大型储罐横焊技术的发展与应用

刘泽民，方 平

(南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 330063)

大型储罐横焊技术的发展与应用

刘泽民，方 平

(南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 330063)

阐述了当前我国大型储罐的发展状况，比较了大型储罐目前常用的横焊工艺；论述了横焊焊接设备的发展和前景，重点阐述了当前应用较普遍的自动横焊机和正在重点研究的移动横焊机器人；论述焊接自动跟踪技术在横焊中的应用和发展，讨论了接触式、激光图像和激光测距传感器等几种常见焊接跟踪传感器。

储罐焊接；焊接设备；自动跟踪

0 前言

随着我国经济的高速发展，原油的进口量大增，建立战略石油储备已引起国家高度重视。战略石油储备一期项目包括镇海、舟山、黄岛和大连四大石油储备基地已基本完成，总规模1 640万m3，可储原油约1 100万～1 200万t。现在又正在规划、建设规模更大的二期、三期石油战略储备基地[1]。石油战略储备基地建设离不开大型储罐，它是石油化工行业非常重要的储运设备，越来越多地用于原油、成品油的储运工程。国民经济的快速发展和战略石油储备的建立也极大地推动了大型储罐需求。

由于大型储罐建造工作量大，消耗工时、资金大，建造的经济性已经成为人们日益重视的课题。大型储罐很多直径在几十米以上，受运输和安装条件的限制，大多数都在现场制造安装。而每节筒体的环向焊缝，由于焊道长，焊接工作量巨大，提高横焊焊接效率对于储罐的生产具有重要的意义。因此，储罐的高效焊接技术越来越受到重视，许多高效焊接技术在储罐施工中得到推广应用。

1 储罐横焊焊接工艺

大型储罐的横缝焊接方法主要有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。国外在大型储罐的建造中，罐体横焊普遍采用自动焊工艺，技术已相当成熟。受制于技术和资金的影响，我国现在大型储罐的焊接自动化水平较低，焊条电弧焊还占有相当大的比例，自动焊没有得到广泛的推广和应用。

焊条电弧焊工人的劳动强度大、焊接质量依赖于焊工的技术水平，存在焊接质量不稳定、焊接效率差等缺点[2]。可以预见，在一个较长时期内，受生产力发展水平和技术水平的影响，焊条电弧焊在我国大型储罐的焊接上还将占较大的比例。

我国在20世纪80年代初开始引进大型储罐自动横焊技术，经过近30年的发展，部分技术装备实现了国产化；大型储罐埋弧自动横焊技术已取得了突破性进展，单丝埋弧焊技术基本成熟，操作简单，焊接质量稳定，抗风能力强，适合储罐的现场焊接，同时具有焊缝成形美观、焊接质量优良、劳动强度低和生产效率高等优点[3－6]，在大型储罐焊接中发挥重要作用。不少单位正在开展双丝或多丝埋弧横焊技术的研究，以进一步提高焊接效率。

气体保护横焊[7－8]具有电弧热量集中、熔池小、结晶快、熔敷效率高、速度快、焊接条件好以及焊接过程无熔渣等优点。与埋弧自动横焊相比，气体保护焊不需要复杂的焊剂回收装置，减化了系统，没有残余焊剂污染环境，易于实现焊接过程的机械化和自动化。但就储罐焊接的现场作业来说，不利于防风，这是气保护焊要考虑的重要问题。

双脉冲技术应用于横焊有其特殊的优势。双脉冲电源焊接通过控制对焊接熔池的热输入来控制熔池的凝固过程，强脉冲电流熔化焊缝金属，弱脉冲维持电弧等待熔池凝固，从而通过控制电流强弱脉冲时间，消除因重力引起的熔池金属下淌，有效控制了焊缝成形。在20世纪80年代，韩英喜等人和石油部技术人员、清华大学研究过双脉冲电源在横焊中的应用[9]；王会霞等人对双脉冲MAG横焊工艺进行了研究[10]；天津大学的李桓等人试验了双脉冲埋弧横焊，效果良好[11]。实验证明，脉冲电弧对熔池金属具有强烈的搅拌作用，细化了焊缝组织，提高了焊缝的强度和塑性。

