压缩空气作为舱内气体的海底管道机器人焊接维修

压缩空气作为舱内气体的海底管道机器人焊接维修

0序言

对于损伤的海底管道而言，可以采用水上连接、管道连接器、水下焊接等多种方法进行维修，其中高压焊接是最为广泛使用的技术。高压焊接在密封式焊接舱内进行，舱内海水由高压气体排出，焊接在高压干式环境中进行。高压焊接在技术上存在的问题是焊接过程必然承受与水深相应的环境压力，所以对于特定的环境压力和气体成分而言，如何对焊接参数进行特别设置，以保证焊接质量符合有关认证机构所使用的标准要求，非常重要[1]。海底管道高压焊接维修已经从早期的潜水焊工焊接发展成为自动焊接，通常是采用轨道式TIG自动焊机完成管道全位置环焊缝的焊接，例如，如英国AberdeenSubseaOffshoreLtd.的轨道式氩弧焊接作业系统OTTO[2]、法国Comex公司的氩弧高压焊接轨道式机器人系统THOR-1[3]、挪威STATOIL公司的管道修复铺设系统PRS[4]。

对于TIG焊接用于高压环境的电弧、熔池、钨极烧损、外磁场影响、焊接工艺、焊接质量等问题开展的研究[5-7],均是采用氩气、氦氧混合气体或者氮气作为舱内加压气体。与现有海底管道高压焊接维修所不同的是，本文采用廉价、易于供应的压缩空气作为舱内加压气体。本文进行了压缩空气环境爆炸燃烧试验、研制了海底管道维修焊接机器人，开发了压缩空气环境海底管道焊接工艺，并进行了成功的海上试验。

1压缩空气环境爆炸燃烧试验

舱内气体可以有多种选择。空气作为舱内气体有许多优点，成本低廉而且随处随时可以得到，只需要将其压缩至适当的压力即可使用。空气的氧含量高（20%），这意味着当压力在几个大气压力之上时，ABB机器人维修，舱内物体的可燃性会显著增加，产生突出的安全问题[8]。另一方面，为了保证焊接质量，需要保护熔池避免与空气中的氮和氧接触，这在高压环境下是难以保证的。

为了保障压缩空气环境下焊接作业的安全，进行了爆炸燃烧试验。以空气为加压气体进行海底管道焊接维修时，不仅需要考虑压缩空气的影响，还需要考虑舱内可能残存的天然气等可燃气体影响。可燃气体种类繁多复杂，试验时以甲烷进行简化。

1防爆压力容器

2配气系统

试验装置主要包括如1所示的防爆压力容器、2所示的配气系统、微机测压系统、压力传感器、点火装置等组成。防爆压力容器筒体里面放置点火装置，顶部盖板安装压力传感器和配气气管，筒体开设视窗，摄像机将像传送给计算机，由视频软件监视。筒体里面如果发生爆炸，爆炸压力通过传感器传送给计算机进行采集并打印爆炸压力曲线。

试验时空气压力每次增加0.1MPa，甲烷体积浓度每次增加0.5%，每个工况进行3次点火。试验表明：在0～0.6MPa压力范围内，虽然压力增加、舱内物体燃烧明显加剧，但是未发生爆炸。因此，在压力低于0.6MPa时进行海底管道焊接维修，只要把可燃物浓度控制在体积比5.60%以下，则作业过程是安全的。

2海底管道维修焊接机器人

研制的管道焊接机器人如3所示，主要由圆导轨、焊接机器人、送丝机构、焊丝位置微调机构、TIG焊接电源、摄像机、控制箱等部分组成。焊接机器人围绕管道转动，TIG焊枪可以进行高速高精度横向摆动，并可以进行高度自动调节。

