基于爬壁機器人的油氣管道全位置自動焊接技術研究

吳正林

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300459）

海上油氣田工藝系統種類多，不僅包括原油處理系統、天然氣處理系統等主要工藝系統，還包括輔助工藝系統、公用系統等。各個工藝系統中管道的占比極大，管道的規格和種類較多[1]。隨著焊接技術的不斷進步，自動焊技術逐步應用于海上油氣管道的焊接。常見的如埋弧焊，用于大直徑、大壁厚的管道等的焊接，但受焊接位置、焊接適用厚度等的影響，部分管道的自動焊接無法滿足，尤其是全位置的焊接。本文以海上油氣管道中常用的ASTM A106 GR.B 和ASTM A105管道，選取Φ273mm×15.1mm 的管道，開展基于爬壁機器人為平臺的自動焊接技術，開展全位置的自動焊接技術研究，探索可行性，并確定適用的焊接工藝參數。

1 焊接材料

1.1 母材

本項目選用的母材為ASTM A106 GR.B，ASTM A105。表1為ASTM A106 GR.B 鋼材的主要化學成分，A106B 鋼材的抗拉強度、屈服點分別為≥500MPa，≥285MPa，伸長率大于等于34%。表2為ASTM A105鋼材的主要化學成分。A105鋼材的抗拉強度、屈服點分別為≥470MPa，≥305MPa 伸長率大于等于26%。

表1 ASTM A106 GR.B 鋼材的主要化學成分（%）

表2 ASTM A15 鋼材的主要化學成分

1.2 焊接材料

鑒于首次開展基于爬壁機器人全位置自動焊的技術研究，為保證焊接質量，本項目根據母材的焊接特點、等強匹配原則等，優選焊接材料。打底焊接GTAW焊接方法選用焊接材料為ER70S-G（林肯焊絲JG-50），填充蓋面焊接FCAW 焊接方法選用E71T-1C（林肯焊絲PRIMACORE? V-71），化學成分詳見表3、表4。

表3 ER70S-G（林肯焊絲JG-50）的主要化學成分（%）

表4 E71T-1C（林肯焊絲PRlMACORE? V-71）的主要化學成分（%）

2 焊接設備及工藝參數設定

2.1 焊接設備

本試驗采用的全位置自動焊爬壁機器人由焊接電源、全封閉送絲機構、磁吸附無軌爬壁小車（含控制系統）等組成。具體詳見圖1。

圖1 全位置自動焊爬壁機器人

（1）焊接電源：MIG/MAG 焊接中一個重要的原理是恒壓，應用恒壓特性，最重要的是實現自適應電弧。在自動焊接時，各方面的要求相對人工焊接，要求更加嚴苛。例如對外形尺寸的控制，在坡口準備和修補工作中都會有不同程度的變形，焊接過程中，焊接熱輸入會引起變形，然而外形尺寸的變化會影響干伸長，從而影響焊接質量。綜合以上因素，選用了芬蘭進口的KEMPPI 焊機，其具備WisePenetration ?調節功能，能夠保證焊弧集中，電弧密度集中在狹窄的區域中。實現更好的熔深，更快的焊接速度，更少的熱輸入，減少焊接缺陷的風險，如咬邊或未融合，且能夠穩定電弧。特有的自適應弧長控制，可以使電弧始終保持在短路邊界以內，無需對弧長進行手動微調。

焊接電源型號為FastMig X 450，電流、電壓的可調區間為15A/12V ～450A/46V，空載功率：100W，暫載率：60%。按下起弧按鈕即可實現自動焊接。

（2）全封閉的送絲機構：送絲機構采用封閉式設計，內部配備自動恒溫加熱裝置，實現送絲機箱內部的溫度恒定，能夠保證焊絲不會出現凝露現象。根據設定的焊接工藝參數，實現精準送絲，與焊接電源、磁吸附無軌爬壁小車項匹配。其中較為關鍵的是送絲速度的設定，要保障設定好送絲速度，與焊接電源設定的電流、電壓等、爬壁小車的行走速度相匹配。

