金屬/雙金屬復合管道，在現場焊接施工中主要采用SMAW/TIG等焊接方法，這些方法均需要采用氬氣或氮氣背保護工藝[1]。因此，開發了一套適應小口徑管道的可機械化安裝的局部封堵裝置和具有焊縫背部視覺檢查功能的焊接充氣背保護系統，以提高不銹鋼等金屬/雙金屬復合管道的焊接施工質量和效率。

1 現有管道焊接充氣背保護裝置及其應用

根據焊接接頭位置和結構以及施工環境和需求的不同，不銹鋼等金屬/雙金屬管道焊接充保護氣背保護施工方法主要有整管封堵和局部封堵兩種。整管封堵方法工裝簡單，只需管道兩端安裝封堵通氣擋板即可，但不足之處是保護氣用量大、置換時間長、保護氣體純度不易保證。局部封堵方法，是以局部封堵裝置封堵管道內焊口處的局部管段，而后充保護氣進行背保護焊接的方法，該方法雖然工裝相對復雜，需制作和安裝局部封堵裝置，但其保護氣置換時間短，用量小，保護效果好，經濟性優于整管封堵，因此在管道焊接施工中被廣泛和優先采用。現有局部封堵裝置主要有水溶紙/水溶紙膠封堵、橡膠板封堵、橡膠氣球封堵、不銹鋼或銅拖罩氬氣室封堵等形式[2]。

目前國內油氣集輸不銹鋼等金屬/雙金屬復合管道現場焊接施工中，單根管長6 ～12 m 的中小口徑管段的對接環縫焊接工作量最大，其焊接充氣背保護多采用局部封堵法。對于內徑≥150 mm 的管道，采用現有氣動或電動爬行局部封堵裝置可實現機械化局部封堵；對于內徑＜150 mm 的管道，現在多采用人工安裝、拆卸簡易的局部封堵裝置。

管道簡易局部封堵裝置的典型結構如圖1所示[3]，主要由帶孔中心鋼管（金屬拉桿）以及固定于帶孔中心鋼管兩端的圓形橡膠堵板構成。其使用方式為：人工推拉帶孔中心鋼管，將封堵裝置送至管內焊口處；通過兩端橡膠堵板定位封堵裝置，并封住中間含有焊口的局部內管段；焊口外側用封帶封住，并留排氣孔，形成背保護氣室；保護氣通過氣管經帶孔中心鋼管氣孔送入背保護氣室，置換出其中空氣，并持續通保護氣焊接，實現焊縫的背部保護。其主要不足之處：采用彈性橡膠堵板封堵定位，封堵不嚴，易產生焊接背保護不良和氬氣浪費，推拉時與管內壁發生滑動摩擦，阻力大，易磨損，會污損管道內壁，封堵位置調整困難；人工安裝、拆卸，勞動強度大，效率低，安裝質量不易保證。

圖1 管道簡易局部封堵裝置示意

焊后用內窺鏡進行焊縫背部質量檢查是及時發現并處理焊縫背部缺陷，保障施工進度的有效手段[4]。該檢查方式是在局部封堵裝置拆除后，再將內窺鏡送至管道內環焊縫背部進行遠程攝像觀察。檢查的目標是焊縫背部顏色、成型和表面缺陷等情況，并據焊縫背部顏色進行焊縫背部氧化評價。焊縫背部顏色以銀白色為最佳，金黃色和藍色為合格，灰色和黑色為不合格[5]。

2 機械化安裝充氣背保護系統設計

2.1 系統設計方案

針對現有小口徑不銹鋼等金屬/雙金屬復合管道焊接用局部封堵充氣背保護裝置的不足、現場施工需求和現有技術條件，確定系統設計方案為：

（1）系統適用對象為內徑不小于60 mm、單根管段長不大于24 m（二接一管段）的管道環縫對接焊接。

（2）管內局部封堵采用彈性氣囊封堵方式。利用充氣脹起彈性氣囊對管道各種不規則形狀具有優良的自適應性，保證了局部封堵的嚴密性，提高焊口背充氬保護的效果。

（3）采用外置的驅動機構推拉長桿移動局部封堵裝置，簡化和減小局部封堵裝置結構和外形尺寸，使系統可適應更小的管道內徑；通過機械化安裝、拆卸，降低工人勞動強度，提高局部封堵效率和質量。

（4）采用可盤卷長柔性推拉桿方案，以減小系統操作所需作業面，實現對局部封堵裝置的連續快速推拉和位置調整。

（5）采用將攝像頭組件集成于局部封堵裝置中，使其具有焊后及時對焊縫背部進行攝像的功能，以加強對焊縫背部質量的檢驗和控制，提高焊接質量和檢驗效率。

2.2 系統設計

機械化安裝充氣背保護系統的設計如圖2所示，其主要由帶攝像頭局部封堵裝置、柔性纜桿、推送機構、盤卷機構、保護氣源、空氣抽打裝置、系統電/氣控制箱和顯示控制終端等8 個功能模塊構成。另外該系統采用將系統功能模塊全部安裝于系統支架上的方式進行撬塊化設計，以便于系統的現場使用和管理。

