城市地下综合管廊钢制给水管道全位置自动焊系统的研发与应用

2022-09-09徐学良吴俊锋马国涛张阿多张硕洋

电焊机 2022年8期

徐学良，方舟，张灏，罗雨，张林，吴俊锋，马国涛，张阿多，张硕洋

1.北京市自来水集团禹通市政工程有限公司，北京 100089

2.北京石油化工学院能源工程先进连接技术研究中心，北京 102617

0 前言

随着城市市政管网建设、更新与改造，市政给水管网建设工程量剧增，迎来大规模建设期［1］。目前城市地下综合管廊给水管道安装仍采用人工对口焊接，受焊工水平影响，焊接质量一致性差，焊接质量和焊接效率都无法得到有效保证。管道自动焊技术以其高效、优质的特点，在陆地油气长输管道建设及海底管道铺设中得到大规模的应用。针对城市地下管廊市政给水管道焊接的工况与特点，目前还未有较为合适的管道自动焊设备能直接应用到施工现场。

本文针对城市地下管廊市政给水管道焊接工况以及自动焊接难点进行深入分析，借鉴油气管道自动焊技术，结合地下管廊工况特点，研制开发了一种适用于大口径薄壁给水管道全位置自动焊系统，并开展多口径、多工况的工艺实验研究，以期获得可满足现场应用的焊接工艺规范。该管道全位置自动焊系统已应用于北京市石景山区供水管网一期工程的现场焊接，实际应用证明，该设备能实现连续稳定焊接，焊接合格率接近100%，焊接效率是人工焊接的2倍以上，为城市地下管廊给水管道自动焊的大规模推广提供了成功的应用经验。

1 城市地下管廊给水管道焊接工况分析

（1）在“国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见”的指导下，国内综合管廊的建设进入高速发展阶段，中国成为综合管廊在建里程最长的国家。综合管廊容纳的管线一般包括：电力、通信、给水、再生水、雨水和污水、供热、供冷、燃气等管线，供水管道（包括给水、中水管道）是综合管廊内出现频率最高的管线之一。

（2）将供水管道纳入综合管廊，有利于管线的维护、更换和扩容，保证安全运行，减少给水管道的漏损率。

（3）按照地下管廊建设工程规范，基础设施齐备后，给水管道安装是第一步工序。城市地下给水管廊位于地下深处，内部环境复杂［2］。地下管廊管道和装备通过吊装口进入管廊内部，因管廊内空间受限，不利于诸如陆地长输管道铺设用大型设备的搬运和施工。给水管道直径较大（DN 800～5 400），管径规格多、对口精度差，加之地下管廊施工空间小，人工焊接效率低，质量难以得到保障。管廊内用电设备多，供电不稳，对管道焊接设备的使用也造成了一定的影响。迫切需要针对地下管廊的工况特点，研制一种适应管廊内使用的管道全位置自动焊设备，提高给水管道的铺设效率。

2 城市地下管廊市政供水管道铺设自动焊接难点分析

（1）城市给水管线采用大口径薄壁管，管道的椭圆度一致性差，人工组对难度大，效率低。

（2）管端坡口加工在制管厂完成，坡口尺寸加工精度和一致性无法满足常规油气管道自动焊要求。采用常规油气管道自动焊接技术无法完全适应给水管道自动焊接需求。

（3）大口径薄壁管椭圆度的存在和防腐层厚度的不一致，影响了常规油气管道自动焊柔性导轨的铺设，导致油气管道自动焊设备无法适应变管径的工况。

（4）城市地下管廊给水管道管径较其他管道大，一般布置于电力、通信管线下方，靠近墙体某一侧，因此施工空间有限，无法像长输管道一样用铺管拖车拖动自动焊工作站向前行进，也无法像海管铺设工位中管道两侧各布置一套自动焊设备完成焊接。应该根据现场工况对自动焊系统进行适应性设计。

3 自动焊接解决方案

3.1 自动焊施工方案

结合地下管廊城市给水管道施工特点［3-4］，借鉴油气管线铺设自动焊接技术［5-8］，在继承传统城市水管焊接工艺的基础上提出如下改进方案：

（1）坡口形式为单边V形坡口，采用便携式坡口加工机加工坡口。

（2）根据工艺需求，采用外对口器进行管道组对，保证组对精度。

（3）打底焊采用手工氩弧焊或半自动焊方式STT、RMD打底方案，保证打底焊接质量，减少内焊机的设备投资。

（4）研制自适应管径的可调柔性导轨，以适应管径椭圆度及防腐层厚度所导致的变径自动焊接需求。

（5）采用单车单工位或双车单工位自动焊完成填充和盖面，提高现场铺管焊接效率。

两套单炬管道自动焊接设备可以放在一个工位各自完成180°的下向焊接，也可以将两套设备分为两个焊接工位，由单车分两步完成360°的焊接工作。

3.2 自动焊接设备研制方案

（1）针对城市给水管线大口径薄壁管口易变形的特点，提出一种自适应管径和椭圆度的可调柔性导轨设计方案，可适应管径椭圆度及防腐层厚度导致的变径自动焊接需求。

（2）针对常规管道自动焊设备装卡劳动强度大的问题，提出行走机构和焊枪姿态调整机构模块化设计方案，并通过现场总线方式，可实现施工现场模块化结构和电气接口的快速装卡与拆卸，减轻焊工劳动强度。

