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能源工程焊接技术的“中国造”

发布日期:2020-05-31 20:51 作者:牙买加赌场 点击:

  “天行健,君子以自强不息;地势坤,君子以厚德载物”。自1911年建校以来,清华大学已为中国各个领域培养了一批又一批顶尖人才,无愧于“清芬挺秀”,为“华夏增辉”。2011年4月,清华大学迎来建校一百周年庆典。值此庆典之际,分布各地的不少清华优秀学子收到了母校的邀请函。北京石油化工学院副院长焦向东便是其中之一。

  从1980年到1988年,焦向东在清华大学焊接工艺及设备专业先后获得本科和硕士学位。此后又在该专业取得博士学位,可谓根正苗红的“清华人”。此次他能够得到母校青睐,可不仅是因为他纯正的“清华血统”,更是因为他在能源工程焊接技术领域为祖国实现了多项“中国造”!

  能源已成社会经济发展的重要动力之一。在我国,自改革开放以来,石油石化、海洋能源、电站等诸多能源相关行业,已成为关系国计民生的重要行业。

  在这些行业中,除了能源资源本身无比重要之外,开采和开发这些能源的诸多重大工程对于焊接和连接技术的需求也随之迅速增加,重要地位日益凸显出来。然而,与此形成巨大反差的是,我国许多大型工程建设和关键装备制造,在很大程度上尚未脱离对国外技术的依赖。

  对于这一点,从1980年上清华大学焊接专业起就与焊接结缘的焦向东是再熟悉不过了。1987年,大亚湾核电站动工。当时中国并不具备独立建设核电站的技术,只能交给外国人来建造,我国只需派人前往做好质量控制工作。然而现实却是,即便是“监工”也同样稀缺。无奈之下,国家只好把目光投向清华大学。此时,焦向东已获得硕士学位,正准备继续攻读清华大学博士学位。经清华大学推荐,焦向东作为焊接方面的人才被保留学籍,并被派往支援核电站建设。

  从核电站底部第一块钢板铺设开始,一直到核设备的安装,焦向东见证了核岛和常规岛设备的安装和焊接施工的整个过程。而当一号机组即将发电,焦向东重返清华,继续学业。这时已是1991年了。

  三年的核电站建造焊接质量控制工程师经历,为焦向东积累了丰富的工程实践经验,也让他深刻认识到,类似能源工程这样的关系国家战略的重大工程项目,不能总是依赖于国外技术,而他自己所钻研的能源工程焊接技术,亦是如此,正在迫切呼唤着“自立自强”!

  凭着这一认识,多年来,焦向东竭尽全力,致力于特殊工况焊接和连接技术研究,研发了一系列创新的自动焊接设备和工艺,在大型结构物建造、水下维修、油气输送管线铺设等方面打破了国外技术垄断,大幅度提升了我国高端焊接设备研制能力和先进焊接工艺开发能力,极大地提高了我国特殊工况焊接技术的研究水平。

  目前,他已主持或参与完成各级、各类科研项目20多项,累计科研经费近2000万元。在国内外专业杂志发表学术论文80余篇,已获专利授权近40项,获得省部级科技进步奖一等奖1项、北京市科学技术奖二等奖两项,其他科技奖励4项。他所领导的能源工程先进连接技术北京高校工程研究中心是中国面向能源工程的水下焊接技术研究的重要力量,正在开展海洋工程连接技术、水下弧焊技术与装备、面向深水的水下非弧焊连接技术与装备的系列研究工作。

  我国石油石化行业储罐建造量本来就很大,加之国家石油储备基地、LNG接收站以及城市燃气储罐等的集中建设,储罐建造需求进一步增加。

  然而,传统的固定式焊接机器人的应用大多局限于结构化环境中,无法满足大型储罐、水电站水轮机叶片修复等野外作业非结构化环境的要求。为此,需要开发合适的新型焊接机器人。

  这成了焦向东博士毕业加盟北京石油化工学院装备技术研究所后的第一个重大研究目标。

  “九五”期间,经过焦向东等的不懈努力和反复试验,2000年,具有全部知识产权的“九五”“863”科技成果“全位置智能焊接机器人”横空出世!

  该机器人首次采用CCD光电测控技术解决了多层多道焊的实时跟踪难题,并采用柔性磁轮式机构解决了焊车无导轨全位置自由行走的难题。

  很快,“全位置智能焊接机器人”在工程实践应用中大放异彩:先后在中石化第十建设公司的球罐焊接工地与试验车间进行了现场焊接试验,之后又开展了进一步的产业化工作。“全位置智能焊接机器人” 成果由科技部组织评估,其经济价值在1.8亿元以上。不久,在科技部的支持下,焊接机器人公司宣告成立。这也标志着他们研制的新型智能焊接机器人正式走向全面产业化之路。

  “全位置智能焊接机器人”实现了产品系列化,不仅在石油石化储罐建造中发挥着重要作用,而且在我国大型钢结构建筑物施工中得以应用。2008年北京奥运会,该机器人成功地应用于“鸟巢”钢结构焊接,取得了重大效果;2010年上海世博会,“全位置智能焊接机器人”再度亮相,参与中心主场馆工地焊接工作,取得广泛社会效益。

  中国版图,背倚山脉、东临大海,渤海、黄海、东海、南海,四海相连,环绕大陆东南部。茫茫海洋之下,储存着丰富的能源资源。随着陆上油气资源日渐减少,人们开始把更多的目光投向海底。“向水下进军”,不仅是世界油气开采的风潮,也是焦向东科学研究与技术创新的方向。他从陆上石油管道焊接的自动化,逐步转向海上工程的焊接连接技术的创新。

