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科技成果转化创效系列报道⑧
锻造国产化精准“焊将”

CPP900系列管道自动焊装备研发应用纪实

  8月8日,在管道局国家工程实验室,科研人员正在加快柔性内焊机的升级工作。这个装备已于今年6月在西气东输三线中段(中卫—吉安)项目枣阳—仙桃段工程完成初步试验,可实现山地25度上下坡运动、组对、焊接,标志着国产全自动焊机和焊接技术在山地管道施工自动化方面取得了新突破,属国内首创。

  作为中国能源储运工程建设领域的主力军,多年来,管道局大力推进科技创新,狠抓关键核心技术装备研发,加强科研、设计、施工深度融合,不断升级管道焊接技术。其自主研制的第三代CPP900系列管道自动焊装备跻身国际先进行列,并广泛应用于各大重点工程,扭转了我国管道自动焊核心技术和装备受制于人的局面,为管道事业发展作出重要贡献。

  填补国内管道自动焊技术空白

  管道焊接作为管道建设的关键工序,其质量直接决定了整体管道运输的稳定性和安全性。随着长输管道向大口径、高钢级、高压力和大壁厚发展,自动焊因具有焊接效率高、焊接质量好、劳动强度低的优势,成为施工的必然选择。

  20世纪90年代以前,我国管道自动焊核心技术和装备尚处于空白阶段,国内使用的管道自动焊装备全部依靠进口,成本高、维修难度大、技术操作受制于人。打造管道自动焊核心技术和装备、实现关键核心技术自主可控成为管道科研人的目标。

  最初,科研人员只能根据进口装备“照葫芦画瓢”,从零开始摸着石头过河。经过不懈努力,科研人员分别于2000年和2008年研发出第一代PAW2000、PAW3000。PAW系列是管道自动焊装备国产化的开始,但因其箱体密封性和稳定性较差、体积大,推广应用效果不佳。

  这让科研人员很受打击。时任管道局研究院施工装备与非开挖技术中心主任张锋,决定将产品更名改姓,彻底告别PAW系列。“要做就要做老大,我们研发的是管道局的产品,9是个位数中最大的,第二代产品就叫CPP900!”

  2012年,管道局开始第二代自动焊装备CPP900的研发。3年时间,CPP900装备的稳定性和可靠性得到大幅提高。第二代CPP900可以满足高钢级、大口径、大壁厚长输管线的焊接施工要求,在漠大原油二期、中靖联络线、中俄东线天然气管道等工程中都有出色表现。

  “自主研制的CPP900焊装备与美国的CRC设备主要性能指标相当,在项目上焊接了5000多道焊口,焊接一次合格率达到95%以上。”时任中俄二线项目经理高永东评价道。

  打通设备国产化最后一公里

  随着机械控制领域对新技术的需求,结合前代自动焊装备(含外焊机、坡口机、内焊机)在工程应用中发现的问题,2018年,管道局第三代管道自动焊申请立项,进一步提高坡口机加工精度,研发内焊机的无线遥控和内窥系统,开发外焊机全数字化控制系统和跟踪系统。

  要想进一步提高二维焊缝跟踪的精度,就必须获得焊接电源的准确数据。但管道局自动焊装备使用的都是欧洲知名的福尼斯焊接电源,电源厂家拒绝开放数据接口。随即,科研人员加快科研脚步,开始选配国产电源。通过大量的筛选比对,科研团队很快确定了用国产奥太电源作为替代电源,并通过编写程序、组装设备、测试参数不断修正思路,提高焊缝跟踪精度。

  2020年9月,搭配国产奥太电源的CPP900-W2N管道全位置自动焊机在唐山LNG外输管线成功应用,数字化控制和焊缝跟踪系统深度融合,提高了跟踪技术的准确性、灵敏度,意味着全自动焊的核心技术实现了国产化。

  “跟奥太公司合作后,电源本身的电流电压信号处理远比外部采集的电流电压信号更准确、实时性更强。”科研人员王新升说。团队在此基础上提出电源输出特性模式以及电源数据采集信号和传输要求,双方在深度合作过程中,通过多次提取规律性数据和运算,最终为技术突破设计出了完整的订制化方案。

  “CPP900-W2N管道全位置自动焊机在保证整机控制稳定性、提升电源特性、开发灵活性的同时,配套国产电源使产品成本降低了30%。”管道局研究院管道施工装备与非开挖技术中心副主任张毅介绍。

  第三代自动焊装备在各项目现场都配备了技术服务小组,与项目人员同吃同住,建立起顺畅的沟通和反馈渠道,持续开展结构升级、系统换代工作。

  赓续传承 不断精益前行

  目前,管道局CPP900系列自动焊装备是国内种类最全、配套最完善的管道焊接设备,可覆盖多种管径、工艺,对环境适应性强。漠大原油二线、中靖联络线、中俄东线等工程依托低温自动焊装备,能够在零下50摄氏度的极端低温条件下正常运行。针对库鄯线黄河水穿越段等地形复杂、条件恶劣小流水作业区域,管道局研制出搭载超短距离拉丝技术、智能控制技术、G1焊缝自动跟踪技术的CPP900-W1N单焊炬自动焊机,破解施工技术难题。

  “第三代管道自动焊采用全数字化控制系统,核心部件实现了全国产化,并能够通过外接传感设备或系统,全方位采集更多数据,为构建智慧管网提供数据基础。”管道局研究院施工装备与非开挖中心主任尹铁介绍,第三代装备已在管道工程30多个焊接机组应用,性能稳定、自动化程度高、可操性强、焊缝跟踪精度高,大大提高了管道施工的自动化程度和工程质量,有力支撑了工程的顺利建设。同时,第三代装备制造费用相比原有设备成本降低了20%,生产周期也大大缩短。以单台内焊机为例,生产时间比以往缩短7天,已具备量产条件。

