螺旋缝埋弧焊钢管智能制造发展与展望

孙志刚，周书亮，李建明，李汝江

（渤海装备华油钢管公司，河北 青县 062658）

纵观世界近300年的工业化历程，制造业始终处于经济发展的核心地位，推动制造业智能化是抢抓新一次工业革命机遇的重要抓手，是促进传统优势产业升级的必然选择。同时，制造业也是促进国家间经济合作、人员往来、共同发展的桥梁纽带。

近年来，全球制造业正迈向数字化、智能化时代。为应对制造业新技术变革，众多国家不约而同地将智能制造作为制造业未来发展的重要方向。美国的《先进制造业国家战略计划》，旨在大力推动以“工业互联网”和“新一代机器人”为特征的智能制造战略布局。德国意欲主导智慧工厂等工业4.0标准制定，掌控智能制造的规则话语权。日本提出了《机器人新战略》、“社会5.0战略”等一系列战略措施支持智能制造的发展。

新中国成立70年来，我国制造业实现了“由小到大”的转变，目前拥有全球完整的产业体系和不断增强的科技创新能力，有力推动了国家工业化和现代化进程，显著增强了综合国力，对我国成为世界大国形成重要支撑。当前，新一轮产业变革正在加速兴起，我国制造业正处于爬坡过坎的关键阶段，必须坚持稳中求进工作总基调，坚持新发展理念，推动制造业高质量发展。目前，中国螺旋缝焊管的制造技术水平和工程应用取得快速发展，特别是高钢级大直径厚壁螺旋缝埋弧焊管的制造技术和工程应用方面［1-2］，如西气东输、中亚、中俄等高压大输量天然气管道工程，均大量采用了Φ1 422 mm×21.4 mm X80钢级的螺旋缝埋弧焊管并获得成功；Φ1 219 mm×22 mm X80钢级的螺旋缝埋弧焊管在世界范围第一次获得应用。

1 国内外螺旋缝埋弧焊管制造技术水平现状

19世纪美国首先发明了螺旋缝埋弧焊管一步法的加工方法，成型与焊接同时进行。1967年，美国石油学会发布了适用于螺旋缝焊管的API Spec 5L《管线钢管规范》。1984年，美国石油学会将螺旋缝埋弧焊管、直缝焊管及无缝钢管的标准统一为同一标准。目前在我国使用的油气输送钢管的主要技术标准有 API Spec 5L、GB/T 9711《石油天然气工业管线输送系统用钢管》、DNV-OS-F101《海底管线系统规范》，经常涉及到的标准还有ISO 3183《石油和天然气工业管道运输系统用钢管》、CAN/CSA-Z662《油气管道系统》等。

我国第一条螺旋缝埋弧焊管生产线始建于1959年，设备从苏联引进，生产的产品钢级较低，质量水平一般，大部分用于低压管道［3］。改革开放以来，随着我国石油工业的发展，西部油气资源的开发推动了油气长输管线的建设。近年以来，西气东输管线、陕京管线、中俄管线等工程建设推动了我国螺旋缝埋弧焊管技术的进步，其主干线所需钢管全部实现了国产化。

2 螺旋缝埋弧焊管生产线技术进步情况

国内外主流螺旋缝埋弧焊管生产工艺分为一步法和两步法。一步法生产工艺是指钢管成型和焊接在焊管主机上同步完成。机组有前摆和后摆之分，前摆机组和后摆机组都是以成型器为回转中心，分为前桥和后桥两部分。前桥绕成型器转动为前摆式，后桥绕成型器转动为后摆式，这两种方式的主要生产流程相同。

2.1 自动焊接工艺进步

螺旋缝埋弧焊管的生产工艺分为一步法和两步法。

一步法生产工艺，是指焊接和成型在同一生产线上同步完成，即成型和焊接同步进行。焊接采用内外埋弧焊，焊接速度较慢，成型过程中一些成型调整不确定因素容易造成钢管成型几何尺寸超出工艺标准，进而形成焊接质量缺陷。

两步法生产工艺是成型过程与焊接过程独立分离。步骤一：热轧钢带经成型器形成钢管管型后，用CO2气体保护焊在钢管内壁进行连续的预焊，在预焊的过程中，可随时对钢管的几何形状进行调整。步骤二：在精焊工作站进行内外埋弧焊接，采用多丝焊方法进行焊接。由于成型不受焊接过程的牵制，可以优化成型工艺参数，使得钢管的几何形状较为精确。

2.2 前摆式与后摆式一步法生产工艺比较

前摆式机组工艺特点：成型前所有设备均安装在可摆动的前桥上，包括开卷机、矫平机、递送机、剪切对焊机、铣边机和导板等，其特点是前桥摆动调整成型角，后桥微调，采用中心递送方式。

