Soudage des Plateformes Pétrolières Offshore et Application des Robots de Soudage Intelligents
Les plateformes pétrolières offshore sont construites à l’aide d’une grande quantité de structures en acier soudées, et l’environnement marin rigoureux impose des exigences accrues en matière de soudage des structures en acier.
La construction traditionnelle des plateformes offshore repose principalement sur le soudage manuel, avec le soudage semi-automatique comme méthode auxiliaire. Cependant, il est difficile d’assurer la cohérence de la qualité des soudures et l’efficacité du soudage. De plus, la pénurie de soudeurs qualifiés complique l’organisation de la production, réduit la précision de fabrication et entraîne des coûts de production et une consommation énergétique élevés.
Le soudage robotisé intelligent est une approche clé pour réaliser un soudage efficace et de haute qualité des structures en acier offshore. Il présente des avantages tels qu’une qualité stable, une efficacité de soudage élevée et une réduction des coûts globaux, ce qui le rend très prometteur pour les applications industrielles. De nombreux produits matures existent dans le monde. Par exemple, l’allemand KUKA a développé un système de robot de soudage avec une capacité de charge à l’extrémité allant jusqu’à 16 kg et une précision de repositionnement de ±0,05 mm, permettant une large gamme d’opérations et le soudage de divers types de joints. Le japonais FANUC a intégré ses technologies avancées de CNC, de servocommande et d’automatisation industrielle dans le développement et la production de robots. Ses robots de soudage des séries M-10 et M-20, largement utilisés dans l’industrie des pièces automobiles, ont été produits à plus d’un million d’unités. ABB, en Suisse, a installé plus de dix mille robots de soudage à l’arc, qui sont largement utilisés en raison de leur structure robuste et stable, avec une précision de positionnement allant jusqu’à ±0,05 mm.
Actuellement, la plupart des opérations de soudage reposent encore sur un apprentissage répétitif des trajectoires pour les robots de soudage. Cependant, en raison de la grande taille et des formes complexes des structures en acier offshore, cette méthode est difficile et chronophage. De plus, une fois la programmation du robot terminée, celui-ci ne peut pas s’adapter aux incertitudes liées à la position des pièces, ce qui l’empêche de corriger en temps réel les erreurs de positionnement manuel et les écarts des composants.
Cet article analyse l’état actuel des applications et les défis des robots de soudage dans la fabrication des structures en acier, en tenant compte des caractéristiques des structures offshore. Il examine également les technologies clés des robots de soudage intelligents pour le soudage des structures en acier, afin de fournir une référence pour l’industrialisation du soudage des structures offshore en Chine.
État actuel du soudage des structures en acier offshore
1 Caractéristiques de la pièce
Les structures en acier offshore comprennent principalement des composants porteurs tels que les jackets et les modules, ainsi que des pipelines de process et des pipelines sous-marins destinés au transport des fluides.
La construction d’un jacket implique la préfabrication et l’assemblage des jambes et des entretoises, suivis de l’assemblage spatial et du soudage des joints en T/K/Y. Le principal type de soudage utilisé est celui avec un chanfrein en forme de selle, caractérisé par des trajectoires de soudage complexes et une charge de travail importante. L’épaisseur des parois des tubes peut atteindre 75 mm, ce qui accroît considérablement la difficulté du soudage.
Les structures modulaires comprennent principalement des plaques annulaires, des plaques de remplacement de brides, des plaques d’âme de remplacement, des raidisseurs tubulaires, des raidisseurs, des tubes elliptiques et des plaques d’insertion. Les principales formes de soudage incluent les joints à bords droits et les soudures d’angle, nécessitant un soudage en double chanfrein sur des plaques épaisses dans diverses positions, notamment en plat, en horizontal, en vertical et en plafond. L’épaisseur des parois varie généralement entre 13 et 60 mm, la majorité des applications se situant dans la plage de 16 à 25 mm.
Les anneaux de renforcement en eau profonde et les anneaux de résistance à l’effondrement utilisent principalement des chanfreins en V, en K et des soudures d’angle, nécessitant un soudage multi-passes et multi-couches à pleine pénétration. L’épaisseur des anneaux de renforcement peut atteindre 70 mm, avec un jeu à la racine pouvant aller jusqu’à 5 mm. Le procédé actuel repose principalement sur le soudage vertical avec déformation inversée à l’aide de chariots de soudage semi-automatiques au CO₂. Pour les anneaux de renforcement d’une épaisseur de 50 mm, le soudage robotisé a été réalisé via un apprentissage manuel. Cependant, des défis majeurs subsistent pour automatiser complètement l’étanchéité des racines et le soudage multi-passes.
