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摘要：在整个300年的工业化过程中，促进制造智能是一个重要的新工业革命机遇，也是产业升级的必然选择。本文介绍了国内外螺旋缝埋弧焊钢管制造技术，介绍了螺旋缝埋弧焊钢管制造技术现状，并分析了焊管生产线实现“黑灯工厂”的需要研究克服的关键技术问题。期待螺旋埋弧焊管工业的发展前景。
关键词：螺旋缝埋弧焊钢;智能制造;焊接
一、螺旋缝埋弧焊管制造技术现状分析
在19世纪，美国首先发明了螺旋埋弧焊管方法的加工方法，成型和焊接同时进行。自改革开放以来，随着我国的石油行业的发展，中国石油和天然气资源的发展促进了石油和气体管道输送线路的建设。近年来，随着川气东送管道工程、西气东输管线工程、陕京输气管线、鄂尔多斯-安平-沧州输气管道工程、新疆煤制天然气外输管道工程等大型国家油气管道工程的建设，我国螺旋焊接管技术也取得了长足的进步，所有钢管及原材料卷板实现国产化。
二、 螺旋缝埋弧焊管生产线技术
2.1自动焊接工艺进步
螺旋埋弧焊管的生产过程分为一步法和两步法。一步法生产过程是指在同一生产线上成型和焊接同步完成。而两步法生产过程中成型与焊接是独立分离的。由于成型和焊接的分离，降低了成型过程热轧卷板变型对焊接的不利影响，因此可以优化钢管工艺参数，从而钢管的几何形状、内在焊缝质量提升一个层次。
2.2 前摆式与后摆式比较
前摆式机组的工艺特性：所有器件安装在可摆动的前桥上，包括开卷，矫平、铣边、板头切割、对头焊接、递送等工序，特点是通过前桥摆动调节成型角度，前摆式机组的优点是各工序设备集中度高，工序紧凑，调整变化方便快捷;缺点是由于卷板的限制，卷板与卷板需要单独停机对接，来保证后续生产的问题，频繁停机的过程影响生产的稳定性和整体的工作效率。后摆式机组的工艺特性：工艺制备段设备安装在飞焊卡车上，其特征在于通过调整可旋转后桥来实现成型角度的调节，同时飞焊车的存在，解决了卷板与卷板对接过程的停机等待，可实现不间断生产。
2.3生产线装备发展
我国的钢管制造能力能够满足国内经济建设的需求，完全符合技术标准的要求。通过改进工艺设备，应用新的技术手段，不斷提高生产线的自动化、数字化和智能化水平。近年来，螺旋埋弧焊管工业在以上领域已经取得了一些推动钢管制造能力的成果。
2.3.1焊接区域集中控制系统
在生产过程中，员工需要佩戴粉尘面具和隔音耳塞，工作环境相对嘈杂，同时需要多人协作、多点实时操作设备。目前业内已成功开发成型焊接远程集中控制系统，该系统集成铣削，成型，内部和外部焊接，切割管，运输管理等工序，而且系统实时动态监测，响应快速。如图1所示：
2.3.2板边自动跟踪
基于物联网的应用，开发内外焊接自动跟踪系统，结构简单，跟踪效果良好，系统稳定，适用于所有规格的螺旋焊接管。该系统的优点是基于对卷板输送侧的偏移测量，在PLC算法计算之下，可以精确地计算转移侧变化焊点位置所需的运动量。该系统具有广泛的应用，它可以实现弯曲和卷板外形尺寸的极端情况下零误差，跟踪精度为±0.1毫米。
2.3.3钢管周长实时测量系统
自动识别设备在钢管完成变形后，获取钢管的实时位置，在处理PLC程序算法后，实现和显示成形钢管周长等相关数据，测量精度为±1 mm，测量结果稳定可靠，消除了手动测量的安全问题和质量可靠性问题，并确保钢管圆周的一致性，为后续工程施工对接提供方便。
三、制管生产工厂对比“黑灯工厂”的差距分析
3.1“黑灯工厂”的定义
“黑灯工厂”即智慧工厂，这种生产模式解决了人工无法连续作业，生产精度因人而异的瓶颈问题，降低了高级操作工的依赖度，大大提高了生产效率和质量的稳定性。在中国，制造企业正在经历一种使用机器人替代人工以及自动化改造生产装备的过程，以降低生产成本，优化工艺过程，提高生产效率。在芯片、半导体领域已经大范围进行了应用，对于制管生产工厂这类大型装备制造企业的“黑灯工厂”模式还在探索中，但依然是未来发展的趋势。
3.2 技术难题
为改变国内螺旋焊弧焊管制造业的现状，基于已经实现的自动化升级，进一步通过智能化、信息化研发，最终实现“黑灯工厂”，仍需要关注以下问题。
