摘要：工艺管道是能源工程类工艺模块的核心“动脉”，施工主要分为预制及安装两个阶段，数十年来，工艺管道施工经过由自动化程度较低的手工及半自动转变为全自动、“现场预制后现场安装”转变为“工厂预制后现场安装”探索和实践，越来越多的工程项目让我们意识到管道施工在全生命周期的自动化、智能化是未来发展的一个重要方向。
关键词：工艺管道；冷丝TIG；全位置
前言
管道工程是石油化工工程的核心工程之一，管道工程的施工进度直接关系到整个石油化工工程的进度。管道工程同时又是质量要求最高，工人技能要求最高，用工数量最多的工程。在人工成本的不可逆转的持续攀升，市场竞争日趋激烈的市场环境下，作为劳动力密集型企业的施工企业面临着成本居高不下的巨大压力。想尽一切办法减少用工数量，提高劳动效率，成为施工企业实现赢利和发展的唯一途径。如何减少用工？国家提出了“中国制造2025计划”的智能化行动纲领。大多数企业忽略中小管径管道的自动化预制的重要性，片面得认为提升大管径焊接效率是关键。而实际生产中，中小管径（≤14寸）的管道数量约占工程总体60%-80%。
1 管钳式冷丝TIG全位置管道焊接特性
1.1 自动打底
自动打底是工艺管道自动焊接质量保证、提高预制效率、降低工人技能要求及成本的根本前提和基础条件。焊接为管道智能制造中的核心工作，此焊接工艺的采用无间隙组对技术、弧压自动跟踪技术，实现1G位置TIG打底焊单面焊双面成型工艺，焊接速度达到80 mm/min -100mm/min。TIG打底焊，单面焊双面成型工艺，满足错边量≤1.5mm的1G位置焊接。解决管道工程难题，实现“机器替代人工”，实现高质量、高效率、低成本的运营目标是一个系统工程，也是一个具有创新的焊接工艺。
1.2 独特的专利技术
采用独特的专利技术管钳（U型变位机）为主要回转工装，适用于两端和中间具备三通的管件－直管－三通－管件的复杂管道预制形式，管钳中间开U型卡盘便于管道从上而下放入U型卡盘工装。由于焊缝位置永远靠近管钳旋转动力盘附近，很好的解决了管道旋转过程中的轴向窜动和径向跳动。从而使得一次装卡实现多条焊缝焊接成为可能。
1.3 具有弧长跟踪系统
TIG焊的弧长跟踪技术，可以使得钨极到焊缝的高度保持恒定。
1.4 可实现生产监控
解决生产线设备运行状态监控以及维护保养提示，并实现参数管理（焊接专家参数库调用）及监控。信息化系统将统计各个工位设备的产量信息，集中监控各个工件使用的参数信息，以及统计各个工件使用的焊丝/气体/功耗的信息，将整个设备状况完全透明化。信息化系统将各个工位设置“可视化”终端，可实时显示当前工位工作内容及相应的信息，设置焊接区域的软件数据库，实时记录每个工件的焊接工艺参数及操作人等相关信息，便于今后做质量跟踪。
1.5 远程服务
信息化实现远程监控和远程服务，让使用者简单操作，远程后台服务实现零距离服务。
1.6 可以实现仪表管道预制及安装
仪表管道安装中，存在大量小直径、薄壁管道对接和插接焊缝的焊接，虽然可以大部分焊接采用预制的方式，但由于焊接难度大，需要高水平焊工进行焊接。
管道工程中有大量管托需要焊接，焊接形式主要为角焊缝。传统的焊接方法是手工电弧焊或半自动气保焊，由于焊接对焊工技术依赖性强，不能保证焊接质量的稳定，并且工人劳动强度高，效率难以提升。
1.7 智能化焊接
实现最终智能化焊接做好前期铺垫，焊接质量得到保障同时依托信息化技术、高效自动焊接工艺、自动化、智能化装备；贯彻精益生产的理念，构架管道工程智能建造的系统解决方案，针对不同管道工程类型的特点，制定具体实施方案。
1.8 软件接口
