城市地下綜合管廊鋼制給水管道全位置自動焊系統的研發與應用

徐學良，方 舟，張 灝，羅 雨，張 林，吳俊鋒，馬國濤，張阿多，張碩洋

1.北京市自來水集團 禹通市政工程有限公司，北京 100089

2.北京石油化工學院 能源工程先進連接技術研究中心，北京 102617

0 前言

隨著城市市政管網建設、更新與改造，市政給水管網建設工程量劇增，迎來大規模建設期［1］。目前城市地下綜合管廊給水管道安裝仍采用人工對口焊接，受焊工水平影響，焊接質量一致性差，焊接質量和焊接效率都無法得到有效保證。管道自動焊技術以其高效、優質的特點，在陸地油氣長輸管道建設及海底管道鋪設中得到大規模的應用。針對城市地下管廊市政給水管道焊接的工況與特點，目前還未有較為合適的管道自動焊設備能直接應用到施工現場。

本文針對城市地下管廊市政給水管道焊接工況以及自動焊接難點進行深入分析，借鑒油氣管道自動焊技術，結合地下管廊工況特點，研制開發了一種適用于大口徑薄壁給水管道全位置自動焊系統，并開展多口徑、多工況的工藝實驗研究，以期獲得可滿足現場應用的焊接工藝規范。該管道全位置自動焊系統已應用于北京市石景山區供水管網一期工程的現場焊接，實際應用證明，該設備能實現連續穩定焊接，焊接合格率接近100%，焊接效率是人工焊接的2倍以上，為城市地下管廊給水管道自動焊的大規模推廣提供了成功的應用經驗。

1 城市地下管廊給水管道焊接工況分析

（1）在“國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見”的指導下，國內綜合管廊的建設進入高速發展階段，中國成為綜合管廊在建里程最長的國家。綜合管廊容納的管線一般包括：電力、通信、給水、再生水、雨水和污水、供熱、供冷、燃氣等管線，供水管道（包括給水、中水管道）是綜合管廊內出現頻率最高的管線之一。

（2）將供水管道納入綜合管廊，有利于管線的維護、更換和擴容，保證安全運行，減少給水管道的漏損率。

（3）按照地下管廊建設工程規范，基礎設施齊備后，給水管道安裝是第一步工序。城市地下給水管廊位于地下深處，內部環境復雜［2］。地下管廊管道和裝備通過吊裝口進入管廊內部，因管廊內空間受限，不利于諸如陸地長輸管道鋪設用大型設備的搬運和施工。給水管道直徑較大（DN 800～5 400），管徑規格多、對口精度差，加之地下管廊施工空間小，人工焊接效率低，質量難以得到保障。管廊內用電設備多，供電不穩，對管道焊接設備的使用也造成了一定的影響。迫切需要針對地下管廊的工況特點，研制一種適應管廊內使用的管道全位置自動焊設備，提高給水管道的鋪設效率。

2 城市地下管廊市政供水管道鋪設自動焊接難點分析

（1）城市給水管線采用大口徑薄壁管，管道的橢圓度一致性差，人工組對難度大，效率低。

（2）管端坡口加工在制管廠完成，坡口尺寸加工精度和一致性無法滿足常規油氣管道自動焊要求。采用常規油氣管道自動焊接技術無法完全適應給水管道自動焊接需求。

（3）大口徑薄壁管橢圓度的存在和防腐層厚度的不一致，影響了常規油氣管道自動焊柔性導軌的鋪設，導致油氣管道自動焊設備無法適應變管徑的工況。

（4）城市地下管廊給水管道管徑較其他管道大，一般布置于電力、通信管線下方，靠近墻體某一側，因此施工空間有限，無法像長輸管道一樣用鋪管拖車拖動自動焊工作站向前行進，也無法像海管鋪設工位中管道兩側各布置一套自動焊設備完成焊接。應該根據現場工況對自動焊系統進行適應性設計。

