Реализация адаптивных технологий сварки кольцевых стыков магистральных трубопроводов

Подробности

Опубликовано 09.03.2016 08:07

Просмотров: 2318

Техническое решение задачи адаптации сварочного оборудования к аномалиям в сварочных технологиях сводится к его оснащению бесконтактными датчиками и интерфейсными устройствами, обеспечивающими сопряжение с системой управления и программными средствами, которые обрабатывают информацию, прогнозируют качество и управляют процессом сварки на основе математических моделей.

Такая интеграция наделяет сварочные установки функциями автоматизированных комплексов, позволяя минимизировать участие оператора в технологическом процессе сварки без потери качества получаемых соединений.

В структуре такого автоматизированного сварочного комплекса можно выделить два основных контура управления. Первый контур — контур управления формированием сварного соединения, обеспечивающий технологическую адаптацию системы и сварочного оборудования к различного рода возмущениям. Второй контур решает задачу геометрической адаптации, т. е. ведение источника нагрева точно по стыку для предотвращения дефектов, связанных с погрешностями сборки и разделки стыков.

Параметры режима сварки определяются в программно-реализованном интеллектуальном модуле системы управления, который содержит правила управления процессом сварки с учетом пространственного положения сварочной головки и аномалий в сборке стыка. Законы управления представляют собой формализованный опыт (знания) высококвалифицированного сварщика и данные штатной технологии, изложенные в технологических картах. Такая организация процесса сварки реализует цифровую технологию сварки со средствами прогнозирования, управления и диагностирования процесса в автоматическом режиме с цифровой обработкой информации о процессе в режиме реального времени по сигналам с датчиков.

В рамках данной работы ставятся следующие основные задачи: подтверждение эффективности функционирования основных модулей сварочной установки (сварочной головки, микропроцессорной системы управления, программного обеспечения); определение (уточнение) базовых режимов сварки, обеспечивающих требуемое качество соединений труб большого диаметра при строительстве магистральных трубопроводов; выявление закономерностей корректировки базовых режимов при наличии отклонений геометрических параметров стыка от номинальных значений для создания базы правил управления режимами сварки и факторов, влияющих на корректную работу сварочной установки, включая способы их устранения.

Функции управления, отображения информации и протоколирования процесса сварки выполняет промышленный компьютер (ПК). Блок управления комплексом (БУК) включает модули управления двигателями сварочной головки, устройства сопряжения со сварочным источником питания, модули обработки сигналов датчиков и систему управления подачей защитного газа. Пульт оператора подключается к блоку управления и позволяет реализовывать ручное управление сварочным комплексом: запускать и останавливать процесс и корректировать параметры сварки в заданных пределах.

Базовая технология автоматизированной сварки. В рамках испытаний опытного образца автоматизированной сварочной установки с адаптивной системой управления выполнили сварку тестовых сварных соединений. Корневой слой шва выполняли автоматической сваркой проволокой сплошного сечения в углекислом газе методом УКП. На основании этих работ были определены оптимальные параметры режимов сварки заполняющих и облицовочного слоев шва — порошковой проволокой в смеси газов.

Сварку выполняли на однотипных образцах труб из стали класса прочности К60 диаметром 1020 мм с толщиной стенки 19 мм. В результате анализа экспериментальных данных сварки проволокой сплошного сечения в углекислом газе методом УКП корневого слоя шва и сварки порошковой проволокой заполняющих и облицовочного слоев шва с использованием методов математической статистики определены диапазоны изменения базовых режимов, обеспечивающих требуемое качество шва при наличии возможных отклонений в геометрических параметрах сборки стыка по зазору, перекосу и притуплению кромок.

Параметры режима автоматической сварки в С02 корневого слоя шва проволокой сплошного сечения диаметром 1,14 мм

Тип/Полярность тока........................ Постоянный/Обратный

Базовый ток, А............................. 40—50

Пиковый ток, А............................. 230—270

Горячий старт, уел. ед..................... 35—40

Скорость сварки, мм/с...................... 2,0—3,5

Скорость подачи проволоки, мм/с............ 35—45

Скорость колебаний электрода, мм/с......... 15

Время задержки электрода на кромках, с  0,2

Амплитуда колебаний электрода, мм.......... 2,0—3,5

Вылет электрода, мм........................ 15

Угол наклона электрода (назад), град....... 10

Расход защитного газа, л/мин............... 15

Параметры слоя шва                                

Первый заполняющий/Последующие заполняющие/Корректирующий/Облицовочный

Скорость сварки, мм/с, в зависимости от положения горелки:

— положение 0—2 ч   3,0          2,8          —           3,0

— положение 2—4 ч   3,6          3,2          3,4          3,4

— положение 4—5 ч   3,0          2,8          —           3,0

— положение 5—6 ч   1,8          1,6          —           1,6

Скорость подачи проволоки, мм/с:

— положение 0—5 ч   30           36           36           30

— положение 5—6 ч   24           28           —           24

Вылет электрода, мм 12/19   

Сила тока, А     200—210/230-240/200—210

Напряжение дуги, В     18—19  19—20  19—20  18—19

Время задержки электрода на кромках, с:

— положение 0—5 ч                   0,2                        

— положение 5—б ч   0,6          0,6          —           0,6

Угол наклона электро-да, град:

— положение 0—3 ч   10           10           10           10

— положение 3—5 ч   0             0             0             0

— положение 5—б ч   10           10           —           10

Качество сварных соединений контролировали визуально, рентгенографическим и ультразвуковым методами. Были проведены механические испытания сварных соединений и выполнен контроль микроструктуры поперек сварных швов. Установлено, что сварные швы соответствуют требованиям к сварным соединениям магистральных трубопроводов (СТО Газпром 2-2.4-083 и СТО Газпром 2-2.2-358—2009).

