石油鉆采設備制造焊接自動化技術應用

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摘要：鉆采設備為石油生產的核心機械設備，其由旋轉、循環、提升、動力等模塊構成，在設備制造過程中涉及大量焊接作業。介紹了焊接自動化技術發展現狀，而后著重分析其在石油鉆采設備制造中的具體應用。經實踐驗證，焊接自動化技術可顯著提高鉆采設備制造效率，提供更可靠的機械焊接質量。

關鍵詞：焊接自動化技術；石油鉆采設備；設備制造；焊接機器人

焊接技術是一種典型的機械工程制造技術，在傳統機械制造領域，工件焊接多采用手工方式進行，焊接作業效率低下，焊接質量難以有效保障，進而影響到機械設備的運行性能和使用壽命。隨著工業生產領域的發展，對機械制造生產提出更嚴格要求，在很大程度上促進了焊接技術革新，焊接自動化技術應運而生。為充分發揮焊接自動化技術優勢，需要對其特點及應用經驗做分析總結。

1焊接自動化技術發展現狀

傳統焊接技術雖然可基本滿足正常焊接的需求，但其焊接過程中涉及的電弧引燃、電弧長度調整、電弧熄滅等均需通過手工方式進行，造成較高的人力資源成本，且影響企業生產效率提升。焊接自動化技術融入機械制造領域后，企業通過生產參數預設，在計算機程序的控制下即可高效、精確完成機械工件的自動化焊接。因不涉及人為操作，焊接誤差率可降到最低，且焊接過程迅速，能夠縮短設備的生產周期。在我國，焊接技術應用可追溯至20世紀初，當時焊接技術即在我國機械制造領域得到廣泛應用，但與發達國家相比，我國焊接技術的發展還要受到鋼結構技術的限制，有關技術體系建設還不完善。工業領域的快速發展給焊接技術性能提出更高要求，促使其不斷朝向自動化、智能化的方向發展。

2焊接自動化技術在石油鉆采設備制造中的應用

2.1技術選型

焊接自動化技術最早被應用于船舶、壓力容器等制造領域，焊接精度較高，變形量非常有限，但當時還無法達到石油鉆采設備制造對精度的要求。在焊縫跟蹤技術、數控型鋼下料技術等被研發之后，基于焊接自動化技術的智能制造系統不斷完善，大大提高了石油鉆采設備制造技術水平。本文重點介紹焊接機器人、數控型鋼下料技術和厚板激光切割技術。

2.1.1焊接機器人現有的焊接機器人功能已非常成熟，可完成焊接環境自動識別、焊道位置精準判斷、焊縫實時跟蹤等活動。在弧焊分析過程中，構建三維立體模型，實現對焊接過程的動態化控制，以確保焊接質量。同時，利用傳感設備實時跟蹤焊接路徑，自動完成焊接糾偏，機器人可操作性大幅度提升。除環境較優、精度要求較高的產業，焊接機器人還可適應惡劣工況，用于裝配精度要求較低的機械制造中。另外，數控型鋼下料技術和厚板切割激光技術的運用使得石油鉆采設備制造裝配精度提升明顯，焊縫誤差被控制到更小范圍，這給焊接機器人的運用提供了更有利條件。焊接機器人首要解決的難題為控制系統設計，如焊縫識別及跟蹤系統。目前國內較先進的控制技術為視覺傳感拍照及激光跟蹤，即在系統內安裝輔助光源及攝像設備，全方位采集工件姿態信息，將采集信息傳輸至系統進行數據處理、分析和計算，以準確判斷焊縫位置，有效降低裝配誤差。焊接過程中，激光跟蹤系統可結合實際焊接情況對焊道做實時調整，確保其與焊縫中心相對正，省去人工糾偏的麻煩。

