智能化技術在長輸管道自動焊裝備的應用現狀及展望*

閆 潔，張 倩，楊 琦，馮 帥

（中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北 廊坊 065000）

在長輸油氣管道焊接中采用管道自動焊技術，其環焊接接頭的強度、韌性等綜合性能優良，可顯著提高焊接效率、降低勞動強度，能夠有效保證管道運行的安全可靠性，管道自動焊技術在管道建設中已日趨成為主流技術[1]。目前市場上采用的長輸管道自動焊接裝備多為軌道式，配備電弧傳感器或視覺傳感器，可對焊接參數進行實時調節，具有較高的焊接精度，設備可靠性較強，焊縫美觀，設備成本較低，在多個國家重點油氣管道工程中得到了廣泛應用[2]。

隨著《中國制造2025》戰略實施，面對快速發展的經濟對能源的需求，管道焊接技術也正在向數字化、網絡化、智能化方向發展。融合多信息感知技術、焊接動態過程識別、信號特征提取以及工藝優化等方面的智能化焊接技術，不僅是現在長輸管道焊接機器人研究發展方向，同時也成為推動油氣產業鏈關鍵環節發展質變的迫切需要[3-4]。

1 國內外管道自動焊接裝備技術現狀

1.1 國內管道自動焊接裝備技術現狀

隨著管道焊縫跟蹤技術全面突破，國內科研院所和相關企業已開始研發管道全位置自動焊設備。

（1）中國石油天然氣管道科學研究院有限公司在2000 年研發出第一代PAW 系列管道自動外焊機，2014 年研制出第二代CPP900 系列管道自動焊裝備，2020 年研制出新一代CPP900-W2N系列管道自動焊裝備（如圖1 所示），采用全數字化控制系統，實現與國產焊接電源的深度融合和電弧跟蹤技術的精細化提升。在中俄東線、唐山LNG 項目、蒙西煤制氣管道項目、廣西支干線、西氣東輸三線等工程中得到了廣泛的應用[5]。

圖1 CPP900-W2N管道自動焊接裝備

（2）成都熊谷加世電器有限公司研制出A系列管道自動焊機，其中A-305 焊機如圖2 所示，可進行管道根焊、預熱焊、填充焊和蓋面焊，適配GMAW/FCAW-GS/GTAWE 三種焊接工藝。A-305 焊機還預留WIFI、掃碼器接口、自動電弧跟蹤功能，可提供遠程技術服務與數據云端傳輸，便于焊接工程質量的實時監控和管理。

圖2 熊谷A-305單焊炬管道自動外焊機

（3）艾美特北京公司研發了基于DT 高精度數字化控制系統的管道全位置焊接系統，如圖3 所示。通過DT 物聯網技術，采用數字直驅或者模擬信號驅動方式，可與各種焊管鉗或者全位置焊接機頭集成，實現各種尺寸、材質、厚度的鋁合金、不銹鋼、碳鋼等材質管道全位置焊接。

圖3 DT數字化控制系統的管道全位置焊接系統

1.2 國外管道自動焊接裝備技術現狀

（1）美國CRC-Evans 公司研制了管道全位置自動焊機，圖4 為帶有電弧跟蹤功能的P-625系列自動焊機，具備自診斷、實時數據記錄、無線傳輸和衛星定位功能，能夠在保證高質量焊縫的同時最大程度地提高速度，相比CRC-Evans系列以往產品，其質量更輕、體積更小[6]。

（2）法國Serimax 公司研制了Saturnax 系列全自動焊系統，具有結構穩固、焊接工藝管理和集成、簡易的軌道參數設置、穩定的焊弧和熔池等特點。該公司研發的最新一代管道自動焊機如圖5 所示，綜合了30 多年的優質管道焊接經驗，更加注重效率、質量和靈活性，適用最小外徑168.5 mm的管道[7]。

（3）美國Magnatech公司研制的Pipeliner II焊機如圖6所示，主要用于進行管道與管道、管道與管件的焊接。可互換的導向環將頭部安裝在管道上，允許工件尺寸范圍為168～1 524 mm，甚至更大。Pipeliner II 焊機通過增加占空比、降低維修率和提高焊縫穩定性來提高生產效率。

圖6 美國Magnatech公司Pipeliner II焊機

（4）PTL 公司研制的HALO 自動焊系統如圖7 所示，帶有上、下、左、右調整電機及可快速拆裝的焊接夾持結構，最大移動速度2 m/min，具備可調節參數的控制軟件和遠程控制功能，能提供全面定制。