D’après cette analyse, les structures en acier offshore présentent des caractéristiques telles que des dimensions importantes, des parois épaisses, des trajectoires de soudage complexes et une grande diversité de structures et de joints de soudage. Ces éléments rendent difficile l’assurance d’une précision élevée lors du processus de fabrication. De plus, la construction des structures en acier suit généralement l’approche « préfabrication en atelier et assemblage sur site ». Lors de la phase de préfabrication, les pièces doivent être assemblées et positionnées par pointage, ce qui entraîne inévitablement des erreurs d’assemblage, en particulier en ce qui concerne l’écart et le désalignement des soudures. Ces facteurs compliquent la garantie d’une qualité de soudure stable.
En outre, en raison des conditions d’exploitation offshore extrêmes – notamment les typhons, les glaces dérivantes, l’érosion par l’eau de mer et la corrosion – les structures en acier offshore doivent résister à des environnements sévères. Elles nécessitent une forte résistance aux chocs à basse température, à la fatigue et à la rupture. Par conséquent, la technologie de soudage robotisé doit répondre à des exigences extrêmement strictes en matière de qualité du soudage, de complexité structurelle, de diversité des composants et de précision d’assemblage.
2. État du soudage
Actuellement, le soudage des structures en acier se divise principalement en trois catégories : le soudage manuel traditionnel, le soudage semi-automatique et le soudage robotisé. Le soudage semi-automatique consiste généralement à modifier la position de la pièce tout en maintenant une posture relativement fixe du chalumeau. Pendant le soudage, les opérateurs doivent ajuster manuellement la position du chalumeau et les paramètres de soudage en fonction des conditions réelles.
Les robots de soudage utilisent encore principalement le mode « apprentissage-reproduction », où un opérateur guide manuellement le robot le long du joint de soudure une première fois, puis enregistre cette trajectoire dans le contrôleur du robot pour une exécution répétitive en production. Cette méthode permet uniquement de reproduire des trajectoires préalablement enseignées et manque de flexibilité pour s’adapter aux changements des tâches de soudage. Si les paramètres de soudage, les trajectoires ou les vitesses doivent être modifiés, le robot doit être réappris, ce qui augmente la charge de travail et le temps de soudage.
Dans la construction des structures en acier offshore, le soudage des pipelines de process permet déjà de réaliser un pointage manuel suivi d’un remplissage automatique à l’aide de machines de soudage spécialisées. Cependant, pour les soudures des composants structurels complexes, l’étanchéité des racines est encore réalisée manuellement, et le remplissage reste principalement semi-automatique.
Avec l’augmentation de la demande en soudage robotisé pour les applications sur site, de nouvelles méthodes, telles que l’apprentissage par guidage manuel et la programmation hors ligne, ont émergé. Bien que ces solutions simplifient l’opération et réduisent le temps consacré à l’apprentissage manuel, elles ne résolvent pas fondamentalement le problème du manque d’adaptabilité de la programmation par apprentissage. Pour des joints de soudure de formes ou de positions différentes, un réapprentissage est toujours nécessaire. De plus, les robots ne disposent pas de capacités de perception de l’environnement, ce qui rend difficile l’automatisation complète du soudage des soudures complexes et limite leur application dans le soudage des structures en acier offshore.
L’essence des robots de soudage intelligents réside dans l’acquisition, le traitement et l’exécution précis des informations liées au soudage, afin d’imiter l’observation et les actions humaines pour un soudage intelligent. Avec le développement des technologies de détection, les robots de soudage peuvent utiliser des capteurs (tels que des capteurs de vision et tactiles) pour collecter des informations sur la morphologie et la position de la pièce. Ces données sont transmises au contrôleur du robot afin de permettre la reconnaissance du joint de soudure, l’adaptation intelligente des paramètres et la correction de trajectoire, permettant ainsi des ajustements en temps réel de la posture du chalumeau et des paramètres de soudage.
