李多云

國家管網(wǎng)集團甘肅公司酒泉維搶修中心

摘要：傳統管道搶修中人工下料精度低、耗時(shí)久，焊接易受坡口組對質(zhì)量、參數設置等影響，導致?lián)屝扌�率低下、焊接合格率不高。本文以三維激光掃描全自動(dòng)下料系統和熊谷A-302全自動(dòng)焊機為核心設備，探索全自動(dòng)下料與全自動(dòng)焊接技術(shù)在管道搶修中的協(xié)同應用效果，針對傳統搶修作業(yè)的痛點(diǎn)，結合現場(chǎng)搶修場(chǎng)景中存在的問(wèn)題，提出針對性解決方案。實(shí)踐表明，全自動(dòng)下料可縮短作業(yè)時(shí)長(cháng)、精簡(jiǎn)作業(yè)人員，搶修效率提升80%以上，且為焊接提供標準坡口與組對間隙，使管口焊接合格率達98%。全自動(dòng)焊接通過(guò)優(yōu)化焊槍停留時(shí)長(cháng)、擺動(dòng)加速度等參數，有效解決坡口角度差、焊道不均等問(wèn)題，減少焊接缺陷。全自動(dòng)下料與全自動(dòng)焊接技術(shù)的協(xié)同應用，能顯著(zhù)提升管道搶修的效率與質(zhì)量，為大口徑油氣管道應急搶修提供可靠技術(shù)支撐，具有廣泛推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)下料；全自動(dòng)焊接；管道搶修；焊接合格率

傳統管道搶修作業(yè)管道下料環(huán)節依賴(lài)人工測量與焊接切割，受操作人員技術(shù)水平、現場(chǎng)環(huán)境等諸多因素影響，測量精度和切割效率低，且人工修磨坡口很難精準控制角度使得組對間隙也不穩定，導致傳統熔化極氣體保護焊的焊接作業(yè)出現質(zhì)量缺陷，管口焊接合格率僅為85%左右，從而影響搶修質(zhì)量與進(jìn)度。本文旨在探索全自動(dòng)下料與全自動(dòng)焊接技術(shù)在管道搶修中的協(xié)同應用模式，制定全自動(dòng)下料系統的標準化操作流程，解決全自動(dòng)焊接作業(yè)中坡口角度不對稱(chēng)、焊道寬窄不均、焊層厚度不均等技術(shù)難題，實(shí)現兩項技術(shù)在管道搶修中的協(xié)同應用，提升管道搶修的效率與質(zhì)量。

1  應用研究

首先，梳理傳統搶修作業(yè)中管道下料與焊接環(huán)節的主要問(wèn)題。然后，針對全自動(dòng)下料系統制定標準化操作流程；針對焊接作業(yè)中坡口角度不對稱(chēng)、焊道寬窄不均等問(wèn)題，通過(guò)全自動(dòng)焊接作業(yè)優(yōu)化方案加以解決。最后，通過(guò)現場(chǎng)試驗，驗證技術(shù)方案的可行性與有效性。

1.1  問(wèn)題分析

傳統下料環(huán)節由人工進(jìn)行測量與焊接切割，一般測量精度偏低，通常誤差在1 mm以上，并且切割效率低，比如完成一段管徑DN 813管道的下料需4小時(shí)左右，還需多人協(xié)同作業(yè)。傳統焊接作業(yè)環(huán)節多采用熔化極氣體保護焊，對坡口角度、組對間隙等要求較高，但人工修磨坡口很難精準控制角度，如標準要求單邊坡口角度23.5°±1.5°，實(shí)際偏差常達3°～5°；組對間隙也不穩定，如標準要求2.5 mm～4.5 mm，實(shí)際作業(yè)中常為3.0 mm～6.5 mm；此外還存在焊層厚度不均勻和保護氣體比例不滿(mǎn)足標準要求等問(wèn)題，導致焊接作業(yè)出現焊肉過(guò)高、熔合不良、夾渣等質(zhì)量缺陷，管口焊接合格率僅為85%左右。

1.2  設備選型與參數確定

全自動(dòng)測量下料設備選用基于三維激光掃描的自動(dòng)測量下料系統，支持DN200—DN1200管徑范圍，最大加工速度15 m/min，可兼容碳鋼、不銹鋼等多種管材。全自動(dòng)焊接設備選用熊谷A-302全自動(dòng)外焊機，該設備由焊接工作站、焊接小車(chē)組成，焊材為藥芯金屬焊絲，保護氣體為CO2和Ar2混合氣體（標準比例20%CO2+80%Ar2）。

在焊接作業(yè)前，根據搶修實(shí)際需求確定設備基礎參數。全自動(dòng)下料時(shí)切割速度根據管材材質(zhì)設定（碳鋼管道切割速度設為200 mm/min），預熱時(shí)間根據環(huán)境溫度調整（常溫下設為200 s）。全自動(dòng)焊接時(shí)焊接電流峰值根據管材厚度調整（如12 mm厚碳鋼管道，峰值電流設為280 A），行走速度控制在30 cm/min～50 cm/min。

