焊接机器人在石油化工行业的应用

焊接机器人技术在石油化工行业的应用

由于石油化工装备结构型式多、安全运行要求高且主要是现场安装焊接，因此对焊接机器人的自动化水平和焊接质量提出了很高要求，焊接是石油化工装备安装的主要环节，对装备的使用性能产生直接影响。石化装备焊接结构的种类众多，使用条件各有不同，工作介质一般具有高温、高压、易燃、易爆、深冷、腐蚀的特点，对装备用钢和对应的焊接工艺均提出了较高要求。同时，常见的石化设备一般都规模较大，如球罐、管道等，许多工作都需要在施工现场完成。因此，为了适应特定的结构型式和现场施工要求，石化装备焊接机器人需要根据不同的应用对象和使用环境进行研发。 1 球罐焊接机器人

球罐大多是现场焊接，现场焊接作业的自动化和智能化是缩短球罐制造周期、提高球罐整体质量的关键。目前国内外球罐焊接机器人相对比较成熟，国外典型的球罐焊接机器人公司有美国BUG-O公司生产的全位置焊接设备主要由爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成，在焊接过程中，该系统通过操作者的手动调整焊炬实现焊缝对中，自动化程度较低。加拿大GULLCO OSCILLATOR 公司的焊接机器人，使用药芯气保护和自保护焊丝，设备的高低和横向调整机构由焊工使用手动轮机械调节，焊接过程中没有摆动，自动化程度较低，焊接成形质量较差。

瑞典ESAB公司的Railtrac FWR1000型机器人，系统体积小、结构紧凑，可控性较强，控制精度也高，带驱动摆动和反向回焊功能，可根据自带的专家系统自动规划焊接参数。加拿大Servo-robot公司生产的MWR-100/350型焊接机器人有视觉且完全可编程的移动式焊接机器人。能够用于各种焊接材料及焊缝类型的全位置焊接，可将其置于球罐、储罐等大型焊接件上进行工作。集成式激光视觉焊接跟踪系统配备2D 彩色视频摄像头，实现了远程示教及过程监控。

国内一些高校、科研机构也先后开展了球罐全位置焊接机器人的研究，并取得了一定的成绩。北京石油化工学院研究开发了具有自主知识产权的系列化无导轨、有导轨及柔性导轨全位置智能焊接机器人，包括焊接机器人机械机构、机械接触跟踪、焊缝轨迹示教、焊接工艺参数管理系统等。RHC-3柔性导轨全位置焊接机器人系统，该系统适用于柔性轨道和圆轨道，能够较好地完成复杂工件的多种焊缝的现场焊接尤其是球罐全位置焊接的工艺要求。BIPT-5无导轨全位置焊接机器人，使用了CO2气体保护药芯焊丝全位置多层多道焊的工艺技术，该机器人采用柔性磁轮式机构和CCD光电测控技术实现了无导轨全位置自由行走和球罐多层多道焊的实时跟踪等关键技术问题，该机器人能对球罐内外纵缝、横缝及仰缝进行无导轨全自动焊接，达到了高效率、高质量、低劳动强度。

清华大学潘际銮院士研发了爬行式全位置焊接机器人，爬行机构采用轮履

式结构，可在垂直立面或弯曲面上自主跟踪焊缝，自由爬行, 执行全位置焊接操作任务。2015年7月，炼化工程集团南京工程储运分公司自主研发的球罐全位置自动焊接技术，成功应用于江苏斯尔邦石化项目空压站400立方米球罐，焊接一次合格率达99.3%，成为国内首家使用球罐全位置自动焊接技术的施工企业。球罐气体保护全位置自动焊接施工工艺效率为传统手工电弧焊的2.7倍。

2 管道焊接机器人

在石化管道工程施工中，管道焊接质量和焊接效率直接影响着施工进度。由于管道自身的结构特点，一般的管道焊接均为全位置焊接方式，国外生产管道焊接机器人商业化产品的公司主要有美国CRC-Evans、法国Serimax、荷兰Vermaat Technics 和意大利Saipem等。美国CRC Evans率先将全位置熔化极气体保护焊接技术应用于管道施工，开发了系列化的管道焊接机器人，包含单炬、双炬自动外焊机和IWM内焊机等，其中P-625是一种带电弧跟踪的单或双焊炬自动外焊机，具有前瞻性的管道自动焊设计，具有自诊断功能、实时数据记录、无线传输和卫星定位功能。P-450 是一种带电弧跟踪的单焊炬数字焊接系统, 最大限度地提高垂直和水平应用的速度和质量。CRC-Evans内焊机的系列包括从24″到60″的管径，内焊机多个焊头同时运行，能达8个之多，其机构包括了快速而准确的对口与内根焊。CRC-Evans所参与大多数施工项目都采用了内焊机，是国内外非常成熟的一种根焊工艺。美国CRC-Evans的产品在自动控制水平和陆地管线铺设应用方面处于世界最前沿，其自动焊设备在中国油气管线市场焊接里程已达到约3000公里。

北京石油化工学院针对海底油气输送管道（管径6″～48″）对接环形焊缝焊接工艺特点，开发了一套用于3000米深水铺管的具备窄间隙焊接能力的海底管道铺设焊接机器人。机器人机械本体主要由行走机构、锁紧机构、焊枪横向摆动机构、焊枪高低调整机构和焊枪组件等组成，机器人控制系统以工业PC机作为主控制器，通过CAN总线实现与焊接小车各轴驱动电机、焊接电源等外围设备的接口，通过Ethernet 网络接口实现上层监督计算机的通信，该焊接系统进行了两次海上现场焊接试验，通过现场UT检验，焊接接头全部符合API STD1104-2005的要求。通过海上试验诸多环节的考验，焊接样机的技术性能满足海上应用需要。在此基础上，北京石油化工学院针对陆上重型管道铺设焊接作业需求，研发了重型管道焊接机器人系统，单机器人可以同时带动两把双丝共熔池焊枪，在保证焊接质量的前提下，进一步提高了焊接效率。

北京石油化工学院在管道全位置焊接机器人的基础上，开发了马鞍形焊缝焊接机器人，并作为北京市对口支援什邡市灾后重建智力援助项目进行推广使用，相关研究结果极大地提升我国海底管道铺设技术水平，形成了自主知识产权的海底管道铺设关键设备，具有重大的经济效益和深远的社会效益。

综上所述，根据石油化工装备现场组装时的焊接特点，国内外相关研究机构开发了系列焊接机器人系统，基本上实现了远程遥控的自动焊接作业。随着工

业场合对焊接质量和自动化程度的需求提高，相关焊接机器人的智能化程度将进一步提高。

焊接机器人未来研究的热点及发展方向

1. 工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降。 2. 机械结构向模块化、可重构化发展。

3. 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。

4. 机器人中的多传感器系统日益重要。

5. 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。 6. 微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新领域和重点发展方向。 7. 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

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