（3）针对地下管廊铺设现场空间受限工况，提出一种便携式焊接移动工作站设计方案，将模块化焊接机头、控制系统、焊接电源、送丝机、保护气及辅助装置高度集成到该工作站中，提升铺管现场施工时的操作便携性。

4 自动焊接设备的研制

城市地下管廊给供水管道自动焊系统适用于城市给水管道或者油气管道的自动焊接。采用现场总线和网络技术进行控制系统设计，焊接程序采用计算机控制，通过安装在焊接小车上的倾角传感器测量当前焊接位置，计算机输出与当前位置匹配的焊接小车运动参数和焊接电源参数，可实现良好的焊缝成形。

4.1 自适应管径的可调柔性导轨设计

针对大口径城市给水管道管径一致性差的问题，研制了大于6寸的可自适应管道的柔性轨道，如图1所示。该柔性导轨为焊接小车/切割小车或超声等检测设备小车提供了松紧合适、牢固可靠的运动基础部件。带有齿槽和多种导向沿组合的轨道保证了焊接小车/切割小车或超声等检测设备小车的传动精度和导向精度；采用固定长度拉杆和双向定位的搭扣，既保证轨道闭合的精确，又方便操作人员现场装拆。柔性轨道装置弹簧卡子能够自动适应管道的变形和少量尺寸误差，操作人员在现场可方便确定导轨安装的松紧度，安装过程操作少，简便快速，更具人性化。

图1 柔性导轨Fig.1 Flexible rail

4.2 模块化可快拆装焊接小车设计

一套完整的模块化管道全位置自动焊接设备包括焊接电源、机械车体（有轨底盘）、焊接机头（摆动+高低）、焊接导轨、控制系统及手控盒，研制的工作重点在于模块化结构设计，包括有轨底盘及可快速装夹的焊接机头。

（1）有轨行走底盘。

有轨底盘安装在柔性导轨上，底盘上方设计有快速装卡机构，可以快速安装焊接机头。有轨底盘主要由锁紧机构、行走机构、焊接机头快锁机构组成，是焊接机头的驱动机构，有轨底盘行走机构与导轨上的外圆柱齿轮啮合，进而驱动整个焊接小车在锁紧机构的配合下围绕导轨行走转动，进而带动焊接机头沿管道外壁做圆周运动。该设计减少了工人安装焊接小车的工序及劳动强度，行走底盘如图2所示。

图2 行走底盘实物Fig.2 Physical drawing of walking chassis

（2）焊接机头。

焊接机头可以快速安装在有轨行走底盘上，大幅度减少焊工劳动强度；焊接机头由横向摆动机构、焊枪高低调整机构、焊枪组件、电缆/保护气管路托架等部分组成，焊枪纵向调整机构、焊枪组件则延伸安装在摆动机构之上。焊枪横向摆动机构采用“伺服电机→导轨→丝杠”的传动方式，焊枪高低调整机构采用“伺服电机→丝杠→螺母”的传动方式。焊枪采用专用宾采尔直柄焊枪，绝缘板安装。焊接机头实物如图3所示。

图3 焊接机头实物Fig.3 Physical drawing of welding head

经过焊接机头和行走底盘的模块化设计，可以在施工现场进行快速组合，减少因整机质量太大和行走锁紧频繁操作带来的安装误差，能大幅减少设备误操作带来的故障隐患，同时能大幅减轻焊工劳动强度。组合后的产品如图4所示。该产品重心低，行走平稳，能显著提高管道施工的效率，满足大口径给水管道自动焊接的需求。

图4 焊接小车工程样机Fig.4 Welding trolley engineering prototype

（3）控制系统。

控制系统采用开放式控制网络结构，由主控单元、伺服驱动单元、焊接电源、手控盒系统以及电气辅助系统组成，如图5所示。控制系统采用抗干扰能力较强的CAN-open总线通信，可完成运动控制单元各伺服驱动器、倾角传感器以及焊接电源的CAN-open数据通信。控制网络系统结构简单，具有开放性、同步性、可重构性、实时网络性等特点，具备智能化应用的扩展功能。

图5 控制系统组成示意Fig.5 Schematic diagram of control system composition

采用基于现场总线和网络技术的控制系统设计，控制线缆少、可维护性和可扩展性显著提高；采用“车载计算”智能驱动器，实现了焊接小车控制的智能化；通过焊接小车运动参数与焊接电源电参数的协同技术，根据空间角度对诸如焊接电参数及运动参数进行分区，实现了全位置焊接过程的高精度控制。系统可选配电弧跟踪功能（高低、左右及摆动宽度），可选配视觉跟踪（高低、左右及摆动宽度）；可选配焊接工艺参数自适应控制专家系统等功能［9-10］。