1.3  全自動(dòng)下料標準化操作流程制定

（1）準備工作。在管件上畫(huà)好管道中線(xiàn)和圓周向基準線(xiàn)，確定兩端零位點(diǎn)，零位點(diǎn)與管道邊緣預留切割距離不少于100 mm；安裝切割導軌，根據管道直徑選擇匹配規格，確保導軌外邊緣與零位點(diǎn)間距為250 mm~350 mm；安裝主機，將鏈輪調至最低位置后安放主機；連接線(xiàn)纜并接通電源；調節割炬角度，安裝畫(huà)針并對準零位點(diǎn)，按數控系統F3鍵歸零，設置切割速度、預熱時(shí)間、管直徑等參數。

（2）管道掃描及數據計算。將激光掃描儀置于管端中間（圖 1），開(kāi)機后設置掃描參數（分辨率28.0 MPts/3x，掃描范圍360°/﹣60°～90°）并啟動(dòng)掃描（掃描時(shí)間約1 min 39 s），掃描過(guò)程中避免人員或物體遮擋。掃描完成后導出掃描數據至SCENE軟件，生成三維模型并導出點(diǎn)云數據。

圖 1 管道掃描示例 

（3）切割指令生成與作業(yè)。將點(diǎn)云數據導入自動(dòng)測量下料系統，創(chuàng )建工程并輸入參數，系統自動(dòng)處理數據；進(jìn)行指令計算，導出上下游端面切割指令，通過(guò)U盤(pán)將指令導入數控切割機系統。在切割機上，選擇U盤(pán)文件并復制到本機，運行切割程序。

1.4  全自動(dòng)焊接問(wèn)題解決方法

（1）坡口角度不對稱(chēng)問(wèn)題。針對維搶修中管道坡口角度差大于2°的問(wèn)題，需要調整焊槍左右停留時(shí)長(cháng)。利用焊接工作站的控制系統窗口（圖 2），根據坡口角度差值計算停留時(shí)長(cháng)調整量，如坡口角度每小于標準值1°，停留時(shí)長(cháng)減少10 ms，最大減少量不超過(guò)35 ms。

圖 2 焊槍左右停留時(shí)長(cháng)調整窗口 

（2）焊道寬窄不均勻問(wèn)題。由于組對間隙變化不均，導致焊道寬窄不一，需調整焊槍擺動(dòng)加速度。在焊接前，用焊縫檢測尺測量焊道寬窄并標記，打開(kāi)控制系統“擺動(dòng)加速度”對話(huà)框，按“寬窄變化每1 mm對應2～3個(gè)加速度當量”的原則調整參數。如某段焊道寬窄從3 mm變化到5 mm，變化量為2 mm，將擺動(dòng)加速度在原有基礎上增加4~6個(gè)當量，提高焊槍擺幅變化的靈敏度，避免焊道兩邊墜肉或坡口未熔合。

（3）焊層厚度不均勻問(wèn)題。根焊層厚度不均勻（差異達0 mm～3.5 mm）會(huì )導致導電嘴干絲長(cháng)度變化，進(jìn)而引發(fā)焊接參數波動(dòng)。解決方法分兩步：一是在氬弧焊熱焊階段，根焊完成后用檢測尺分段測量厚度，在焊道窄處增加送絲量以增厚填充層，寬處減少或不送絲，熱焊后確保焊層厚度控制在5 mm～6 mm，若超出范圍則打磨修補；二是定期檢查導電嘴，若出現燒損，立即停機，對可能“滲銅”的位置徹底打磨清理，補焊后再繼續焊接，防止產(chǎn)生“滲銅”裂紋。

（4）保護氣體比例影響問(wèn)題。保護氣體中CO2比例過(guò)高或過(guò)低都會(huì )影響焊接質(zhì)量，一般保護氣體廠(chǎng)家提供的混合氣體CO2比例為20±5%。因此在焊接前需使用氣體分析儀復檢混合氣體比例，確保CO2比例在20±1.5%范圍內。

1.5  協(xié)同應用驗證方法

某DN1016碳鋼管道、破損長(cháng)度1.5 m的搶修現場(chǎng)，采用上述全自動(dòng)下料與全自動(dòng)焊接技術(shù)進(jìn)行搶修作業(yè)，記錄下料時(shí)間、焊接時(shí)間、人員數量、焊接缺陷率等數據，并與傳統搶修方式對比，驗證應用效果。同時(shí)，在不同管徑（DN 559、DN 813、DN 1219）、不同環(huán)境溫度（﹣10℃、25℃、40℃）下進(jìn)行多次試驗，分析技術(shù)的適應性與穩定性。