  近年来,管道局注重抓好科研成果转化应用,发挥自动焊装备研产用优势,形成了从装备研发、产品制造到销售、服务一整套完备的研发推广体系,实现规模推广和规模效益。

  截至目前,第三代自动焊装备已先后与辽河油田建设公司、中化集团十三化建、中国石化中原建工、国机重工等公司签订设备销售或租赁合同,合同额累计超8亿元。

  “我们将不断创新,赓续传承CPP900自动焊研发团队‘应用一代,储备一代,研发一代’的研发理念,以焊接智能化、无人化为目标,精益求精,继续勇敢尝试、探索。”尹铁说。

  应用故事

  肩扛重担服务一线

  8月8日,在管道局中俄东线南段(南通—甪直)施工现场,研究院服务工程师高岩与现场焊工进一步沟通D1422系列装备使用情况,以便持续升级装备结构。

  近年来,管道局推进科研与施工深度融合,装备、工艺、队伍等方面的核心能力持续提升,创造了一个个国内首创、国际领先,填补了多项业内空白。

  目前,D1422毫米管道为国内最大口径管道,在中俄东线工程建设中应用了上千公里。但在2016年前,国内还没有自主研制的D1422系列施工装备。当时,管道局承担中俄东线(黑河—长岭)试验段建设任务,扛起了建设国内首次D1422管径工程的重担。

  作为集团公司“第三代管道自动焊关键技术研究”专项负责人,尹铁接到科研任务,负责D1422系列成套自动焊装备的研发,并且必须在1年内完成样机的试制定型工作。

  尹铁和11名科研人员组成项目组,严格把关设计、加工、装配、调试等各个环节。经过不懈努力,顺利完成了D1422管道坡口机、气动内对口器、管道内环缝自动焊机的设计定型工作。

  中俄东线(黑河—长岭)途经我国北方严寒地区,冬季气温最低可达零下45摄氏度,这对工程建设来说是不小的考验。严格的施工工艺要求和严酷的使用环境,对施工设备提出了更高的要求。“设备口径变大,给设计带来了很大的难度,并且前期设备在使用过程中,我们发现了很多在设计过程中没有想到的问题。”尹铁深有感触。

  在中俄东线(黑河—长岭)试验段,一个寒冷的夜晚,尹铁接到了内焊机发生故障的报告。为了不影响第二天的施工,尹铁和项目组成员立刻驱车赶到施工现场。

  空旷的施工现场一片漆黑。他们打开汽车大灯,趴在雪地上借着灯光排查故障。东北的夜里寒风凛冽,冻得手都伸不出来,项目组成员坚持细心排查每一处可能发生故障的地方。三四个小时后,他们终于发现了问题,并迅速维修设备。

  “那天,项目组回到宾馆已是凌晨。”尹铁说。针对发现的问题,项目组进行了优化,为后期的设备定型奠定基础。

  此后,D1422系列装备的焊接合格率稳定在95%以上。D1422系列管道施工装备的研制,填补了国内超大口径施工装备的技术空白。管道局率先掌握了D1422管径管道工程的施工技术,提升了管道局乃至集团公司的工程建设能力。

  在尹铁的带领下,项目组跟着管道从黑龙江黑河一路南下到上海,通过施工装备与焊接工艺、施工装备与工程现场的深度融合,在服务一线的过程中,不断提高施工效率、节约施工成本,有力保障了国家重点工程的建设。(记者 徐义泽)

  应用者说

  管道局华油工建公司副总经理、总工程师 高云宇

  我公司在2021年第一次使用CPP900-W1N管道单枪自动焊设备,焊工经过7天的现场培训就掌握了操作要领,实现了从半自动焊向全自动焊施工的转变。在我们承担的新疆黄水河穿越项目过程中,1.53公里管道焊接任务,合格率达到99.7%,赢得了业主单位的一致好评。

  管道局四公司线路三分公司副经理 卢振尧

  2017年中俄东线北段施工以来,我们公司就开始使用CPP900系列装备。经历了东北的极度严寒天气和江南的高温、高湿天气,设备稳定性高,一次焊接合格率可以达到95%,技术服务周到、及时,有力保障了项目稳步推进。

  管道局二公司焊接高级技师 韩彦崇

  我从2016年开始使用管道局自动焊产品,见证了产品的迭代升级。尤其是最新的CPP900-W2N双枪自动焊,在中俄东线南段的使用过程中优势非常明显,操作界面简单、电弧跟踪精度高,新招聘的焊工经过简单的培训即可焊出合格口。

  河北华元机电工程有限公司副经理 王晓斌

  我公司2021年购置了CPP900系列自动焊产品,用于舟山海洋管道施工。在海洋管道施工,施工成本高、对设备的可靠性要求高。CPP900系列自动焊产品性能很稳定,焊接合格率可以达到97%。

  中国化学工程第十三建设公司焊接培训站主任 张立军

  我们焊接培训站汇聚了全国各大生产厂家的自动焊产品。从2020年开始,我们引进管道局生产的CPP900系列装备,开展焊工培训、取证和GA1资质申请工作。CPP900系列自动焊装备以卓越的性能、操控和维护的简便性,赢得了焊工的称赞,为我公司GA1资质的取得奠定了良好的基础。

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