传统的焊条电弧焊由于劳动强度大、效率低等缺点，正逐渐被机械化、自动化程度更高的埋弧自动横焊和气体保护焊等焊接方法取代。随着我国焊接材料生产工艺的成熟，施工技术水平的不断提高，各种不同高效率、高质量焊接方法在大型储罐施工中得到应用，不仅降低了劳动强度，还能提高生产效率和经济效益。

2 储罐横缝自动焊接设备

用于大型储罐横焊的自动焊接设备主要有两类：第一类是在国内外获得广泛应用的横缝自动焊机，第二类是正在研制中的移动焊接机器人。

埋弧自动焊用于大中型储罐焊接有正装和倒装两种焊接方法，埋弧自动焊专机也对应有正装、倒装埋弧自动焊机。正装法埋弧自动焊专机吊在壁板上，沿壁板上边移动，国内常见的这类焊机有日本新日铁 MISA－HB－A4[12]、美国的 AGW－I[13]、廊坊石油管道局特种机具研究所HFX－I型横缝埋弧焊机。倒装法用于壁板比较薄的储罐焊接，焊接专机在地面架设的辅助轨道上移动，中国石油工程技术研究院研制的D－AGW型横缝埋弧自动焊机就是倒装法专机[14]。还有正装与倒装两用埋弧焊专机，这种焊接专机的移动机构是可拆装形式，可根据正装与倒装的需要安装，两用专机有南京奥特公司的SAHW－I型横缝埋弧焊机[15－16]。

国外比较先进的横缝自动焊机可以通过各种组合实现一机多用，控制系统能够存储多套焊接参数，控制灵活，结构合理，但价格昂贵。国内近年来也开发了类似产品，目前应用较多的是南京奥特公司的AUTO SHAW－I/II型储罐埋弧自动横焊机、中国石油天然气总公司工程技术研究院研制的AGW－II横缝自动焊机、中国石油天然气管道科学研究院研制的TGW大型横缝自动焊机。南京创佳机电设备有限公司、沈阳大学焊接研究所、昆明理工大学、天津工程技术研究所、沈阳自动化所和珠海百事达机电公司也开发了类似的产品[17－18]。

埋弧横焊自动焊机主要由焊接电源、焊接机头、焊剂输送回收系统、焊剂托送机构、送丝机构、行走机构、行走框架及轨道等组成。各个部分合理地集成在焊接行走机架上，电气综合控制系统协调各部分统一工作。横缝自动焊机沿轨道行走进行焊接，机架的行走速度即是焊接速度。焊剂循环系统采用吸压式焊剂回收器。工作时，机架自身的质量使托轮带紧贴在壁板上，焊剂从机架顶部的焊剂桶中沿导管下落到托轮带上，实现对焊接电弧的保护。在焊接的同时，大功率的洗尘器再将剩余焊剂从熔池的后方回收到焊剂桶中，再次循环利用。值得注意的是：一段时间后，焊剂要全部回收，进行烘干处理。焊机行走机构由电机、传动机构和轮子组成。由电机经传送系统驱动轮子带动框架运动。

横焊自动焊机框架体积较大，以容纳焊接电源和焊剂回收机构等，由于自动化程度不够高，其焊接过程需要人工干预，还要容纳操作自动焊机的操作员，所以自动焊机非常笨重，焊接过程中吊装和拆卸不方便，操作人员在框架内很小的空间工作，尤其夏天高温时候，工作环境很恶劣，加上在高空作业，安全性差。

为了克服横缝自动焊机的缺点，研究人员正在积极开发各种横焊机器人，以代替自动焊机完成大型储罐焊接。北京石油化工学院的蒋力培等人研制的BIPT型无轨全位置焊接机器人可用于储罐横焊[19]。该机器人的特点是：采用四轮柔性机构，保证左右两侧磁轮同时接触球罐表面；各轮与钢板封闭磁路，小车总体磁力达200 kg以上；四主动轮结构和左右磁轮差速运动，可实现原地转动，机动灵活。该机器人采用的CCD光电轨迹跟踪系统由两个CCD光电传感器和一个横向滑块组成，焊接过程中通过传感器识别焊缝偏差，由滑块调节焊枪，实现精确跟踪。