3 自動焊接解決方案

3.1 自動焊施工方案

結合地下管廊城市給水管道施工特點［3-4］，借鑒油氣管線鋪設自動焊接技術［5-8］，在繼承傳統城市水管焊接工藝的基礎上提出如下改進方案：

（1）坡口形式為單邊V形坡口，采用便攜式坡口加工機加工坡口。

（2）根據工藝需求，采用外對口器進行管道組對，保證組對精度。

（3）打底焊采用手工氬弧焊或半自動焊方式STT、RMD打底方案，保證打底焊接質量，減少內焊機的設備投資。

（4）研制自適應管徑的可調柔性導軌，以適應管徑橢圓度及防腐層厚度所導致的變徑自動焊接需求。

（5）采用單車單工位或雙車單工位自動焊完成填充和蓋面，提高現場鋪管焊接效率。

兩套單炬管道自動焊接設備可以放在一個工位各自完成180°的下向焊接，也可以將兩套設備分為兩個焊接工位，由單車分兩步完成360°的焊接工作。

3.2 自動焊接設備研制方案

（1）針對城市給水管線大口徑薄壁管口易變形的特點，提出一種自適應管徑和橢圓度的可調柔性導軌設計方案，可適應管徑橢圓度及防腐層厚度導致的變徑自動焊接需求。

（2）針對常規管道自動焊設備裝卡勞動強度大的問題，提出行走機構和焊槍姿態調整機構模塊化設計方案，并通過現場總線方式，可實現施工現場模塊化結構和電氣接口的快速裝卡與拆卸，減輕焊工勞動強度。

（3）針對地下管廊鋪設現場空間受限工況，提出一種便攜式焊接移動工作站設計方案，將模塊化焊接機頭、控制系統、焊接電源、送絲機、保護氣及輔助裝置高度集成到該工作站中，提升鋪管現場施工時的操作便攜性。

4 自動焊接設備的研制

城市地下管廊給供水管道自動焊系統適用于城市給水管道或者油氣管道的自動焊接。采用現場總線和網絡技術進行控制系統設計，焊接程序采用計算機控制，通過安裝在焊接小車上的傾角傳感器測量當前焊接位置，計算機輸出與當前位置匹配的焊接小車運動參數和焊接電源參數，可實現良好的焊縫成形。

4.1 自適應管徑的可調柔性導軌設計

針對大口徑城市給水管道管徑一致性差的問題，研制了大于6寸的可自適應管道的柔性軌道，如圖1所示。該柔性導軌為焊接小車/切割小車或超聲等檢測設備小車提供了松緊合適、牢固可靠的運動基礎部件。帶有齒槽和多種導向沿組合的軌道保證了焊接小車/切割小車或超聲等檢測設備小車的傳動精度和導向精度；采用固定長度拉桿和雙向定位的搭扣，既保證軌道閉合的精確，又方便操作人員現場裝拆。柔性軌道裝置彈簧卡子能夠自動適應管道的變形和少量尺寸誤差，操作人員在現場可方便確定導軌安裝的松緊度，安裝過程操作少，簡便快速，更具人性化。

圖1 柔性導軌Fig.1 Flexible rail

4.2 模塊化可快拆裝焊接小車設計

一套完整的模塊化管道全位置自動焊接設備包括焊接電源、機械車體（有軌底盤）、焊接機頭（擺動+高低）、焊接導軌、控制系統及手控盒，研制的工作重點在于模塊化結構設計，包括有軌底盤及可快速裝夾的焊接機頭。

（1）有軌行走底盤。

有軌底盤安裝在柔性導軌上，底盤上方設計有快速裝卡機構，可以快速安裝焊接機頭。有軌底盤主要由鎖緊機構、行走機構、焊接機頭快鎖機構組成，是焊接機頭的驅動機構，有軌底盤行走機構與導軌上的外圓柱齒輪嚙合，進而驅動整個焊接小車在鎖緊機構的配合下圍繞導軌行走轉動，進而帶動焊接機頭沿管道外壁做圓周運動。該設計減少了工人安裝焊接小車的工序及勞動強度，行走底盤如圖2所示。