3海底管道维修焊接机器人

2.1焊接机器人遥操作

焊接机器人进行海底管道维修时采用遥操作方式，设备布局如4所示。在水下干式舱内，由潜水员把圆导轨安装在待修海底管道上，然后再把焊接机器人安装在圆导轨上，完成控制箱和焊接机器人的管缆连接。焊接电源、气瓶、监视器、手控盒均位于水面母船上，这些设备与水下干式舱之间通过脐带连接。焊工在监视器的帮助下，通过手控盒进行焊接机器人的远程操作。

4焊接机器人遥操作设备布局

2.2焊接机器人弧压反馈控制

为了适应管道外形尺寸、坡口组对偏差，以及点焊焊缝，开发了基于弧长的弧压反馈控制程序。

5弧压反馈程序设计原理

弧压反馈程序设计原理如5所示。当检测到的电弧电压低于给定电压时,焊接机器人PLC控制器通过伺服电机提升TIG焊枪，反之降低TIG焊枪。给定电压与采样电压的偏差与TIG焊枪移动之间的关系是弧长控制器设计的关键。当偏差较大时,伺服电机运动较快，反之运动较慢；当误差小于死区范围时,电机不运动。从而，合理地协调伺服电机运动与弧长变化的关系,达到弧长控制的效果。

2.3焊接机器人水下干式舱内应用的电磁问题

2.3.1弧压损失与焊接电源

焊接电源位于母船上，通过脐带给水下干式舱内的焊接机器人供电，必然存在电压损失，具体损失的数值与脐带内焊接电缆材料、直径、长度等相关。为了提高焊接机器人的适应性，在控制系统程序设计和焊接工艺规程编制中，采用弧长而非弧压作为关键控制变量。

研究表明，维持4mm弧长所需要的弧压与陆上焊接相比，要求弧压输出要高约7V。若选用截面积为150mm2的焊接电缆,焊接电流为300A,电缆长度为140m(其中120m在脐带内),产生的压降约为5V。也就是说,与陆上焊接相比,总计要考虑焊接电源端的弧压必须能够有10～14V的余量[9]。

2.3.2舱内供电

参照载人潜水器的要求，水下干式舱内供电必须为低压安全电。所以，管道焊接机器人全部驱动电机均采用24V直流伺服电机。

2.3.3接触引弧

TIG焊接广泛采用高频引弧，但是高频引弧对于水下干式舱封闭的高压环境而言是不安全的，为此采用接触引弧。接触引弧程序原理与弧压反馈程序原理相同，此外，采用的TIG焊接电源经过改进，增加了电流控制功能，解决了TIG焊枪对焊缝的污染问题。

3压缩空气环境海底管道机器人焊接工艺试验

3.1压缩空气环境焊接工艺试验的特殊措施

空气被压缩时，氧分压和氧含量增加，物体可燃性会显著增加。为了防止焊接电弧或者熔滴导致舱内物体着火燃烧，对焊接电缆等采用阻燃材料进行了包裹。

在压缩空气环境中进行焊接的另一个问题是，需要在高压下保护焊接熔池避免与空气中的氮和氧接触。为此，采用高出口压力和大流量减压器，输出的氩气压力和流量根据环境压力来确定。

3.2高压焊接试验装置

为了在压缩空气环境进行海底管道机器人焊接工艺试验，设计建造了如6所示的高压焊接试验装置，该装置主要由高压气体储罐、高压焊接试验舱、摄像机和中央控制台等组成。其中，高压焊接试验舱设计压力为1.5MPa，相当于150m水深，容器内径1.6m，通过液压缸进行舱门的开启关闭和卡箍锁紧松开。

6高压焊接试验装置

3.3海底管道机器人焊接工艺试验

3.3.1高压焊接试验舱内焊接过程监视

7海底管道机器人焊接工艺试验

如7所示，将管道焊接机器人安装在高压焊接试验舱内，关闭舱门，充入压缩空气，KUKA机器人维修，即可进行高压焊接工艺试验。焊工在监视器的帮助下，通过手控盒对舱内焊接机器人进行操作。