大型儲(chǔ)罐焊接技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

婁秀偉

（吉林夢溪工程管理有限公司，吉林吉林 132000）

0 引言

隨著我國社會(huì)的不斷進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，原油需求量逐年遞增，建立原油戰(zhàn)略儲(chǔ)備已經(jīng)成為關(guān)乎國家安全的重要內(nèi)容。在大型石油儲(chǔ)備基地中，通常會(huì)采取大型儲(chǔ)罐進(jìn)行石油的存儲(chǔ)。現(xiàn)在石油儲(chǔ)罐已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于原油、成品油的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，其需求量呈逐年上升的趨勢。

大型儲(chǔ)罐的建造成本很高，是影響石油儲(chǔ)存成本的關(guān)鍵，進(jìn)一步降低大型儲(chǔ)罐的建造成本，提升石油儲(chǔ)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，已經(jīng)成為擺在相關(guān)企業(yè)面前新的課題。大型儲(chǔ)罐的尺寸一般很大，直徑達(dá)到幾十米，運(yùn)輸困難，因此通常采取現(xiàn)場制造的方式，建造者會(huì)將儲(chǔ)罐分成若干的環(huán)狀部分，采用焊接的方式進(jìn)行拼裝，每節(jié)筒體采取環(huán)向焊接。由于焊道的周長很長，工作量巨大，提高焊接效率對(duì)于提升儲(chǔ)罐建造效率、降低建造成本具有重要意義。因此，儲(chǔ)罐的焊接技術(shù)歷來被業(yè)內(nèi)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，有越來越多的新技術(shù)在該領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

1 儲(chǔ)罐橫縫焊接工藝

當(dāng)前大型儲(chǔ)罐的焊接方法主要有電弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊等，國外發(fā)達(dá)國家大多數(shù)采用自動(dòng)焊接技術(shù)，大大提升了儲(chǔ)罐的焊接效率和質(zhì)量。但是我國尚無較成熟的儲(chǔ)罐橫縫自動(dòng)焊接技術(shù)，建造時(shí)仍以傳統(tǒng)的焊條電弧焊為主。

焊條電弧焊由工人手工操作，焊接質(zhì)量與工人的焊接技術(shù)高度相關(guān)，受工人的主觀因素影響，很容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，并且這種焊接方法的勞動(dòng)強(qiáng)度較大、焊接效率較低。但是受實(shí)際技術(shù)發(fā)展水平的限制，未來一段時(shí)間內(nèi)焊條電弧焊仍將是我國大型儲(chǔ)罐的主要焊接方法。

我國于20 世紀(jì)80 年代著手引入大型儲(chǔ)罐自動(dòng)焊接技術(shù)，至今已經(jīng)掌握了一部分技術(shù)，大型儲(chǔ)罐埋弧自動(dòng)焊接技術(shù)也獲得了實(shí)質(zhì)性突破，單絲埋弧焊已投入實(shí)際使用，獲得了較好的應(yīng)用效果，不僅提升了焊接質(zhì)量，還降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。該技術(shù)具有操作簡單、抗風(fēng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適用于現(xiàn)場作業(yè)，焊縫的成分穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)優(yōu)良，推進(jìn)了我國石油儲(chǔ)備行業(yè)發(fā)展，現(xiàn)在已有許多企業(yè)著手于多絲埋弧焊技術(shù)的研究。

氣體保護(hù)焊允許焊接效率高、焊接熱量集中、結(jié)晶快等優(yōu)點(diǎn)也被應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐現(xiàn)場焊接，氣體保護(hù)焊的焊接系統(tǒng)簡單，對(duì)環(huán)境的污染較小，更易于采取自動(dòng)焊接的方式，但現(xiàn)場作業(yè)時(shí)的防風(fēng)問題一直沒有得到有效解決，限制了氣體保護(hù)焊在大型儲(chǔ)罐焊接中的應(yīng)用，有待進(jìn)一步研究。