圖2 行走底盤實物Fig.2 Physical drawing of walking chassis

（2）焊接機頭。

焊接機頭可以快速安裝在有軌行走底盤上，大幅度減少焊工勞動強度；焊接機頭由橫向擺動機構、焊槍高低調整機構、焊槍組件、電纜/保護氣管路托架等部分組成，焊槍縱向調整機構、焊槍組件則延伸安裝在擺動機構之上。焊槍橫向擺動機構采用“伺服電機→導軌→絲杠”的傳動方式，焊槍高低調整機構采用“伺服電機→絲杠→螺母”的傳動方式。焊槍采用專用賓采爾直柄焊槍，絕緣板安裝。焊接機頭實物如圖3所示。

圖3 焊接機頭實物Fig.3 Physical drawing of welding head

經過焊接機頭和行走底盤的模塊化設計，可以在施工現場進行快速組合，減少因整機質量太大和行走鎖緊頻繁操作帶來的安裝誤差，能大幅減少設備誤操作帶來的故障隱患，同時能大幅減輕焊工勞動強度。組合后的產品如圖4所示。該產品重心低，行走平穩，能顯著提高管道施工的效率，滿足大口徑給水管道自動焊接的需求。

圖4 焊接小車工程樣機Fig.4 Welding trolley engineering prototype

（3）控制系統。

控制系統采用開放式控制網絡結構，由主控單元、伺服驅動單元、焊接電源、手控盒系統以及電氣輔助系統組成，如圖5所示。控制系統采用抗干擾能力較強的CAN-open總線通信，可完成運動控制單元各伺服驅動器、傾角傳感器以及焊接電源的CAN-open數據通信。控制網絡系統結構簡單，具有開放性、同步性、可重構性、實時網絡性等特點，具備智能化應用的擴展功能。

圖5 控制系統組成示意Fig.5 Schematic diagram of control system composition

采用基于現場總線和網絡技術的控制系統設計，控制線纜少、可維護性和可擴展性顯著提高；采用“車載計算”智能驅動器，實現了焊接小車控制的智能化；通過焊接小車運動參數與焊接電源電參數的協同技術，根據空間角度對諸如焊接電參數及運動參數進行分區，實現了全位置焊接過程的高精度控制。系統可選配電弧跟蹤功能（高低、左右及擺動寬度），可選配視覺跟蹤（高低、左右及擺動寬度）；可選配焊接工藝參數自適應控制專家系統等功能［9-10］。

（4）數字化焊接電源。

樣機焊接電源采用Fronius的TPSi-320，如圖6所示。TPSi-320是福尼斯最新全數字化微處理器監控的逆變電源，從基本工作原理進行重新設計，在焊接性能、人機交互界面以及操作方面進行了大幅優化。模塊化設計理念和系統的可拓展性大幅提升了焊機的靈活性，配備協調性極佳的零部件使其成為一款智能化焊接電源，其擁有高效處理器和高速總線EtherCAT，即能夠以更快的速度傳輸更多數據，為城市供水管線自動焊設備的智能化焊接提供數據基礎。此外，該款設備能適用于多種焊接方法，能夠滿足多種多樣的焊接任務，具備管道自動焊的單面焊雙面成形能力，為后續開發管道全位置打底自動焊提供了有力保障。

圖6 Fronius TPSi-320Fig.6 Fronius TPSi-320

4.3 便攜式移動工作站

為了方便地下管廊施工，研制了便攜式移動工作站，如圖7所示。便攜式移動工作站集成了管道自動焊設備、系統供電、照明、保護氣、施工工具箱等輔助裝置。移動工作站既能滿足施工現場管道自動焊設備的快速移動能力，又能保證在施工過程中與其他管廊內設備不發生空間沖突。借助移動工作站，在焊工的輔助操作下，自動焊設備焊接完一道焊口后可以快速移動到下一工作點，提高了地下管廊施工現場的鋪管效率，縮短了施工工期。

圖7 便攜式焊接移動工作站Fig.7 Portable Welding Mobile Workstation

5 自動焊接工藝

5.1 焊接坡口形式及焊接道次

給水管道傳統自動焊的坡口形式如圖8所示。坡口采用機械加工方式，坡口單邊角度25°，焊縫余高0～1.6 mm，坡口組對間隙2.5～3.5 mm，鈍邊1.6 mm。鋼制給水管道直徑規格范圍為DN 800～2 600，不同管徑對應的管道壁厚不同，一般壁厚在10～30 mm，整條焊縫的焊接道次需要根據管徑和壁厚進行焊道規劃。一般采用氬弧焊打底，打底厚度3 mm，按照焊條電弧焊的工藝規范，以10 mm管道厚壁為例，需要進行填充和蓋面焊接，填充厚度為4～5 mm，最后一層蓋面3～4 mm。不同管徑和壁厚的環焊縫工藝需要根據實際工況進行工藝實驗，在確保焊接質量的基礎上確定焊接道次和焊接厚度。