2  應用效果

2.1  全自動(dòng)下料應用效果

（1）效率提升。在DN 1016管道現場(chǎng)搶修中，全自動(dòng)下料系統從測量到完成切割僅用1.8小時(shí)，相較于傳統人工下料4小時(shí)縮短作業(yè)時(shí)長(cháng)55%；作業(yè)人員僅需2人，比傳統人工下料減少人員50%。在不同管徑試驗中， 管徑DN 559、DN 813 、DN 1219分別用時(shí)1.2小時(shí)、1.5小時(shí)、2.0小時(shí)，平均作業(yè)效率較傳統方式提升80%以上。

（2）精度提升。全自動(dòng)下料系統測量精度達±0.1 mm，切割誤差≤0.3 mm，能精準控制坡口角度與組對間隙。在DN 1016管道試驗中，單邊坡口角度偏差控制在1°以?xún)�，組對間隙穩定在3.0 mm～4.0 mm，完全符合全自動(dòng)焊接的工藝要求。

全自動(dòng)下料技術(shù)憑借三維激光掃描的高精度與AI算法的智能規劃，能有效解決傳統人工下料精度低、效率低的問(wèn)題，為全自動(dòng)焊接提供標準的坡口與組對間隙，是提升管道搶修質(zhì)量的前提保障。其標準化操作流程（從準備工作到切割作業(yè)）具有較強的可操作性，適用于不同管徑、不同環(huán)境下的管道搶修場(chǎng)景。

2.2  全自動(dòng)焊接應用效果

（1）焊接缺陷減少。焊接后檢測結果顯示，通過(guò)調整焊槍停留時(shí)長(cháng)、擺動(dòng)加速度等參數，坡口兩側焊肉高度差從傳統焊接的2 mm降至0.5 mm以?xún)�，并且無(wú)熔合不良現象；焊道兩邊墜肉量從1.5 mm減少至0.3 mm，未出現未熔合缺陷。通過(guò)控制保護氣體比例（CO2比例20±1.0%）和搭建防風(fēng)棚，有效減少氣孔、夾渣等缺陷，焊接缺陷率降至2%以下。

（2）焊接質(zhì)量與效率提升。全自動(dòng)焊接技術(shù)的焊接速度可達60 cm/min，相較于傳統人工焊接的30 cm/min，速度提升100%。在DN 1016管道焊接中，經(jīng)無(wú)損檢測（射線(xiàn)檢測、超聲檢測），抗拉強度達到母材的95%以上，沖擊韌性在﹣20℃時(shí)仍能滿(mǎn)足使用要求，管口焊接合格率達98%。

全自動(dòng)焊接技術(shù)通過(guò)智能控制系統對焊接參數精準調控，能有效應對管道搶修中坡口角度差、焊道不均等問(wèn)題，減少焊接缺陷，提升焊接質(zhì)量與效率。

2.3  協(xié)同應用效果

在DN 1016管道搶修中，全自動(dòng)下料系統與全自動(dòng)焊接技術(shù)協(xié)同應用，從故障發(fā)現到搶修完成總時(shí)長(cháng)縮短50%；搶修作業(yè)人員減少50%。搶修完成后，管道一次性試壓合格，無(wú)泄漏現象。此外，在不同管徑試驗中，協(xié)同應用均能高效完成搶修，且隨著(zhù)管徑增大，效率優(yōu)勢更加明顯。如DN 1219管道傳統搶修需16小時(shí)，而協(xié)同應用僅需7小時(shí)。兩者協(xié)同應用可以形成“精準下料與高質(zhì)量焊接”的一體化搶修模式，提升管道搶修的整體效率與質(zhì)量。

3  結語(yǔ)

研究表明，全自動(dòng)下料與全自動(dòng)焊接技術(shù)在管道搶修中具有十分重要的的應用價(jià)值，能將管道搶修時(shí)間縮短50%以上，人員數量減少50%，管口焊接合格率提升至98%，大幅降低了管道停輸帶來(lái)的經(jīng)濟損失與安全風(fēng)險。本文制定的全自動(dòng)下料標準化操作流程和提出的全自動(dòng)焊接作業(yè)優(yōu)化方案經(jīng)現場(chǎng)試驗驗證，具有可行性與有效性，可直接應用于管道搶修作業(yè)中。此外，全自動(dòng)下料與全自動(dòng)焊接技術(shù)的協(xié)同應用還可拓展至不銹鋼等其他材質(zhì)管道的搶修作業(yè)，且隨著(zhù)管徑增大，其效率與質(zhì)量?jì)?yōu)勢更加突出，尤其適合大口徑油氣管道的應急搶修。實(shí)際管道搶修作業(yè)中，應充分考慮管道搶修的特殊性，如管道應力變形導致的坡口不規則、現場(chǎng)空間受限影響設備安裝等問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化設備安裝方式、靈活調整參數，確保技術(shù)穩定應用。

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作者簡(jiǎn)介：李多云，1998年生，二級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運工程專(zhuān)業(yè)，現任酒泉維搶修中心搶修技術(shù)崗，現研究方向為長(cháng)輸管道搶修、焊接工藝優(yōu)化與故障診斷工作，管道現場(chǎng)應急作業(yè)技術(shù)攻關(guān)等。聯(lián)系方式：19993736262，lidy09@pipechina.com.cn。