雙脈沖焊接技術(shù)可以直接控制融池的熱輸入，利用高強(qiáng)度脈沖電流直接融化熔池中的金屬，利用弱脈沖電流對(duì)融池進(jìn)行保溫，只需要通過特定的設(shè)備控制電流強(qiáng)度就能很好地實(shí)現(xiàn)融池控制，形成理想的焊縫。20 世紀(jì)80 年代清華大學(xué)研究了這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，王會(huì)霞等人通過實(shí)踐研究的方式確定了這項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)性，天津大學(xué)經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，取得了優(yōu)良的焊接接頭，證明雙脈沖焊接技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。實(shí)際研究還發(fā)現(xiàn)，這一技術(shù)具有攪拌熔池內(nèi)金屬的效果，能夠使焊縫組織成分更加合理，有效提高焊縫的強(qiáng)度與塑性。

隨著我國自有焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接工藝不斷成熟，各種自動(dòng)焊接技術(shù)將逐漸應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐制造中，傳統(tǒng)焊條電弧焊將逐漸會(huì)被自動(dòng)化焊接技術(shù)所取代。這將大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接效率與質(zhì)量，為我國石油儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2 儲(chǔ)罐橫縫自動(dòng)焊接設(shè)備

目前應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐焊接的自動(dòng)化設(shè)備主要有兩種，分別是橫縫自動(dòng)焊機(jī)和自動(dòng)焊接機(jī)器人（圖1～圖2）。

圖1 從國外引進(jìn)的橫縫自動(dòng)焊機(jī)

圖2 我國自行研制的移動(dòng)焊接機(jī)器人

橫縫自動(dòng)焊機(jī)由電源、控制機(jī)構(gòu)、焊接頭、焊劑填充與回收裝置、焊劑支架、行走機(jī)構(gòu)和軌道組成。所有功能模塊均集成在行走機(jī)構(gòu)上，其中，導(dǎo)軌控制行走方向，控制機(jī)構(gòu)控制走絲和行走速度，焊劑填充與回收裝置負(fù)責(zé)輸送和回收焊劑，起到保護(hù)電弧的作用。焊劑回收采用負(fù)壓吸收原理，使焊劑得到循環(huán)利用，提高焊劑經(jīng)濟(jì)性。但焊劑應(yīng)定期進(jìn)行烘干，避免結(jié)塊而影響焊接質(zhì)量。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)焊機(jī)在導(dǎo)軌上行走，由控制機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)滾輪的行走。

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，自動(dòng)化程度較低，橫縫自動(dòng)焊機(jī)無法實(shí)現(xiàn)完全自主工作，有時(shí)需要人工進(jìn)行干預(yù)，在焊機(jī)中需要設(shè)置操作員，這使得焊機(jī)的體積進(jìn)一步增加。在實(shí)際使用中，焊機(jī)的吊裝非常不便，焊機(jī)內(nèi)工作人員的活動(dòng)空間較小、舒適性較差。

為了克服上述缺點(diǎn)，科研人員致力于開發(fā)焊接機(jī)器人，現(xiàn)已研制出無軌道全位置焊接機(jī)器人，在大型儲(chǔ)罐焊接中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。該機(jī)器人采用磁性滾輪吸附于儲(chǔ)罐表面，吸附力超過200 kg（f1961.33 N），使機(jī)器人能夠穩(wěn)定地停留在儲(chǔ)罐表面，具有一定的防風(fēng)能力，通過兩側(cè)輪子的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，靈活性很高。該焊機(jī)采用CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）光電軌跡跟蹤系統(tǒng)識(shí)別焊接軌跡，識(shí)別精度高、焊縫位置準(zhǔn)確。

清華大學(xué)研制的磁性吸附焊接機(jī)器人，以履帶行走機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪式機(jī)構(gòu)，使焊機(jī)行走過程更加平穩(wěn)；鋁帶上均勻分布的永磁塊增加了吸附面積，使焊機(jī)具備更強(qiáng)的抗風(fēng)能力；履帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配有先進(jìn)的減速機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)靈活的軌跡跟蹤，其配備的激光傳感器可以精確識(shí)別焊縫位置偏差，并將位置信號(hào)送入中央處理器，經(jīng)修正后返回控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)的閉環(huán)控制，大大提高了焊接精度。