圖7 PTL公司HALO自動焊系統

2 自動化焊接技術在長輸油氣管道焊接中的適用性分析

2.1 長輸油氣管道焊接

2.1.1 野外現場作業

管道運輸因其經濟、安全、不間斷的優勢成為石油、天然氣等基礎能源的主要運輸方式。油氣管道在野外建設，鋪設過程會穿越高山、峽谷、河流等不同的地形地貌，需要進行現場流動焊接施工。流動性施工使其與標準化產品相比，施工管理、質量監督的難度更大，焊接質量容易受環境溫度、濕度、風速變化的影響。

2.1.2 全位置焊接

管道建設的焊縫主要為對接環焊縫。由于油氣管道建設地處野外，且管線長度大，因此難以采用可實現位置變換的焊接工裝，因此只能在環縫組對完成后以焊炬繞管道開展360°全位置焊接。

2.1.3 窄小坡口填充

隨著管線鋼強度的提升和管道壁厚的增大，拘束應力增加，焊接易導致嚴重的殘余應力甚至裂紋。因此在設計焊接工藝時往往需要設法減小熱量在金屬上的作用范圍。一般做法是預先在厚壁管道兩側加工小角度階梯坡口或 U 形坡口[8]，在窄小間隙中完成填充焊接。

2.2 管道焊縫跟蹤技術

基于電弧傳感的焊縫自動跟蹤系統具有實時響應、結構簡單、成本低廉等優點，在國內外管道焊接中已有較為成熟的應用。雖然電弧傳感焊縫跟蹤技術在管道焊接領域已有應用，但焊縫根部與蓋面層的跟蹤效果較差。激光視覺焊縫跟蹤系統應用范圍廣、檢測精度高，可有效彌補電弧傳感焊縫跟蹤技術的不足。兩種焊縫跟蹤技術的區別主要表現在以下方面。

2.2.1 應用范圍

電弧傳感焊縫跟蹤的原理是在焊炬擺動過程中實時檢測焊炬高度方向尺寸變化引起的焊接參數信號變化，因此只能在焊炬可以正常擺動且焊接部位高度方向有顯著尺寸變化的位置使用。而激光視覺焊縫跟蹤技術是利用工業相機采集激光照射工件后的反射信息，通過分析圖像特征獲得焊炬橫向位置偏離數據以實現焊接位置糾偏。因此，激光視覺焊縫跟蹤無需保持焊炬擺動或要求焊接區域高度方向有尺寸變化，在空間受限的位置或坡口深度方向尺寸變化不顯著的位置，如焊縫根部和蓋面層部位，激光視覺焊縫跟蹤技術將發揮更大的作用。

2.2.2 檢測精度

電弧傳感焊縫跟蹤技術將電弧本身作為傳感器的一部分，檢測精度高度依賴于焊接電弧的穩定性。而激光視覺跟蹤是通過工業相機采集激光照射工件的反射信息，采集位置領先于焊接位置，即前置檢測，采集圖像為待焊接部位的坡口信息，幾乎不受焊接過程穩定性的影響，檢測精度更高。

2.2.3 儀器設備

電弧傳感焊縫跟蹤技術的傳感器為電弧本身，只需少量控制電路即可實現跟蹤功能。而激光視覺焊縫跟蹤采用工業相機做視覺傳感器、激光做輔助光源，跟蹤器體積相對較大，設備需要固定于焊炬上隨焊炬共同運動，額外增大了焊炬體積，因此在使用時需要考慮跟蹤器與工件、對口器等其他設備的干涉情況。

綜合上述分析，在管道焊接過程中，將基于電弧傳感和激光視覺傳感的焊縫跟蹤技術相互結合，可充分發揮各自優勢，取長補短，獲得更好的跟蹤效果。電弧傳感與視覺傳感特征對比見表1。

表1 電弧傳感與視覺傳感特征對比

3 管道自動化焊接技術發展趨勢

3.1 管道焊接的智能化升級方向

基于目前較為成熟的智能化焊接技術，管道焊接的智能化升級主要有以下幾個方向：

（1）采用多傳感器協同工作提高焊縫跟蹤精度。將電弧和視覺兩種傳感器相互結合，可選擇采用協同工作或獨立工作模式。協同工作模式下，雙傳感器感知的信息可以相互融合和校正，控制器綜合判定后指揮執行機構完成跟蹤調控；獨立工作模式即單開電弧或視覺焊縫跟蹤設備，在現場環境和工件坡口狀態總體良好的情況下，可以選擇單開某一傳感器的跟蹤設備，節省能源，同時保證精度。

（2）基于機器視覺實現焊接大數據感知與智能反饋控制。利用高精度、大存儲、小體積的工業 CCD 攝像機搭建焊接過程信息視覺感知系統，其主要任務是完成焊接過程熔池、熔滴、熔透、電弧、焊絲、飛濺、缺陷等多方面信息的感知與實時存儲。可加入智能反饋控制，如熔透控制、缺陷控制；可組建焊接工藝數據庫，實現未來任意時刻對任意焊縫的工藝參數及過程狀態信息的追溯；建立故障代碼數據庫與遠程推送數據庫，可以實現遠程故障診斷、工藝參數自動優化匹配與功能模塊自主更新。