前摆式机组的优点是机组短，工序集中，换道容易；缺点是由于没有活套装置，必须停车对头，且不易纠正带钢“月牙弯”，影响生产的稳定性和作业率。

后摆式机组的工艺特点：工艺准备段设备安装在飞焊小车上，后桥上主要安装焊接设备、切割机、扶正器和钢管输出辊道。其特点是成型角的调整通过后桥围绕后桥回转点转动实现，采用递送边定位方式，可实现连续不间断生产。

后摆式机组工艺准备较长，可设置活套，采用边部递送方式，成型器中心转轴在一侧，带钢展开长度长，接板侧弯小，成型合口稳定［4］。

2.3 生产线装备发展

我国的钢管制造能力从数量上已能满足国内经济建设的需要，并且有较大富裕产能，但是在质量保证、精益化生产方面还不能完全满足日益提高的技术标准的要求。加大对工艺装备的改进，提升螺旋缝埋弧焊管生产线的自动化、数字化、智能化水平，推进螺旋缝埋弧焊管制造全生命周期物联网的建设，对提高产品质量、降低生产成本、对标国外先进制管企业将有重要的意义。

通过近几年技术积累和研发，螺旋缝埋弧焊管行业在机组设备自动化、数字化、智能化提升和物联网建设方面创新的开展工作，取得了行业内可以借鉴推广的引领性成果。

（1）成型焊接区域远程集中控制系统。

螺旋缝埋弧焊管在生产过程中，需要经过成型、内外焊接等关键工序。岗位人员戴防尘口罩、多人多点位现场操作设备，不仅劳动强度大、效率低，而且各类信息传递滞后、管理效率低，关键工序设备也未能实时监控，现场存在粉尘、噪音污染，存在职业健康管理风险。

经过技术研发积累和优化控制系统，行业内焊管厂已成功研发成型焊接远程集中控制系统［5］，该系统集成铣边、成型、内外焊、切管、运管等岗位，系统动态监控精确、响应快捷，一人可监控多个岗位，成型焊接各项数据均实时记录，关键设备运行状态实时监控，操作人员脱离粉尘、有毒物质、噪音的危害，实现远程集中操控。成型焊接远程集中控制室如图1所示。

图1 成型焊接远程集中控制室

（2）内焊板边自动跟踪。

研发应用接触式内焊板边自动跟踪系统（图2），结构简便、跟踪效果好、系统稳定、适用所有一步法螺旋缝焊管机组。该系统的优点在于不依赖激光对坡口的形貌分析来进行焊点跟踪，而是单纯以带钢递送边的偏移量作为焊点移动的依据；通过确定递送边检测点与焊点之间的固定位移，结合当前生产钢管规格，经过PLC逻辑运算，可准确计算出因递送边变化焊点位置所需移动量［6-8］。

图2 接触式内焊板边自动跟踪系统

该系统应用范围广，几乎不受管径、焊接位置空间和坡口形貌的限制，能够实现对头前后、月牙弯、钢带窜动等极端情况下零误差实时闭环自动跟踪，跟踪精度±0.1 mm；解决了小直径钢管因内焊空间受限而无法应用自动跟踪的行业难题。

（3）钢管周长实时测量系统。

行业内焊管厂通过在成型器出口布置激光测距传感器采集钢管实时位置［8］，经过PLC程序算法处理，实现了成型钢管周长数据实时测量和显示（图3），测量精度±1 mm，实现了由人工采用钢卷尺到自动实时测量监视的变革［9-10］。

图3 钢管周长实时测量系统

该装置具备人机对话功能［11］，便于换道调整，实现螺旋缝焊管焊接过程中对钢管周长的自动实时测量功能，测量结果稳定可靠，消除了人工测量的安全质量隐患，有效避免批量质量事故，提高了钢管周长尺寸精度，确保了钢管周长的一致性。

（4）自动定尺“一键切管”系统。

某焊管厂自主研发自动定尺“一键切管”系统（图4），通过人机交互系统和高精度伺服控制定位系统，实现切管系统的自动化、数字化，并结合板长测量系统，逐步向智能化方向发展。该系统在人机交互界面，输入切管长度，定尺装置自动运行到指定位置，定位精度±0.5 mm，定尺传感器检测到钢管管端时，切管机构动作［12］，实现自动切管功能。

该系统实现了切管过程全自动控制和数字化统计，省去了人工调整定尺的环节，提升切管效率10%；与生产信息管理系统相连接，实现了材耗分析、精细切割等精益生产管理功能。

（5）管端焊缝自动磨削系统。

行业内多家焊管厂，通过在磨削机器人第六轴机器臂安装伺服电机、磨头机构和激光视觉传感器等，实现了管端内外焊缝自动磨削，精度达到±0.12 mm，修磨质量稳定可靠，自动磨削机器人（图5）取代了人工操作磨削［13］，实现管端内外焊缝磨削两岗合一，保证焊缝磨削长度及焊缝余高的高精度。

