淺談螺旋縫埋弧焊鋼管制造技術

陳巍 吳棟 徐穎 徐慶艷

摘要：在整個300年的工業化過程中，促進制造智能是一個重要的新工業革命機遇，也是產業升級的必然選擇。本文介紹了國內外螺旋縫埋弧焊鋼管制造技術，介紹了螺旋縫埋弧焊鋼管制造技術現狀，并分析了焊管生產線實現“黑燈工廠”的需要研究克服的關鍵技術問題。期待螺旋埋弧焊管工業的發展前景。

關鍵詞：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現狀分析

在19世紀，美國首先發明了螺旋埋弧焊管方法的加工方法，成型和焊接同時進行。自改革開放以來，隨著我國的石油行業的發展，中國石油和天然氣資源的發展促進了石油和氣體管道輸送線路的建設。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，我國螺旋焊接管技術也取得了長足的進步，所有鋼管及原材料卷板實現國產化。

二、 螺旋縫埋弧焊管生產線技術

2.1自動焊接工藝進步

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

2.2 前擺式與后擺式比較

前擺式機組的工藝特性：所有器件安裝在可擺動的前橋上，包括開卷，矯平、銑邊、板頭切割、對頭焊接、遞送等工序，特點是通過前橋擺動調節成型角度，前擺式機組的優點是各工序設備集中度高，工序緊湊，調整變化方便快捷;缺點是由于卷板的限制，卷板與卷板需要單獨停機對接，來保證后續生產的問題，頻繁停機的過程影響生產的穩定性和整體的工作效率。后擺式機組的工藝特性：工藝制備段設備安裝在飛焊卡車上，其特征在于通過調整可旋轉后橋來實現成型角度的調節，同時飛焊車的存在，解決了卷板與卷板對接過程的停機等待，可實現不間斷生產。

2.3生產線裝備發展

我國的鋼管制造能力能夠滿足國內經濟建設的需求，完全符合技術標準的要求。通過改進工藝設備，應用新的技術手段，不斷提高生產線的自動化、數字化和智能化水平。近年來，螺旋埋弧焊管工業在以上領域已經取得了一些推動鋼管制造能力的成果。

2.3.1焊接區域集中控制系統

在生產過程中，員工需要佩戴粉塵面具和隔音耳塞，工作環境相對嘈雜，同時需要多人協作、多點實時操作設備。目前業內已成功開發成型焊接遠程集中控制系統，該系統集成銑削，成型，內部和外部焊接，切割管，運輸管理等工序，而且系統實時動態監測，響應快速。如圖1所示：

2.3.2板邊自動跟蹤

基于物聯網的應用，開發內外焊接自動跟蹤系統，結構簡單，跟蹤效果良好，系統穩定，適用于所有規格的螺旋焊接管。該系統的優點是基于對卷板輸送側的偏移測量，在PLC算法計算之下，可以精確地計算轉移側變化焊點位置所需的運動量。該系統具有廣泛的應用，它可以實現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鋼管周長實時測量系統

自動識別設備在鋼管完成變形后，獲取鋼管的實時位置，在處理PLC程序算法后，實現和顯示成形鋼管周長等相關數據，測量精度為±1 mm，測量結果穩定可靠，消除了手動測量的安全問題和質量可靠性問題，并確保鋼管圓周的一致性，為后續工程施工對接提供方便。

三、制管生產工廠對比“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，這種生產模式解決了人工無法連續作業，生產精度因人而異的瓶頸問題，降低了高級操作工的依賴度，大大提高了生產效率和質量的穩定性。在中國，制造企業正在經歷一種使用機器人替代人工以及自動化改造生產裝備的過程，以降低生產成本，優化工藝過程，提高生產效率。在芯片、半導體領域已經大范圍進行了應用，對于制管生產工廠這類大型裝備制造企業的“黑燈工廠”模式還在探索中，但依然是未來發展的趨勢。

3.2 技術難題

為改變國內螺旋焊弧焊管制造業的現狀，基于已經實現的自動化升級，進一步通過智能化、信息化研發，最終實現“黑燈工廠”，仍需要關注以下問題。

（1）X射線無損檢測過程，經過設備工藝的提升，目前主流的檢測通過數字成像的形式再現焊縫的內在質量情況，一定程度上替代了膠片拍片的低效率和不穩定性，但是智能評定系統還需要進一步加強，除了后臺數據庫對于標準缺陷和樣片的積累外，應用先進的算法捕捉成像中的特點逐步提高判斷精度，完全替代人工評判是一個發展方向。對于發現缺陷的準確定位并進行有效標識，對后續焊接修補工序來講是一個巨大的進步。

（2）超聲波無損檢測過程，該工序通過自動探傷設備已經能夠實現波形記錄和缺陷識別，參照X射線無損檢測的技術進步，仍需要對后臺數據庫進行標準缺陷和波形反饋樣片的積累。另外，探傷設備在運行過程中探頭的消耗和精度降低，行進位置偏離帶來的錯誤波形反饋也應進行自動化干預和識別，提高自動評判的準確性。對于發現缺陷的準確定位并進行有效標識，對后續焊接修補工序來講是一個巨大的進步。

（3）焊接修補工序過程，目前通過人工定位的方式，由經驗豐富的焊接技師進行缺陷去除并修補，焊接修補工作已經可以通過自動焊接設備完成，但是缺陷定位的準確性以及標識的設備準備識別還需要進一步研究。通過無損檢測過程發現的缺陷，識別過程中進行三維模擬，定位缺陷在母管的準確位置，修補工作時通過前置環境三維定位，由機械手臂按照指定坐標位進行操作。修補完成后自動返回無損檢測工位，進行修補效果檢驗。

四、總結

隨著中國工業技術的持續加強，伴隨著半導體技術的進步、信息工業的發展、物聯網的應用以及人工智能、深度學習的快速成熟，作為傳統加工制造行業的螺旋埋弧焊管行業也必將迎來更大的變革，不斷降低生產制造成本、低碳、環保、智能、高效，向智能化、自動化、信息化轉變，終將實現“黑燈工廠”。

參考文獻

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