圖8 V型坡口Fig.8 V-groove

5.2 焊絲及保護氣體

根據鋼制給水管道焊接材料特性，鋼制給水管道可采用氣體保護藥芯焊絲進行焊接。焊接工藝規程如表1所示。

表1 焊接工藝規程Table 1 Welding procedure specification

6 工程應用

6.1 工程概況

北京市石景山區供水管網一期工程的地下管廊給水管道焊接工期緊、任務急，要求在31天內完成規定標段給水管道的鋪設焊接任務。北京市自來水集團禹通市政工程有限公司工程項目部組織了管道自動焊隊伍來完成此項工程，在規定工期內完成1.2 km管徑DN 1 000鋼制給水管道工程標段的焊接施工任務。

6.2 現場工藝條件

管廊內施工隊伍多，現場供電、管道運輸、坡口組對及手工焊接設備用電對管道自動焊系統都會產生干擾，自動焊施工操作空間受限。利用先期現場考察，對管道自動焊設備進行高度集成，并對便攜式工作站進行優化，順利完成現場施工的全部準備工作。施工現場焊接工作站如圖9所示。工程使用的管道材料為Q235，管道外徑DN 1 000 mm，壁厚10 mm，采用25°V型坡口，人工氬弧打底，填充和蓋面采用氣保護藥芯焊絲上向焊工藝，填充材料為大西洋CHT711焊絲（φ1.2 mm），保護氣為100% CO2，氣體流量為20 L/min。

圖9 兩套焊接工作站工作場景Fig.9 Working scene of two sets of welding workstation

根據管材厚度及坡口尺寸規劃焊接參數，由手控盒選擇程序檔位，確定焊接層次，輸入諸如焊接速度、擺動寬度、擺動速度、駐留時間、送絲速度、電弧電壓等焊接分區特征點焊接參數，主控單元可自動插值計算各位置處焊接參數，試車、試氣后即可進行焊接。施工現場焊接完成的合格接頭成形如圖10、圖11所示。

圖10 填充1焊縫成形Fig.10 Fill 1 weld forming

圖11 蓋面焊縫成形Fig.11 Cover weld forming

6.3 工程總結

截至2021年5月28日，運用自動焊接設備完成了1.2 km內102道焊口的焊接施工任務。對其中58道焊口進行了無損檢測，其中100%檢測焊口15道，拍片195張，抽檢焊口43道，拍片172張，焊接合格率接近100%。通過北京市石景山區供水管網一期工程，驗證了研制的鋼制給水管道自動焊設備在城市地下管廊中自來水給水管道焊接的可行性。通過現場應用驗證，鋼制給水管道自動焊設備能實現連續穩定焊接，具備現場應用的能力。單套工作站能完成日均10道焊口（DN 1 000）的任務量，是人工焊接效率的2倍以上。

7 結論

（1）所研制的城市地下管廊給水管道自動焊接設備能實現連續穩定焊接，提高了焊接效率，自動焊焊接效率是手工焊效率的2倍以上。

（2）鋼制給水管道自動焊接過程中，受人為操作因素影響小，減少了因焊接水平不一致造成的焊接質量不穩定的問題，減少返修，提升工程質量。

（3）焊接過程中操作人員可自由變更操作姿勢，減少操作不舒適感，鋼制給水管道自動焊設備連續焊接，接頭數減少，打磨工作量大大降低，降低了操作人員勞動強度。

（4）管道自動焊技術可以有效緩解優秀焊工成本高、資源不足的問題，提高企業員工的利用率。

（5）鋼制給水管道自動焊設備在地下管廊給水工程的順利應用，為城市地下管廊供水管道自動焊的大規模推廣提供了成功的應用經驗。