图4 自动定尺“一键切管”系统

图5 焊缝自动磨削

自动磨削系统可以对钢管管端内外焊缝宽度、高度、错边等质量指标进行自动检测、存储，自动生成焊缝数据库，便于质量追溯。系统的应用进一步优化了工作环境、降低了劳动强度，提高钢管检验一次通过率2%，降低材耗1‰。

（6）成品综合检测系统。

行业内多家焊管厂都已成功研发和应用成品综合检测系统（图6），替代了繁琐的人工测量。系统采用专机测量装置或者机器人测量装置［9］，实现钢管长度、质量及管端周长、椭圆度、壁厚、切斜等数据的自动测量和采集，重复精度可达±0.2 mm。

测量数据自动保存到SQL Server数据库中，具有按日期、班次、人员、管号等多种组合查询方式，同时具备和MES（Manufacturing Execution System）系统的接口，有效保证了钢管外形尺寸质量指标的客观性。上位机界面具有设备运行状态显示和故障自诊断功能，便于及时了解设备动态信息和日常维护。

（7）智能库区系统。

图6 成品综合检测系统

行业内多家焊管厂已成功研发应用智能库区系统（图7），该系统包括机器人自动喷标系统、模块化真空吊具、智能交库控制系统，实现了库区的自动化、数字化、智能化。

图7 智能库区系统的子系统

机器人自动喷标系统，实现钢管内外壁4个位置的自动喷标，并与MES系统数据交互，实现喷标内容零误差。该系统采用上位机喷标排版，标志内容（如二维码）更加丰富，版面更加清晰。该系统还提高了作业效率，告别了人工刷底漆喷字的方式，增强钢管标志的美观性，消除了职业健康危害风险。

真空吊系统，以模块化真空吊具替代传统挂钩式横梁吊具［14］，仅一名天车工就可以完成钢管出库作业，避免挂吊人员挤伤、砸伤等安全风险，消除钢管管体和管口磕伤、碰伤等质量风险。钢管吊运损伤率为0，交库效率提高5%。

智能交库控制系统，实现多工序钢管输送分段控制，自动检测与智能切换钢管存储位置实现钢管自动喷标完成后，钢管通过钢管输送系统智能运送到最优交库台架。

同时，螺旋缝埋弧焊管行业通过采用物料自动传输系统、物联网、SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）数据采集等技术，实现了钢管的实际物流和信息物流的有机融合，使钢管生产过程数据，主要包括工艺数据、设备数据、能源数据、质量数据等能够实时记录、存储、分析、预警，实现了资源共享，建立钢管生产的大数据平台模型，为逐步迈向智能化的螺旋缝焊管生产线，奠定了坚实的基础。

3 与“黑灯工厂”的差距分析

3.1 “黑灯工厂”定义

“黑灯工厂”是指在生产过程中无需专门人员进行值守，实现生产全过程的自动化，即使关灯仍然可以继续生产。这一生产模式将从根本上解决设备提升瓶颈问题，大幅提升设备自动化程度，减少人员投入，同时大幅提升生产效率。

在国内，劳动力已不像过去那么廉价，尤其是与亚洲其他快速成长的制造中心比较。中国制造企业正在经历用机器人和自动化改变生产流程，以降低生产成本、优化工艺流程、提高生产效率的过程。因此，“黑灯工厂”是中国工业的变革之路。

3.2 打造“黑灯工厂”需攻克的技术难题

针对国内螺旋缝埋弧焊管制造行业现状，在已取得的自动化成果基础上，要打造“黑灯工厂”，还需攻克以下难题。

（1）探索螺旋缝埋弧焊管主机的全自动化控制流程。

在钢卷从垛区运送到拆卷机工位时，钢卷虽然有出厂自带二维码（或条形码）标志，但行业内目前还处于人工编排卷号、天车通过人工指挥确定吊运位置的方式，在此环节实现自动化过程中，需考虑天车吊运时结合钢卷二维码识别技术，在吊运过程中实现钢卷相对拆卷机的自动定位，进而实现钢卷物料输送过程中的自动控制。

螺旋缝埋弧焊管机组开卷、矫平、对头工序，虽然一些制管企业已经具备自动化辅助设备，但是拆卷作业还需要人工作业，一些国外的制管企业现在的作法是预拆卷，把拆卷作业作为生产准备流程，来解决机组全自动化的控制。此外，由于国内外带钢月牙弯的不同程度存在，给带钢对头作业的自动化控制带来难题。笔者的考虑是采用带钢外形扫描技术结合一种智能算法，即使带钢存在“月牙弯”，也能实现带钢对接的直度。