（3）磁吸附無軌爬壁小車（含控制系統）：爬壁小車采用磁力吸附的方式，焊接不銹鋼管道時需配置軌道，因本項目焊接用母材材質為碳鋼，故無需采用軌道。小車自重10kg，控制系統型號為YX-150 型，可控制擺速、擺寬、行走速度、焊槍上下移動、角度調節等，擺速在1mm ～100mm 內連續可調，焊槍位置的移動上下在0mm ～30mm 內可調，左右在0mm ～70mm 內可調，焊槍角度在0°～10°內可調，擺動寬度控制在0mm ～30mm，可實現焊接行走速度控制在0mm/min ～750mm/min。同時可實現左、右定時控制在0s ～2s 內連續可調。

表5 確定的焊接工藝參數

2.2 焊接工藝參數確定及焊接控制

（1）坡口形式及焊接順序。母材焊接形式為管-管對接，尺寸為Φ273mm×15.1mm。為保證焊槍的可達性、爬壁小車擺速、擺寬等因素，預留鈍邊控制在0mm ～2mm，坡口間隙控制在0mm ～4mm。本項目為全位置自動焊接，對坡口加工精度要求較高，采用機械加工的方式，嚴格控制外形尺寸，不允許存在變形。組對后不能存在錯邊。圖2、圖3為坡口形式、焊接順序布置。

圖2 焊接坡口形式及尺寸

圖3 自動焊順序布置

（2）焊接工藝參數。焊接工藝參數確定，不僅要考慮各參數間的匹配，同時要考慮焊接電流、焊接速度對駝峰的影響。具體的參數設定詳見表5。

（3）焊接實施注意要點。①第一層打底焊接的質量要保證，采用GTAW 方法，保證足夠的熔敷厚度。焊層表面若有雜質，要打磨清除。②自動焊接實施前，首先要保證焊槍上下、左右的位置，重要的是調節好焊槍的傾角；確定好擺動參數，爬壁小車的轉速等，匹配一致后方可施焊，同時觀察焊接電弧情況，如有問題停止施焊，調整后再進行。③自動焊接首層焊接，考慮焊槍可達性，坡口寬度較小，要降低擺動速度和寬度，采用較小的線能量進行焊接。④關注層間溫度，層間清理可采用鋼絲刷清理，祛除雜質，不能用尖銳的物體大力敲擊。

3 性能測試及結果分析

設計和工藝評定的要求為ASME 標準，對試件進行了射線探傷。根據標準截取試樣，并進行了拉伸、沖擊、彎曲、宏觀測試等測試。

（1）射線探傷（RT）：射線探傷結果詳見表6，存在氣孔等，長度分別為1mm，2mm。根據標準要求，合格標準為“圓形指示的最大允許尺寸為20%t 或者3mm，兩者取較小值”，故射線探傷結果合格。

表6 射線探傷結果

（2）彎曲試驗：彎曲試驗的結果詳見表7。選取4 個樣品進行側彎試驗，經測定，測試合格。

表7 彎曲試驗結果

（3）拉伸試驗：取兩個橫向拉伸試樣，斷裂位置位于母材，結果分別為531MPa，535MPa，大于母材500MPa 的抗拉強度要求，拉伸測試合格。

（4）沖擊試驗：取樣位置和數量分別為焊縫中心取3 個，間隔熔合線2mm 的區域取3 個，熔合區取3 個。試驗溫度為0°，三個位置吸收功均值為138J、47J、28J，測試結果均合格。

（5）宏觀測試：宏觀測試結果詳見圖4。觀察焊縫區域，無缺陷存在，宏觀測試合格。

圖4 宏觀測試結果

雖然上述工藝經過測試合格，但存在氣孔等缺陷。針對此情況，分析產生氣孔的原因為保護氣體選用問題，故進行了工藝的優化，保護氣體使用80%Ar+20%CO2代替純CO2作為進行焊接，經過再次檢測，氣孔等缺陷已消除，同時力學性能測試結果合格。

4 結語

本文以海上油氣管道中常用的ASTM A106 GR.B 和ASTM A105 管道，選取Φ273mm×15.1mm 的管道，開展基于爬壁機器人為平臺的自動焊接技術，開展全位置的焊接技術研究，總結如下：選用合適的焊接電源、全封閉送絲機構、磁吸附無軌爬壁小車（含控制系統）等，要確保匹配；要控制坡口加工誤差、焊接變形等，滿足自動焊接的要求；保護氣體采用純CO2進行自動焊接，容易導致氣孔的產生，建議采用80%Ar+20%CO2代替。