（3）借助深度學習算法實現多信息傳感融合質量控制。利用視覺、聲音、電信號等多種傳感器實時獲知焊接過程的多種特征信息，利用神經網絡、支持向量機、主成分分析等算法將獲取的復雜信息根據不同的焊接特征分類識別，同時剔除冗余信息，然后基于分類數據利用 PID、模糊控制等人工智能控制方法實現焊接質量控制。

3.2 管道焊接的智能化流程

管道焊接機器人接受發出的任務指令后，開啟焊接起始點尋位功能，激光搜索焊縫，找到焊縫后，反饋控制機器人執行機構到達焊接起始點位置；到達起始點后，啟動焊接系統和焊縫跟蹤功能，利用電弧、激光跟蹤結合的方式進行焊縫自主跟蹤，焊接過程中實時進行路徑規劃。同時，視覺系統還可根據所測的焊縫尺寸數據，計算所需的焊接參數，如焊接速度、電弧電壓、焊接電流、擺動幅度等，以此調用焊接工藝專家庫并控制焊接電源調整焊接參數，實現自適應的焊接參數控制。待焊接一周后，激光視覺系統檢測到起弧點，自動重疊焊接一段距離后再熄弧，重復操作完成多層多道焊接；然后，經操作員人工確認后，機器人關閉焊接系統，之后結束整個任務流程。管道焊接的智能化流程如圖8 所示。

圖8 管道焊接的智能化流程

3.3 管道焊接智能化實施過程中的關鍵技術

3.3.1 焊接導引和跟蹤

（1） 焊縫起始點導引。激光視覺系統通過借助自動化標定軟件完成激光平面標定和手眼標定，對主動視覺采集的焊縫原始圖像進行預處理，最大限度濾除干擾，消除噪點，從而將包含焊縫特征信息的激光條紋從周圍背景中分離出來。通過三維點云數據序列重建、焊接工件的分割和擬合等步驟，完成對工件模型的擬合，以得到焊縫位置及初始點信息。

（2）多層多道焊縫跟蹤。采用基于主動視覺的坡口特征點信息的提取及識別算法，完成焊縫頂部和焊縫底部特征點識別，利用雙目視覺傳感器對焊接過程中的激光條紋圖像進行實時采集、處理、提取激光條紋中心線和焊縫特征點[9]。

采用基于電弧跟蹤的電流電壓信息采集及特征提取，利用霍爾傳感器獲取焊接過程中的電弧信息，并將之轉換為電壓、電流信號輸出，利用數據采集卡接收轉換為電壓、電流信號的電弧信息，發送給控制系統。分別從時域、頻域、時頻域的角度分析電流、電壓信號與電弧-側壁距離的相關性。

采用基于神經網絡的多源信息融合焊縫跟蹤算法，例如采用Matlab的深度學習工具箱和Simulink建立仿真模型，對跟蹤算法進行仿真驗證，并對結果進行分析，最后進行焊縫跟蹤驗證試驗。

3.3.2 焊接過程質量信息化

（1）電弧信息。將電流、電壓等焊接參數的波動性作為評估焊接缺陷的指標，并建立參數波動和焊接缺陷之間的關聯。利用焊接監測系統，將電弧焊接中焊接參數設定值與實際焊接參數值進行實時監控，實現焊接過程可追蹤，實時判斷是否出現焊接缺陷以及缺陷類別。

（2）熔池監測。運用雙目視覺中的被動視覺功能，實時獲取正面熔池圖像。運用圖像處理方法即可獲知當前熔池尺寸，直觀判定當前焊接質量[10]。通過基于神經網絡的熔池監控，將處理后的圖像信息傳輸給神經網絡進行識別，最后通過神經網絡輸出的信息控制焊接機器人做出相應的缺陷評估操作。

4 結論與展望

智能化焊接技術在汽車及其零部件制造與裝配、食品行業的生產輸送及包裝、電子電器生產線產品輸送、物流倉儲等產品標準化程度較高的行業已經廣泛應用，管道自動化焊接也必然要向智能化發展。管道焊接的智能化升級可圍繞采用多傳感器協同工作提高焊縫跟蹤精度、基于機器視覺實現焊接大數據感知與智能反饋控制、借助深度學習算法實現多信息傳感融合質量控制開展研究，采用視覺傳感方法監測熔池形貌并獲取焊后焊縫界面輪廓信息，實現在線焊接質量和焊后焊接質量信息化。以上技術的研究將為推進管道焊接施工水平的升級換代提供助力，為傳統能源運輸行業的技術進步提供重要保障。