  海洋已经成为全球油气资源重要的接替区。2010年,中国海洋石油总公司海上油气年产量首次突破5000万吨油气当量,建成了“海上大庆”。

  然而,我国几乎每年都有海底管线损坏,修复工作很大程度上依赖于国外技术的支持,费用动辄以1000万元计,还要承受不能及时修复造成的油田停产损失和海洋污染损失。

  于是,焦向东开始“水下”创新之路。从2002年至2006年,他主持完成了国家“十五”“863”重大项目“水下干式管道维修系统”的“水下干式高压焊接”子课题。

  高压环境电弧行为与常压环境存在重大差异,电弧稳定性差。焦向东等针对这个问题,建造了国内第一个大型干式高压焊接试验装置,研制了国内第一台遥控操作的海底管道维修焊接机器人,开发了国内第一套海底管道高压焊接工艺。2007年6月,国家科技部组织课题验收,验收意见认为“打破了国外公司的技术垄断,在高压焊接工艺技术与TIG自动焊接设备等几个方面取得了创新成果”。坐落于光机电装备技术重点实验室的这套实验系统能够满足目前中国浅水海域水下焊接的科研需求。

  2009年,他的“水下干式高压焊接” 课题成果获得中国石油石化工业协会科技进步奖一等奖、机械工业科学技术奖二等奖,以及北京市科学技术奖技术发明二等奖。

  目前,我国大批核电站正在建设之中。但是,先进的核电站检修技术掌握在西方核电强国手中,成为影响我国核电安全运行的技术短板。

  为此,刚刚完成“水下干式高压焊接”课题的焦向东又开展了国防科工委重大项目“堆内构件在役维修技术研究”的“核电厂检修用水下焊接技术”子课题的研究工作。

  历经两年时间,焦向东等成功建成了我国第一套核电厂检修水下焊接实验系统,能够模拟所需水深工程环境,满足核电厂检修水下焊接机理研究和设备工艺实验研究的需要,开发了我国第一套不锈钢水下自动焊接工艺。

  为了适应反应堆压力容器空间相对狭窄的限制,该课题不是采用大型水下干式舱,而是采用仅仅包裹焊枪的局部排水气罩,紧凑的结构适于核电行业应用。专用的水下焊接装置与正在开展研究的水下操作机器人紧密结合,将实现符合核电行业标准要求的修复焊接。

  2009年,“核电厂检修用水下焊接技术”通过了国家核电技术公司组织的科技成果鉴定。该项目成功建成了我国第一套核电厂检修水下焊接实验系统,首次实现了水下自动焊接,具有新颖性和创造性,填补了国内空白,达到了国内领先、国际前沿的技术水平。中国政府网、人民网等媒体称“国家核电实现核电检修水下焊接技术研发重大突破”。2010年,该项目的成果荣获中国核能行业协会科学技术奖三等奖。

  为了加快我国海洋油气产能建设,中国海油已建成了一大批海上重大装备,例如2010年顺利出坞的3000米深水铺管起重船“海洋石油201”、 3000米深水半潜式钻井平台“海洋石油981”,为我国进军南海深水奠定了基础。然而,深水重大装备的关键技术仍是一大掣肘。

  为了尽快摆脱对国外的依赖,国家科技部通过“十一五”“863”计划重大项目配套的方式,对深水开发重大装备的关键技术问题进行国产化研发。焦向东主持完成的“深水海底管道铺设技术”子课题“深水海管铺设焊接工艺及设备国产化技术研究”,便是其中的项目之一。

  海上铺管与陆上铺管最大的不同是,铺管船队及其保障的日常运行费用高达上百万元,不仅焊接质量有严格的规定,而且要求很高的焊接生产效率。

  目前,该课题成果已在渤海湾成功地进行了海试。焦向东通过该课题,首次在国内自主研发了深水海底管道铺设自动焊接设备。该设备采用高效率双车双炬窄间隙焊接,紧凑轻巧,适合海上应用,创造性地采用网络和现场总线技术,极大地提高了系统的可靠性和柔性,为实现海底管道铺设计算机集成焊接系统打下了坚实的技术基础。

  目前,深水油气资源开采已成为海洋石油工业发展的趋势。2006年完成的“水下干式高压焊接技术”成果,采用钨极氩弧焊接,随水深压力增加、电弧稳定性降低,只能用于300米水深,不能满足深水结构物维修的需要。

  当时正在研究“核电厂检修用水下局部干式焊接技术”的焦向东,为了尽快解决这一问题,在国家“863”计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金的支持下,同时在国内率先领导开展了摩擦叠焊研究。

  摩擦叠焊的焊接过程不受水深影响,而且在水中直接施焊,不需要大型水下干式舱,因而具有光明的深水应用前景。他率领同事设计建造了国内第一台水下摩擦叠焊试验装置,首次在国内围绕摩擦叠焊这种新型材料固相成型技术进行了系统深入的理论和实验研究,为自主解决深海钢结构裂纹修复、海底管道在线开孔以及浮式生产储运卸装系统无进坞维修等问题奠定了坚实基础。目前该技术正在“十二五”“863”的计划下,继续进行后续工程化研究。

  从陆上焊接自动化,到海上焊接技术,再到深海焊接技术,焦向东步步深入,实现了多项“中国造”。清芬挺秀,华夏增辉。焦向东用厚重的积累,以自己特有的方式,向全世界传递着华夏文明自强不息的精神。

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