2.1.2數控型鋼下料技術機械設備制造中多將數控切割技術用于板材切割上，板材切割自動化程度已經發展至一定水平，但該技術在型鋼切割中的利用在近年來才開始。數控型鋼下料系統多采用龍門式，包括機床、電氣、控制軟件等結構。其中，機床由等離子發射器、切割系統、槍嘴、上料及下料模塊、運輸模塊、軌道、減速器等構成，槍嘴為五軸聯動，可全方位回轉，以適應各種切割角度，滿足多種尺寸的型鋼切割要求；上料及下料模塊為自動控制，使用吊車將型鋼材料運輸至指定位置即可自動完成上料和下料作業，該設計的優點在于，能夠有效縮小模塊占地面積，同時無須反復操作吊車，生產流暢性較高。型鋼切割過程橫向切口與立向切口采用不同的工藝參數，起弧點、切割順序等均存在一定差異，來自不同生產企業、不同品牌的下料系統，其切割效果也不相同。數控等離子型鋼自動下料系統將三維技術與等離子切割技術有機融合，可實現型鋼切割的數字化控制，將原本手工切割的方式過渡為自動切割。現階段我國不少鉆采設備制造企業均引進該技術，可確保切口質量、生產精度更高的設備構件。例如在帶角度斜口切割中，其精度可達到0.5°。另外，數控等離子型鋼自動下料系統的應用使得型鋼切割進入流水線作業，大大降低了人工作業的壓力，實現劃線、切割、清理的一體化，幫助企業提高鉆采設備生產效率。

2.1.3厚板激光切割技術激光技術發展成熟使其有關設備造價大幅度下降，降低了企業引入激光技術的經濟門檻，使得該技術被用于厚板切割當中。數控激光厚板下料系統也多為龍門式結構，包括激光發射器、機械行走、控制軟件三個部分。厚板切割使用的激光發射器主要為二氧化碳激光器和半導體激光器。其中，二氧化碳激光器的體積和自重較大，切割過程激光器隨機床一起運動，對生產線機架和導軌性能要求較高。該系統雖然需占用較大空間，但因生產效率高、經濟性較強，在生產批量較大且加工精度要求不高的制造企業得到廣泛應用。鉆采設備制造過程中，企業可依照板厚選擇適當功率的激光發射器，進而在確保加工質量的同時，合理節約經濟成本。

2.2應用流程

2.2.1智能控制對焊接全過程做智能化控制是焊接自動化技術的基本功能。數字技術、信息技術、智能控制技術的快速發展實現了鉆采設備焊接過程的智能控制。焊接過程中，在系統控制面板輸入操作指令，由計算機系統自動完成工藝參數計算、配置等操作，以對焊接全過程做智能化跟蹤。目前智能控制面臨的主要問題為控制精度，需要做進一步的研究。

2.2.2數據分析鉆采設備焊接作業環境相對惡劣，以往焊接操作采用人工方式進行，容易給作業人員人身健康造成較大影響。采用焊接自動化技術后，人工操作的環節和時間被大量壓縮，可降低相關人員工作負荷，通過控制面板及計算機系統，即可對焊接過程做遠程控制和跟蹤。另外，焊接設備檢修維護也可在計算機系統的輔助下進行，實時獲取焊接設備運行參數信息，利用自動診斷技術，及時發現設備運行異常，并發出報警提示，運維管理人員依照提示即可快速、準確定位故障點并開展維修作業，以免影響鉆進設備生產效率。

2.2.3過程控制焊接自動化技術在石油鉆井設備制造領域的應用可顯著提高企業生產效率，使產品品質達到更高的標準，同時確保焊接操作過程的安全、穩定。利用自動控制系統，可實現對焊接過程的集成化控制，精確把握焊接工藝參數。操作人員借助計算機系統，對焊接設備做數字化控制，將數字信號轉化為具體的工藝指令傳輸至焊接設備，由焊接設備執行有關指令，以確保焊接過程的規范性。

2.2.4技術融合焊接自動化已成為石油鉆采設備制造必然的發展趨勢，隨著相關技術的進一步完善，應將傳統焊接技術與現代工程技術有機融合，構建柔性的焊接體系，以滿足多樣化的工件焊接需求，提高石油鉆采設備生產的自動化程度和技術水平。