該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)大型儲(chǔ)罐表面焊接的無人值守，由于不需要軌道，因此具備更好的場地適應(yīng)性，自動(dòng)化程度很高，一名工作人員可以同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)焊機(jī)，大大提高工作效率，降低焊接成本。但這類焊接機(jī)器人要想投入實(shí)際使用，還需解決一些技術(shù)難題，相信不久將成為大型儲(chǔ)罐焊接的主力軍。

3 儲(chǔ)罐焊接跟蹤方法

自動(dòng)焊接利用焊縫位置跟蹤裝置來準(zhǔn)確識(shí)別焊縫位置，通常采取的傳感器有機(jī)械式傳感器、光學(xué)傳感器、激光測距儀等、電流傳感器等，現(xiàn)在使用較廣泛的是機(jī)械式傳感器或光學(xué)傳感器。

機(jī)械傳感器通過接觸焊縫金屬來識(shí)別焊縫位置，在早期的自動(dòng)焊機(jī)中被廣泛使用。它通過導(dǎo)輪來探測焊縫位置，導(dǎo)輪與焊縫直接接觸并安置在焊接位置的前面，以此來引導(dǎo)焊頭沿焊縫焊接。導(dǎo)輪具有檢測位置偏差功能，具有一定的位置修正能力，當(dāng)檢測到焊頭位置偏差后會(huì)將偏差信號(hào)返回控制系統(tǒng)，從而消除位置偏差，使焊頭保持在正確的焊接軌跡上。機(jī)械傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效抵抗焊接過程中的磁、光、煙塵等干擾因素，但其使用溫度較低、無法實(shí)現(xiàn)精密焊接。

自動(dòng)焊機(jī)中采用的光學(xué)傳感器主要分為劃線跟蹤與激光跟蹤兩種形式。劃線跟蹤是指采用特制的涂料預(yù)先劃一條與焊縫相平行的直線，供光學(xué)傳感器識(shí)別和跟蹤，與焊頭同步的光源會(huì)對(duì)準(zhǔn)劃線，傳感器檢測光源位置實(shí)現(xiàn)焊縫的對(duì)齊，發(fā)現(xiàn)跟蹤的好處是技術(shù)門檻低、設(shè)備成本不高，但這種跟蹤方式主要依賴于劃線精度，劃線工作由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行，而在大型儲(chǔ)罐表面進(jìn)行精確劃線是非常困難的，這降低了該技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。

作為近年來的新興技術(shù)，激光跟蹤擁有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，它通過激光器照射焊縫，再以傳感器識(shí)別焊縫的位置和形狀，傳感器與焊槍固定連接，當(dāng)焊槍位置出現(xiàn)偏差時(shí)傳感器就會(huì)檢測到位置偏差，并將偏差信號(hào)輸送給中央處理器，實(shí)現(xiàn)位置的修正。這種跟蹤方式無需在儲(chǔ)罐表面劃線，具備更高的跟蹤精度，也大大降低了輔助工作量，應(yīng)用前景廣闊。

現(xiàn)階段激光測距跟蹤技術(shù)也已逐漸成熟，能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別焊縫位置，進(jìn)一步提高焊接精度，將為大型儲(chǔ)罐自動(dòng)焊接技術(shù)的發(fā)展提供更多助力。

4 結(jié)論

我國大型儲(chǔ)罐自動(dòng)焊接技術(shù)起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家還有一定的距離，當(dāng)務(wù)之急是努力攻克多絲自動(dòng)埋弧焊接技術(shù)與大電流脈沖自動(dòng)焊接技術(shù)，并研制新型自動(dòng)焊機(jī)，提高我國大型儲(chǔ)罐焊接的自動(dòng)化水平，以滿足我國石油儲(chǔ)運(yùn)的需求。