（4）数字化焊接电源。

样机焊接电源采用Fronius的TPSi-320，如图6所示。TPSi-320是福尼斯最新全数字化微处理器监控的逆变电源，从基本工作原理进行重新设计，在焊接性能、人机交互界面以及操作方面进行了大幅优化。模块化设计理念和系统的可拓展性大幅提升了焊机的灵活性，配备协调性极佳的零部件使其成为一款智能化焊接电源，其拥有高效处理器和高速总线EtherCAT，即能够以更快的速度传输更多数据，为城市供水管线自动焊设备的智能化焊接提供数据基础。此外，该款设备能适用于多种焊接方法，能够满足多种多样的焊接任务，具备管道自动焊的单面焊双面成形能力，为后续开发管道全位置打底自动焊提供了有力保障。

图6 Fronius TPSi-320Fig.6 Fronius TPSi-320

4.3 便携式移动工作站

为了方便地下管廊施工，研制了便携式移动工作站，如图7所示。便携式移动工作站集成了管道自动焊设备、系统供电、照明、保护气、施工工具箱等辅助装置。移动工作站既能满足施工现场管道自动焊设备的快速移动能力，又能保证在施工过程中与其他管廊内设备不发生空间冲突。借助移动工作站，在焊工的辅助操作下，自动焊设备焊接完一道焊口后可以快速移动到下一工作点，提高了地下管廊施工现场的铺管效率，缩短了施工工期。

图7 便携式焊接移动工作站Fig.7 Portable Welding Mobile Workstation

5 自动焊接工艺

5.1 焊接坡口形式及焊接道次

给水管道传统自动焊的坡口形式如图8所示。坡口采用机械加工方式，坡口单边角度25°，焊缝余高0～1.6 mm，坡口组对间隙2.5～3.5 mm，钝边1.6 mm。钢制给水管道直径规格范围为DN 800～2 600，不同管径对应的管道壁厚不同，一般壁厚在10～30 mm，整条焊缝的焊接道次需要根据管径和壁厚进行焊道规划。一般采用氩弧焊打底，打底厚度3 mm，按照焊条电弧焊的工艺规范，以10 mm管道厚壁为例，需要进行填充和盖面焊接，填充厚度为4～5 mm，最后一层盖面3～4 mm。不同管径和壁厚的环焊缝工艺需要根据实际工况进行工艺实验，在确保焊接质量的基础上确定焊接道次和焊接厚度。

图8 V型坡口Fig.8 V-groove

5.2 焊丝及保护气体

根据钢制给水管道焊接材料特性，钢制给水管道可采用气体保护药芯焊丝进行焊接。焊接工艺规程如表1所示。

表1 焊接工艺规程Table 1 Welding procedure specification

6 工程应用

6.1 工程概况

北京市石景山区供水管网一期工程的地下管廊给水管道焊接工期紧、任务急，要求在31天内完成规定标段给水管道的铺设焊接任务。北京市自来水集团禹通市政工程有限公司工程项目部组织了管道自动焊队伍来完成此项工程，在规定工期内完成1.2 km管径DN 1 000钢制给水管道工程标段的焊接施工任务。

6.2 现场工艺条件

管廊内施工队伍多，现场供电、管道运输、坡口组对及手工焊接设备用电对管道自动焊系统都会产生干扰，自动焊施工操作空间受限。利用先期现场考察，对管道自动焊设备进行高度集成，并对便携式工作站进行优化，顺利完成现场施工的全部准备工作。施工现场焊接工作站如图9所示。工程使用的管道材料为Q235，管道外径DN 1 000 mm，壁厚10 mm，采用25°V型坡口，人工氩弧打底，填充和盖面采用气保护药芯焊丝上向焊工艺，填充材料为大西洋CHT711焊丝（φ1.2 mm），保护气为100% CO2，气体流量为20 L/min。

图9 两套焊接工作站工作场景Fig.9 Working scene of two sets of welding workstation

根据管材厚度及坡口尺寸规划焊接参数，由手控盒选择程序档位，确定焊接层次，输入诸如焊接速度、摆动宽度、摆动速度、驻留时间、送丝速度、电弧电压等焊接分区特征点焊接参数，主控单元可自动插值计算各位置处焊接参数，试车、试气后即可进行焊接。施工现场焊接完成的合格接头成形如图10、图11所示。

图10 填充1焊缝成形Fig.10 Fill 1 weld forming

图11 盖面焊缝成形Fig.11 Cover weld forming

6.3 工程总结

截至2021年5月28日，运用自动焊接设备完成了1.2 km内102道焊口的焊接施工任务。对其中58道焊口进行了无损检测，其中100%检测焊口15道，拍片195张，抽检焊口43道，拍片172张，焊接合格率接近100%。通过北京市石景山区供水管网一期工程，验证了研制的钢制给水管道自动焊设备在城市地下管廊中自来水给水管道焊接的可行性。通过现场应用验证，钢制给水管道自动焊设备能实现连续稳定焊接，具备现场应用的能力。单套工作站能完成日均10道焊口（DN 1 000）的任务量，是人工焊接效率的2倍以上。