铣边工序，国外铣边机设备大部分采用了板边跟踪铣削技术和铣边刀盘相对于坡口浮动跟踪技术，使用的效果不是很理想，国内的铣边机还处在人工实时监控操作的水平。笔者认为，造成这种情况的主要原因是：对粗铣边机的控制模式，行业内还没有统一，主要集中在粗铣边机随动跟踪板边进行铣削，以及粗铣边机固定控制带钢的位置；对于精铣边机，主要集中在设备的加工精度和坡口数据采集的准确性，以及坡口检测传感器安装位置受限，使精铣边机还不能完全实现无人化的控制。对于粗铣边机的控制模式，笔者建议采用后面的模式，这样可以最大限度消除“月牙弯”。

成型工序，虽然成型器各个设备的位置数据实现远程采集，但还未做到根据钢管规格自动调型，结合钢管合缝间隙变化、管径变化，探索对应数据逻辑关系，建立算法，实现闭环控制，大桥摆动调整受到合缝间隙、管径、椭圆度等因素的影响，还处于手动方式。

（2）攻克精整线单机自动化难题。

管端平头工序，设想实现的平头位置自动识别、自动切割，平头长度存储记录，精细化管理，还需通过自动化检测控制手段和大数据分析软件来实现，进而做到精细化生产。

X射线检测工序，虽然已有业内的焊管厂率先实现了智能判片系统，但是还需要操作人员实时监控工业电视画面，来检测钢管质量，急需一套X射线的智能预警系统，来彻底杜绝错检的风险。

补焊工序，目前返流程中需要补焊的钢管采用人工标记补焊位置、人工补焊操作方式，探索采用钢管缺陷自动喷涂标志方式，结合物料自动输送控制，将需要补焊的钢管输送到补焊工序，采用三维激光视觉传感器对钢管补焊位置进行自动识别，采用机器臂焊接方式，对指定位置进行轨迹仿型、自动补焊。

水压工序，水压机前后采用步进台架、液压上管下管机构；步进台架每个工位增设管位检测传感器，实现自动上管和下管；结合管号识别装置，对打水压前的每根钢管管号进行自动识别，并自动上传到水压机上位机系统，实现水压数据与管号的自动绑定；通过打压过程信号与水压机及步进台架逻辑控制，实现水压机全自动打压。

超声波探伤工序，主要包括母材和焊缝的超声波探伤，目前国内管厂在钢管探伤过程中出现波形异常、钢管缺陷的情况，需要人工确认标记，而且在焊缝超声波探伤运行过程中容易出现探头偏离焊缝情况，造成探伤波形不准确，需要人工修正轨迹。开发一种探伤波形异常及缺陷自动标记装置，避免人工介入；探索探伤过程中精确仿型定位系统，使探伤设备按指定轨迹运行，可实现自动修正轨迹，并将探伤数据图像自动保存、上传到上位机中，逐步实现超声波探伤的自动化。

倒棱工序，目前行业内倒棱过程中辅助操作比如夹瓦升降、托板前后移动可实现半自动操作，但倒棱过程中核心部分——倒棱工进及倒棱过程中对坡口形貌的检测目前还处于人工识别操作的方式。开发一种倒棱坡口形貌检测技术，结合倒棱工进精确定位控制，逐步实现倒棱过程自动化控制。

精整各个工序间钢管物料输送还没有完全实现自动化的无人操作，部分工序间的控制网络没有打通，存在控制孤岛的情况，单机的生产工艺参数闭环控制没有形成，生产工艺自动执行和自动采集能力不强。对于返流程钢管物料控制，还需要人工操作，需要优化工艺流程和研发智能的控制系统，实现各个工序间的控制网络互联互通，打破孤岛，来达到钢管物料的工序间的交互控制、自动运行。

4 发展前景展望

一般而言，智能制造所需要的基础技术包括物联网、云计算、人工智能、区块链等，将这些技术与设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节融合形成统一的信息物理系统。但是，目前这些技术中只有少部分已经成熟落地，绝大部分还处于发展时期。

智能制造具有一些关键的特性：由大规模批量生产向大规模个性化定制生产转变，重视使用机器人和柔性化生产；由集中生产向网络化异地协同生产转变；物联网在制造中的作用日益突出；信息化和工业化深度融合等。

随着中国工业基础的不断加强、加工工业的高质量发展，并通过智慧物联网、信息技术将具有感知、监控功能的各类采集、控制传感器或终端设备，以及云平台、智能分析等技术不断融入到螺旋缝焊管生产过程的各个环节，将大幅度提高制造效率、改善产品质量、降低产品成本和物料消耗，将传统制造模式转型升级到智能化的新阶段，完成焊管制造业真正的技术变革，最终实现“黑灯工厂”的愿景。