圖2 機械化安裝充氣背保護系統

2.2.1 帶攝像頭的局部封堵裝置設計

帶攝像頭的局部封堵裝置是系統的核心模塊，用于焊口的局部封堵、充氣背保護和內焊縫攝像。其結構如圖3所示，其中心管架由兩端2 組封堵氣囊和滾動支撐架托承，攝像頭組件固定于管架前端，空氣/保護氣管和攝像頭電纜藏于管架中的細長空腔內，設計緊湊，適用于小口徑管道。

圖3 帶攝像頭的局部封堵裝置

裝置的雙封堵氣囊設計采用彈性環狀空氣氣囊，在裝置需移動時可抽癟，使之貼附在中心管架上與管壁無接觸，減小裝置移動阻力，避免氣囊磨損和污損管道內壁。可在裝置移動到位后，使兩氣囊充氣膨脹，實現裝置定位，封住中心管架與管內壁的間隙及2 個氣囊間的管段，實現焊口內管段的局部封堵；可自動校正中心管架與管道軸線的同軸度，從而減小攝像頭旋轉時與管內壁的距離變化，便于攝像頭自動調焦和攝像。

裝置采用雙滾動支撐架托承設計，使裝置能以滾動平移方式在管腔內低阻力快速平穩移動。滾動支撐架采用3 個圓弧塊夾3 個滾輪，滾輪部分輪體臥于中心管架中，以減小裝置外徑，使其能適應更小內徑的管道。

攝像頭采用定制的可遠程操控的小型集成工業攝像頭組件。攝像頭徑向偏置，軸向可360°旋轉，水平可大于180°旋轉，并具有480 線高分辨率彩色圖像傳感器、高亮度LED 照明光源和自動調焦功能，以滿足在空間狹窄黑暗的小口徑管道內的小焦距焊縫背部全表面攝像要求以及視覺檢查圖像像質要求。

攝像頭組件置于中心管架前端，使攝像頭前向和周向無遮擋，實現封堵裝置可視化輔助安裝和焊縫背部全表面連續攝像，可使攝像頭組件焊接時遠離高溫區，避免其受熱損壞。

2.2.2 柔性纜桿設計

柔性纜桿的設計如圖4所示。其采用中等硬度和挺度的彈簧管作為主體，使纜桿既能彎曲盤卷又能在放松時恢復良好的平直度；在承載拉力和壓力時，可保證纜桿不會被拉散或過度彎曲，能使纜桿提供推拉封堵裝置所需的推力和拉力。彈簧管外裹耐磨彈性護套增強彈簧管的整體性，避免其盤卷時相互卡嵌，并減小纜桿拖動時與管內壁的摩擦。連接帶攝像頭的局部封堵裝置的空氣/保護氣管和攝像頭電纜穿于纜桿中，可避免纜桿推拉時其受力損壞或外露磨損。

圖4 柔性纜桿

2.2.3 纜桿推送機構設計

纜桿的推送機構是推送柔性纜桿的主驅動機構，也用于纜桿回拉操作，其設計如圖5所示。采用2 個驅動輪組同時推拉纜桿的雙驅設計，以提高纜桿推拉的穩定性和可靠性。2 個驅動輪組相同，采用單伺服電機驅動同步帶機械同步方式，以保證其工作的同步性。2 個驅動輪組間還設計有位置可調的反彎頂輪，可矯正柔性纜桿彎曲，微調纜桿送入鋼管的角度。

圖5 纜桿推送機構

2.2.4 纜桿盤卷機構設計

纜桿盤卷機構是柔性纜桿的回拉盤卷主驅動機構和存儲機構，也用于纜桿的輔助推送，其設計如圖6所示。

圖6 纜桿盤卷機構

機構采用卷盤平置，以精準控制減速伺服電機驅動卷盤底部的大直徑圓環齒條，使大載荷卷盤轉動，此機構具有良好的纜桿盤卷力和卷盤旋轉操控性。機構中設計有導向排纜裝置，通過對排纜伺服電機的自動控制使纜桿送入卷盤位置，并隨卷盤的轉動而自動周期性地上下移動，將纜桿規整地卷于卷盤上；設計了纜桿彈性壓緊和卷盤阻尼裝置，可避免已盤卷的纜桿松散和卷盤因纜桿彈力的非受控而亂動。