（1）X射线无损检测过程，经过设备工艺的提升，目前主流的检测通过数字成像的形式再现焊缝的内在质量情况，一定程度上替代了胶片拍片的低效率和不稳定性，但是智能评定系统还需要进一步加强，除了后台数据库对于标准缺陷和样片的积累外，应用先进的算法捕捉成像中的特点逐步提高判断精度，完全替代人工评判是一个发展方向。对于发现缺陷的准确定位并进行有效标识，对后续焊接修补工序来讲是一个巨大的进步。
（2）超声波无损检测过程，该工序通过自动探伤设备已经能够实现波形记录和缺陷识别，参照X射线无损检测的技术进步，仍需要对后台数据库进行标准缺陷和波形反馈样片的积累。另外，探伤设备在运行过程中探头的消耗和精度降低，行进位置偏离带来的错误波形反馈也应进行自动化干预和识别，提高自动评判的准确性。对于发现缺陷的准确定位并进行有效标识，对后续焊接修补工序来讲是一个巨大的进步。
（3）焊接修补工序过程，目前通过人工定位的方式，由经验丰富的焊接技师进行缺陷去除并修补，焊接修补工作已经可以通过自动焊接设备完成，但是缺陷定位的准确性以及标识的设备准备识别还需要进一步研究。通过无损检测过程发现的缺陷，识别过程中进行三维模拟，定位缺陷在母管的准确位置，修补工作时通过前置环境三维定位，由机械手臂按照指定坐标位进行操作。修补完成后自动返回无损检测工位，进行修补效果检验。
四、总结
随着中国工业技术的持续加强，伴随着半导体技术的进步、信息工业的发展、物联网的应用以及人工智能、深度学习的快速成熟，作为传统加工制造行业的螺旋埋弧焊管行业也必将迎来更大的变革，不断降低生产制造成本、低碳、环保、智能、高效，向智能化、自动化、信息化转变，终将实现“黑灯工厂”。
参考文献
[1]孙志刚，周书亮，李建明，李汝江.螺旋缝埋弧焊钢管智能制造发展与展望[J].钢管，2020，49（03）：6-11.
[2]玉向宁，任波.螺旋埋弧焊钢管成型工艺缺陷的控制[J].机械工程师，2016（08）：284-286.
[3]于宾，任国庆，贾欣宇，孙玲玲，齐国政，张麟.大壁厚螺旋埋弧焊钢管焊缝超声波自动检测的人工参考反射体的设计及校验[J].无损检测，2016，38（08）：51-54.
[4]赵锡福.螺旋埋弧焊钢管焊接工艺评定探讨[J].焊接技术，2016，45（02）：51-53.
关键词：螺旋缝埋弧焊钢;智能制造;焊接
一、螺旋缝埋弧焊管制造技术现状分析
在19世纪，美国首先发明了螺旋埋弧焊管方法的加工方法，成型和焊接同时进行。自改革开放以来，随着我国的石油行业的发展，中国石油和天然气资源的发展促进了石油和气体管道输送线路的建设。近年来，随着川气东送管道工程、西气东输管线工程、陕京输气管线、鄂尔多斯-安平-沧州输气管道工程、新疆煤制天然气外输管道工程等大型国家油气管道工程的建设，我国螺旋焊接管技术也取得了长足的进步，所有钢管及原材料卷板实现国产化。
二、 螺旋缝埋弧焊管生产线技术
2.1自动焊接工艺进步
螺旋埋弧焊管的生产过程分为一步法和两步法。一步法生产过程是指在同一生产线上成型和焊接同步完成。而两步法生产过程中成型与焊接是独立分离的。由于成型和焊接的分离，降低了成型过程热轧卷板变型对焊接的不利影响，因此可以优化钢管工艺参数，从而钢管的几何形状、内在焊缝质量提升一个层次。
2.2 前摆式与后摆式比较
前摆式机组的工艺特性：所有器件安装在可摆动的前桥上，包括开卷，矫平、铣边、板头切割、对头焊接、递送等工序，特点是通过前桥摆动调节成型角度，前摆式机组的优点是各工序设备集中度高，工序紧凑，调整变化方便快捷;缺点是由于卷板的限制，卷板与卷板需要单独停机对接，来保证后续生产的问题，频繁停机的过程影响生产的稳定性和整体的工作效率。后摆式机组的工艺特性：工艺制备段设备安装在飞焊卡车上，其特征在于通过调整可旋转后桥来实现成型角度的调节，同时飞焊车的存在，解决了卷板与卷板对接过程的停机等待，可实现不间断生产。
2.3生产线装备发展
我国的钢管制造能力能够满足国内经济建设的需求，完全符合技术标准的要求。通过改进工艺设备，应用新的技术手段，不斷提高生产线的自动化、数字化和智能化水平。近年来，螺旋埋弧焊管工业在以上领域已经取得了一些推动钢管制造能力的成果。