清华大学和南昌大学等单位研制的磁吸附轮履式焊接机器人可用于大型储罐横焊[20－21]。该机器人采用轮履式结构，两条履带上带有多个永磁块，加上机器人本体底座上装有多个永磁铁，具有强大的吸附能力；其传动系统由交流伺服电机、行星减速机和蜗轮蜗杆减速机组成，机器人结合轮、履两种结构的优点，能够实现运动平稳和转弯的灵活控制。该机器人采用光学传感器跟踪和微调十字滑块、PLC控制器组成焊缝跟踪系统。激光传感器检测到焊缝偏差，经PLC处理后，控制微调十字滑块控制焊枪，消除偏差，实现了对焊接过程的精确控制。

由于机器人可直接在罐体表面进行全位置自动焊接，无需安装轨道，无需人工跟踪，自动化程度高，能大幅度降低劳动强度、工人操作难度和设备成本。当前，这类机器人正在研究完善中，待技术成熟以后，可望在储罐的横焊中得到广泛的应用。

3 储罐焊接跟踪方法

常见的焊接跟踪传感器主要有机械接触式，光学式、激光测距式传感器、旋转电弧传感器和超声传感器等[22－24]。在储罐的横焊中，应用较多的是机械接触式传感器和光学传感器。

最初对焊接进行焊缝跟踪时最常采用的传感器就是接触式传感器，接触传感器装有导杆或导轮在焊炬前方探测焊缝位置。探头式跟踪系统中，传感器的探头直接与焊缝坡口接触，直接对偏差进行检测，可在感知水平横向和高度垂直方向的偏差。当焊枪偏离焊道时，传感器将检测到的偏差发送给控制系统，控制焊枪动作消除偏差。接触式传感器的最大优点是系统简单，可靠性高，不怕焊接过程中的磁、光、烟尘、飞溅等干扰。但接触式传感器获取的焊缝位置信息量较少，应用范围较窄，精度和灵敏度都比较低，不适用于精密焊接。

光学式跟踪传感器有划线光学跟踪和直接激光图像跟踪两种方式。划线光学跟踪方式要求焊接前预先在远离环缝坡口的储罐壁板画一条与环缝坡口平行的直线，作为跟踪焊缝的基准线，焊接时与焊枪同步调节的光斑对中器跟踪此线，以实现焊缝对中。这种方法对传感器图像处理技术要求较低，容易实现。其缺点是：对划线精度要求高，划线辅助工作时间长，在组装后的罐壁板上画环线难度大，不易保证划线精度要求，实际跟踪精度较差。

另一种光学跟踪方式是直接激光图像跟踪焊缝方式。这种方式的光学传感器内置有激光器，发射的激光照射在焊缝上，传感器内的摄像头采集到焊缝坡口的形状和位置，由于传感器和焊枪固连，当焊枪和焊缝位置出现偏差时，传感器所采集的图像能检测到这个偏差，其偏差信号传给控制系统，由控制系统发出信息控制焊枪以消除偏差。这种激光图像跟踪传感器采用直接跟踪坡口位置的方法，提高了跟踪精度，无需焊前板壁画线，是一种具有优良发展前景的跟踪方法[25]。

现在，新型采用激光测距方式跟踪焊缝的传感器也已问世，激光扫描测距传感器通过对焊缝进行扫描，可准确测定焊缝的空间位置[26－27]。

4 结论

我国大型储罐的横焊技术水平与世界先进国家技术水平相比还有较大差距，要大力研究双丝、多丝埋弧横焊，大电流脉冲焊，以进一步提高焊接效率；研制新型自动化焊接装备，提高焊接自动化、智能化水平。

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Development and technology of horizontal welding for oil tank

LIU Ze-ming，FANG Ping
(School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

This paper state the current oil tank development in China，explain the common horizontal welding technology applied nowadays，and compare their advantages and disadvantages here.The prospects and development of horizontal welding equipment are elaborated here，with the focus on automatic horizontal welding machine commonly applied today and the development and application of mobile horizontal welding robot which is under research.The application and development of automatic tracking technology regarding horizontal welding is described here，and the welding automatic tracking sensors such as touch sensors，laser image sensor and laser ranging sensor are discussed.

oil tank horizontal welding；welding equipment；automatic tracking

TG441.4

C

1001－2303(2011)03－0046－04

2010－02－02

刘泽民(1977—)，男，江西吉安人，讲师，硕士，主要从事焊接自动化的研究工作。