2.2.5 系統電/氣控制設計

系統電/氣控制主要包括纜桿推送盤卷協調，空氣、保護氣和攝像功能等控制，除攝像功能控制外，均采用操作指令及其控制參數由控制終端輸入、PLC 可編程控制器集中分析處理和控制相應執行部件的集散控制模式。系統設計如圖7所示。

圖7 系統電/氣控制框圖

（1）纜桿推送盤卷協調控制。采用纜桿推送、卷盤和排纜3 個伺服電機各由1 個伺服驅動器控制的方式，3 個伺服驅動器由PLC 可編程控制器協調控制，使3 個電機以速度/位置/轉矩復合控制方式協調工作，從而使纜桿推送機構和盤卷機構協調動作，此系統能以手動/自動推送和手動/自動盤卷等工作模式推拉和盤卷纜桿，帶動局部封堵裝置平穩移動。纜桿推送時，推送機構推送纜桿，使卷盤順時針旋轉，將纜桿從卷盤放出，經排纜裝置有規律地送入推送機構，由卷盤和排纜電機配合纜桿推送電機協調工作；纜桿盤卷時，卷盤逆時針旋轉，使推送機構回拉纜桿，纜桿經排纜裝置有規律地送入卷盤，將纜桿規整有序盤卷，由纜桿推送和排纜電機配合卷盤電機協調工作。纜桿自動推送/盤卷工作模式的控制（即以預設長度進行推送/盤卷纜桿的自動控制），是通過PLC 對纜桿推拉長度計量器（與從動彈性壓緊弧形槽輪連接）的自動設定、讀取和比較分析，以及對纜桿盤卷和推送機構的自動操控來實現的。

（2）空氣控制。主要是對由微型抽打氣泵、與氣泵抽氣/排氣口相聯接的3 位電磁換向閥和設置于空氣管路上的空氣壓力傳感器構成的空氣抽打裝置進行控制。通過電磁換向閥控制，改變系統空氣管路與氣泵抽氣口/排氣口的連通方式，實現空氣抽打裝置抽氣/打氣/封閉工作模式的切換；根據空氣壓力傳感器反饋，實現封堵氣囊抽吸和充脹壓力自動控制。

（3）保護氣控制。流量通過保護氣源上的手動流量控制閥控制，通/斷通過對設置于保護氣管路上的電磁開關閥進行控制。

（4）攝像功能控制。包括攝像頭的水平角度調整、軸向旋轉、調焦對焦、光源開/關和圖像的傳輸/顯示/存儲等控制，通過對攝像頭組件配套液晶觸摸屏顯示控制終端的操控來實現。

3 機械化安裝充氣背保護系統應用

在某小口徑不銹鋼管焊接工藝試驗中應用了該機械化安裝局部充氣背保護系統。工藝試驗用管道的材質為ASTMA312 316L，管徑76 ～114 mm（內徑60 ～98 mm），單管長6 ～8 m，采用全位置單面焊雙面成型手工氬弧焊充氬背保護工藝。

（1）系統安裝。將系統置于管道組對焊接支架一端的300 mm 處，調整系統的位置、角度和高度，使水平推送出的柔性纜桿與待焊鋼管基本同軸即可。

（2）系統工作流程如圖8所示，主要工作參數：纜桿自動推拉速度6 m/min，長度為管長減150mm，封堵氣囊抽吸/充脹壓力-10/100 kPa，背保護氬氣流量8 ～10 L/min。

（3）應用效果。系統工作時柔性纜桿的推拉平滑順暢，盤卷規整緊密；封堵裝置在管內移動快速平穩，定位準確穩固，封堵嚴密；操作簡便省力。對內徑為60 mm 和98 mm（長8 m）的管道，將該機械化安裝充氣背保護系統與人工安裝拆卸的簡易封堵充氬裝置在焊接作業時所消耗的時間和背保護氬氣量進行對比，得到的對比結果見表1。從表1看出，采用該設計系統進行焊接，平均單焊口局部封堵置換及焊縫背部質量檢查總耗時可減少70%以上，背保護氬氣消耗量可減少35%以上。26道工藝試驗環焊縫檢驗結果為：焊縫背部成型良好，顏色以銀白色為主，少量為金黃色，無焊縫背部氧化缺陷；100% RT 檢測全部為一級片；焊接一次合格率100%。

圖8 系統工作流程

表1 平均單焊口時間消耗和背保護氬氣量對比

4 結束語

實際應用表明，本文設計的機械化安裝充氣背保護系統設計合理，具有可操作性和實用性。該系統應用于小口徑不銹鋼等金屬/雙金屬復合管道焊接施工，可顯著提高焊口局部封堵效率和質量、焊縫背部保護效果及質量和檢驗效率；可降低保護氣消耗和施工勞動強度，從而可提高焊接施工整體質量和效率，提高施工自動化水平，降低施工成本。該系統有良好的推廣應用前景。