2.3.1焊接区域集中控制系统
在生产过程中，员工需要佩戴粉尘面具和隔音耳塞，工作环境相对嘈杂，同时需要多人协作、多点实时操作设备。目前业内已成功开发成型焊接远程集中控制系统，该系统集成铣削，成型，内部和外部焊接，切割管，运输管理等工序，而且系统实时动态监测，响应快速。如图1所示：
2.3.2板边自动跟踪
基于物联网的应用，开发内外焊接自动跟踪系统，结构简单，跟踪效果良好，系统稳定，适用于所有规格的螺旋焊接管。该系统的优点是基于对卷板输送侧的偏移测量，在PLC算法计算之下，可以精确地计算转移侧变化焊点位置所需的运动量。该系统具有广泛的应用，它可以实现弯曲和卷板外形尺寸的极端情况下零误差，跟踪精度为±0.1毫米。
2.3.3钢管周长实时测量系统
自动识别设备在钢管完成变形后，获取钢管的实时位置，在处理PLC程序算法后，实现和显示成形钢管周长等相关数据，测量精度为±1 mm，测量结果稳定可靠，消除了手动测量的安全问题和质量可靠性问题，并确保钢管圆周的一致性，为后续工程施工对接提供方便。
三、制管生产工厂对比“黑灯工厂”的差距分析
3.1“黑灯工厂”的定义
“黑灯工厂”即智慧工厂，这种生产模式解决了人工无法连续作业，生产精度因人而异的瓶颈问题，降低了高级操作工的依赖度，大大提高了生产效率和质量的稳定性。在中国，制造企业正在经历一种使用机器人替代人工以及自动化改造生产装备的过程，以降低生产成本，优化工艺过程，提高生产效率。在芯片、半导体领域已经大范围进行了应用，对于制管生产工厂这类大型装备制造企业的“黑灯工厂”模式还在探索中，但依然是未来发展的趋势。
3.2 技术难题
为改变国内螺旋焊弧焊管制造业的现状，基于已经实现的自动化升级，进一步通过智能化、信息化研发，最终实现“黑灯工厂”，仍需要关注以下问题。
（1）X射线无损检测过程，经过设备工艺的提升，目前主流的检测通过数字成像的形式再现焊缝的内在质量情况，一定程度上替代了胶片拍片的低效率和不稳定性，但是智能评定系统还需要进一步加强，除了后台数据库对于标准缺陷和样片的积累外，应用先进的算法捕捉成像中的特点逐步提高判断精度，完全替代人工评判是一个发展方向。对于发现缺陷的准确定位并进行有效标识，对后续焊接修补工序来讲是一个巨大的进步。
（2）超声波无损检测过程，该工序通过自动探伤设备已经能够实现波形记录和缺陷识别，参照X射线无损检测的技术进步，仍需要对后台数据库进行标准缺陷和波形反馈样片的积累。另外，探伤设备在运行过程中探头的消耗和精度降低，行进位置偏离带来的错误波形反馈也应进行自动化干预和识别，提高自动评判的准确性。对于发现缺陷的准确定位并进行有效标识，对后续焊接修补工序来讲是一个巨大的进步。
（3）焊接修补工序过程，目前通过人工定位的方式，由经验丰富的焊接技师进行缺陷去除并修补，焊接修补工作已经可以通过自动焊接设备完成，但是缺陷定位的准确性以及标识的设备准备识别还需要进一步研究。通过无损检测过程发现的缺陷，识别过程中进行三维模拟，定位缺陷在母管的准确位置，修补工作时通过前置环境三维定位，由机械手臂按照指定坐标位进行操作。修补完成后自动返回无损检测工位，进行修补效果检验。
四、总结
随着中国工业技术的持续加强，伴随着半导体技术的进步、信息工业的发展、物联网的应用以及人工智能、深度学习的快速成熟，作为传统加工制造行业的螺旋埋弧焊管行业也必将迎来更大的变革，不断降低生产制造成本、低碳、环保、智能、高效，向智能化、自动化、信息化转变，终将实现“黑灯工厂”。
参考文献
[1]孙志刚，周书亮，李建明，李汝江.螺旋缝埋弧焊钢管智能制造发展与展望[J].钢管，2020，49（03）：6-11.
[2]玉向宁，任波.螺旋埋弧焊钢管成型工艺缺陷的控制[J].机械工程师，2016（08）：284-286.
[3]于宾，任国庆，贾欣宇，孙玲玲，齐国政，张麟.大壁厚螺旋埋弧焊钢管焊缝超声波自动检测的人工参考反射体的设计及校验[J].无损检测，2016，38（08）：51-54.
[4]赵锡福.螺旋埋弧焊钢管焊接工艺评定探讨[J].焊接技术，2016，45（02）：51-53.