Реализация адаптивной технологии сварки. Необходимость адаптивной коррекции базовых режимов сварки обусловлена следующими факторами, подтвержденными результатами испытаний: в процессе подготовки и сборки стыкового соединения возникают изменения геометрических параметров разделки стыка; негативное влияние оказывает изменение формы сечения трубы, несоосность свариваемых участков, перекос при установке направляющего пояса сварочной головки.

Процедура адаптивной коррекции реализуется на основе следующего алгоритма:

для всех строк входного файла

Шаг 1. Для каждого из параметров — зазор (расстояние между кромками разделки соответственно слою).

Шаг 2. Для каждого из параметров режима сварки значение умножается на весовые коэффициенты содержащие оценочные значения влияния геометрических параметров разделки стыка на параметры режима сварки. Результатом является вектор-строка поправок для каждой строки командного файла.

Весовые коэффициенты, отражающие влияние геометрических параметров на режимы сварки, определяются методами теории идентификации по экспериментальным данным, полученным в режиме ручной коррекции квалифицированным оператором-сварщиком. По каждому из корректируемых параметров сварки методом наименьших квадратов определяется функция множественной регрессии и коэффициенты.

ШагЗ. Вектор-строка поправок суммируется (поэлементно) с командной строкой, полученной для базового режима на основе технологических карт.

Весовые коэффициенты для реализации алгоритмов адаптивного управления определяли при исследовании опытного образца.

Далее сравнивали действия квалифицированного сварщика и корректирующих воздействий, рассчитанных в результате реализации алгоритмов адаптивного управления (рис. 7). Расчетные значения корректирующих воздействий в целом аналогичны действиям квалифицированного сварщика, но являются более гладкими, что положительно сказывается на качестве сварного шва. Расчетные значения коррекции являются «упреждающими» по сравнению с коррекцией оператором, так как в большинстве случаев сварщик принимает решение о необходимости корректировки режима только по факту наблюдения критических изменений в сварочной ванне.

Рекомендации к проектированию механических и электронных узлов автоматизированной сварочной установки. Методика адаптации к технологическим возмущениям при сварке

В рамках испытаний опытного образца автоматизированной сварочной установки с адаптивной системой управления определены факторы, приводящие к некорректной работе системы управления и/или препятствующие формированию достоверной базы правил для корректировки режимов сварки:

• недостаточная жесткость конструкции сварочной головки, приводящая к отклонению реального положения сварочной горелки от расчетного («провисание» горелки в ряде пространственных положений);
• выгорание наконечников сварочной горелки, требующее корректирования вылета электрода;
• неравномерное заполнение разделки по периметру стыка при сварке (флуктуации толщины свариваемого слоя) — необходимо корректирование расчетных режимов сварки;
• изменение геометрии разделки при сварке корневого слоя («утяжка» стыкового соединения) — необходимо повторное сканирование после сварки корневого слоя либо обеспечение жесткости сборки (увеличение числа прихваток, применение внутренних центраторов при сборке стыка);
• система управления процессом формирования сварного соединения является многомерной и многосвязной, т. е. изменение одного из управляющих параметров приводит к необходимости корректирования остальных базовых режимов (например, изменение вылета горелки приводит к необходимости изменения величины размаха колебаний). Данный факт существенно усложняет построение адекватной модели процесса. Для упрощения формирования законов управления необходимо применять методики развязки каналов либо выделять наиболее эффективные управляющие параметры;
• отсутствуют однозначные корреляционные зависимости между изменением геометрии разделки и корректирующими действиями оператора-сварщика. Данный факт связан с временными задержками, необходимыми сварщику-оператору для анализа протекания процесса и ввода корректирующих воздействий. Необходим учет модели сварщика-оператора в контуре управления в виде звена чистого запаздывания.

Вывод

Цифровая технология автоматической сварки кольцевых стыков труб обеспечивает повышение качества и производительности при строительстве и ремонте магистральных газопроводов большого диаметра за счет интеграции в программно-аппаратном комплексе следующих основных функций: измерения геометрии сборки и положения в пространстве стыка с использованием профилометрического датчика; формирования управляющих воздействий для коррекции базовых режимов сварки и положения сварочной головки относительно оси стыка; реализации программного управления параметрами режима сварки при автоматической сварке орбитального стыка трубы; управления процессом сварки по адаптивному алгоритму в структуре системы управления, контроля и протоколирования параметров сварки и геометрии сборки стыка.