2.3優化措施

（1）石油鉆采設備焊接自動化存在如下技術難題：①因構件體積和自重較大，存在移動不便的問題。②焊接過程尋縫難度較高。③若焊接機器人位置固定，其工作空間即受到嚴格限制，因此在靈活性上要低于人工焊接方式。④石油鉆采設備制造中使用的板材厚度較大，部分構件需進行多道焊接，因坡口填充量較大，在焊接過程中會釋放更多熱量，易引發構件變形問題。⑤若構件發生形變，會導致焊槍偏離系統預設的最佳軌跡，導致焊接質量下降，此時就需要進行軌跡糾偏。在人工焊接過程，軌跡糾偏可通過實時關注焊槍位置完成，而在自動化焊接過程中，想要對焊接軌跡做有效跟蹤非常困難。（2）為提高焊接自動化技術在石油鉆采設備制造中的應用成效，給出如下技術優化措施：①針對鉆采設備構件移動不便、焊接機器人運行空間限制較大的問題，可將構件固定，改變焊接機器人位置完成焊接。例如，將焊接機器人固定在導軌式分體C型走架上，調節機器人與構件的相對位置完成焊接作業。②實際工作中，工件位置很難絕對固定，在發生位置變化后重新編寫自動控制程序也不現實，該問題可通過機器人接觸尋縫技術來解決。通過接觸式傳感器，使機器人自動定位焊縫位置，在確定焊縫位置后，利用PR位置寄存器運算出機器人運行程序。在確定焊縫起點時，焊機向焊絲端部傳遞直流電壓信號，焊絲與構件接觸后給出電流反饋并傳輸回電機，系統自動存儲機器人實時TCP位置，以簡化運算過程，精確定位焊縫起點。③針對機器人焊接靈活性不足的問題，存在兩種優化方案。調節焊槍角度，例如當焊槍因結構受限偏離原本的坡口平分線位置時，更換大角度焊槍，以使焊槍逼分線；調節焊槍長度，例如在內部焊縫焊接時，焊槍槍頸過短導致其很難探入焊縫所在位置，且后部大體積結構也會給焊槍在結構內部姿態調整造成較大阻礙，此時可更換長頸焊槍，以提高自動化焊接的可達性。④鉆采設備工件多層多道焊接過程中容易出現焊接變形，此時可選擇能量密度更高、熱輸入水平更低的焊接方式，如熔化極氣體保護焊完成焊接作業。坡口金屬填充量過大的問題可通過適當降低坡口角度和間隙的方式解決。另外，在環縫焊接中，可啟用2臺焊接機器人，采用對稱的方式進行焊接。經對比分析，該焊接方式所需的電流幅值較小，焊接速度快，可有效控制放熱現象，防止構件變形。

2.4質量控制

（1）鉆采設備焊接多采用埋弧自動焊接工藝，過程中為避免埋弧焊將板材直接打透，可采用手工焊接與自動焊接相結合的方式，以手工焊接進行打底。同時，徹底清理坡口位置及兩側的雜質，避免污染物影響焊接質量，作業面清潔干燥后，可開展正式的焊接作業。（2）焊接過程的焊縫控制可分段進行，確保各段長度合理，在模塊焊接作業完畢后，及時檢查工件形變情況，確保達到有關技術指標的要求。（3）在立焊作業中，可選用二氧化碳氣體保護焊工藝，采用從下到上的焊接順序，過程中需在目標板材的反面設置水冷銅作為襯墊。（4）為有效控制焊接過程放熱，可采用分層焊接的方式，以在提高作業效率的同時，確保焊接質量。

3結束語

綜上所述，焊接自動化技術的科學應用極大提高了石油鉆采設備制造的自動化水平，為此在技術實踐過程中，應重點加強焊縫跟蹤、軌跡糾偏的技術研究，并結合具體作業情況，制定技術優化及質量管理方案，確保焊接自動化技術優勢充分發揮。

參考文獻

[1]張旭，田立勇.工程機械焊接自動化技術分析[J].科技風，2020（14）：177.

作者：李曉東 單位：蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司