此焊接设备的管理系统与设计软件、材料管理软件、项目计划软件接口，也可以与客户和分包商的应用软件定制数据交换接口。
2.设备
管钳式TOA焊接设备为冷丝TIG焊接方法，为实现全位置TIG焊提供操作简单化的焊接方法，可以有效降低焊接技能人员的操作难度，有效保证焊接质量，见图1、图2。
图1 华恒TOA电源 图2 管钳式旋转焊枪
3 材料准备
3.1 使用A312 TP316L不锈钢管道Φ168.3mm，厚度7.1mm。
3.2 焊接方法是手工GTAW打底，TOA设备全位置机动焊。
3.3 打底焊丝直径为Φ2.4mm，填充盖面焊丝为Φ0.8mm。
3.4 焊接位置为5G。
3.5 电流类型：DC，电流极性：EN。
3.6 气体类型Ar，气体成份≥99.99%，气体流速8 ml/min -15ml/min。
3.7 钨极类型：铈钨极，钨极直径Φ2.0mm。
4 焊接工艺参数
焊接共分4层，每层厚度大约为2mm。第一层为手工GTAW焊接，使用松下交直流两用焊机，电流为101A，电压8V；第2-4层为填充及盖面，使用TOA焊接设备全位置机动焊，焊接参数为：电流125A，电压11V。焊接试件外观成型见图3，手工操作面板见图4。
图3 焊接试件成型
图4 手工操作面板
5 操作要点
5.1 管钳式焊枪机构不到20kg，1个人可以进行安装调整。根据焊口直径大小需要预先调节好加持范围，以加持后管钳式机构夹紧牢固为原则，管钳中间开U型卡盘便于管道从上而下放入U型卡盘工装。由于焊缝位置永远靠近管钳旋转动力盘附近，很好的解决了管道旋转过程中的轴向窜动和径向跳动。旋转采用交流伺服电机控制，控制精度高，反映速度快，夹紧也采用交流伺服电机控制夹紧。焊接前保证焊枪轴向距离焊缝中心在100mm范围以内，便于焊接时焊缝熔焊宽度有一定余量。
5.2 由于有弧压跟踪，操作过程中可以不必过多关注电弧的高低。焊接操作的注意力更多在关注两侧熔合是否能够满足质量要求，停留时间要与摆动频率及行走速度、送丝速度包括焊接位置相吻合，避免由于这些参数的不匹配而导致两侧熔合不好或行走过慢而引起焊层过厚导致未熔合。
5.3 由于不锈钢合金元素熔点各不相同，又是全位置机动焊焊接，所以焊接操作过程以加脉冲焊接为主。
5.4 5G位置的焊接也叫全位置机动焊焊接，其过程相当复杂，焊接参数范围窄，组对要求高，其熔池在整个焊接过程中受到三种力：重力、表面张力和电弧吹力。不同的焊接位置只有重力方向相同，其它2种力的方向始终在变化，所以全位置焊接过程中受力很复杂，在不同的位置需要分成若干个区间来设置不同的焊接参数，以满足焊接要求。
5.5 TIG焊的弧长跟踪技术，解决钨极到焊缝的高度保持恒定。
5.6 U型管钳专利技术工装，解决管道旋转过程中的轴向窜动和径向跳动，是管道打底焊的关键装备工装。
5.7 焊接试件焊缝外观质量如图5所示，焊接过程参数存储打印数据如图6所示。
图5 焊接试件外观成型 图6 焊接过程参数存储后打印
6 结束语
焊接试验结果表明，此焊接工艺使用管钳式冷丝TIG机动焊的焊接设备可以实现TIG 焊全位置的填充和盖面，焊缝表面可以得到光滑、均匀的成型。采用全位置机动焊接系统进行不锈钢焊接工艺评定，焊接接头的强度、冲击韧性等力学性能符合焊接工艺评定要求，满足现象施工需求。
此焊接对组对间隙及错边量具有较高要求，需要机械加工坡口及减少错边量；焊接效率依然需要在今后的焊接研发过程中得到提高。
论文作者:徐景晖
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/19
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