程繼兵，劉耀民，趙福本，王 健

（中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

0 前 言

鋼管防腐涂層局部厚度不足的問題一直存在于直焊縫鋼管的防腐生產過程中。在3LPE防腐過程中，約200℃的聚乙烯膜片經過壓輥碾壓后涂敷在鋼管表面，由于直焊縫的存在，高溫聚乙烯膜片在經過碾壓后涂敷在脊狀焊縫上時，減薄量較為明顯，因此，焊縫處涂層的厚度總是低于管體涂層厚度。國外一些管線對焊縫與管體涂層厚度的比例要求嚴格，一般要求減薄量不低于90%。而為保證焊縫處涂層的厚度，只有增加擠出量，加大膜片厚度才能滿足質量要求。筆者研究開發(fā)了一種涂層厚度補償裝置，以期對直縫焊管的防腐生產提供參考。

1 焊縫補償裝置的基本原理

焊縫涂層補償裝置原理如圖1所示。焊縫涂層補償裝置由步進電機、牽引輥、壓輥、1#超越離合器、2#超越離合器和鏈條等幾部分組成，步進電機由1臺PLC控制，提供牽引輥動力。由于步進電機與牽引輥之間（1#離合器）及牽引輥與壓輥之間（2#離合器）采用超越離合器聯動，當電機轉速較膜片速度低或不旋轉時，1#超越離合器處于分離狀態(tài)，2#離合器閉合，牽引輥由與壓輥連接的鏈條帶動，隨膜片同速轉動。此時，膜片厚度無較大變化。當電機速度超過膜片速度時，牽引輥與電機之間的1#離合器閉合，電機帶動牽引輥高速旋轉，而此時牽引輥與壓輥之間的2#離合器分離，脫離壓輥牽引。步進電機以鏈傳動方式帶動涂層牽引輥高速旋轉，通過牽引輥與涂層膜片之間的相對運動，從而改變牽引輥與壓輥之間膜片的張緊力，張緊力減小后膜片厚度隨之增加，再經壓輥碾壓涂敷在焊縫上達到提高焊縫處涂層厚度的作用。

圖1 焊縫涂層補償裝置原理圖

從圖1可以看出，牽引輥的轉速是影響膜片厚度的關鍵。當牽引輥與膜片同速時，牽引輥與膜片之間無相對運動，對膜片的厚度無影響。當牽引輥速度大于膜片速度時，牽引輥與膜片之間產生相對運動，速度越大，產生的相對運動越大。由于摩擦力的存在，膜片與壓輥之間的張緊力減小，幅寬加大，進而厚度產生變化。

2 PLC對步進電機的控制

在電機的選擇上，由于該裝置采用三相混合式步進電機，該電機綜合了反應式和永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，是目前性能最高的步進電動機。在力矩的選擇上，通過對單位膜片拉力的測算，得出膜片的拉力，圓整后選擇了該范圍的靜力矩，靜力矩即保持力矩，指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。步進電機在極低速旋轉時，所產生的力矩近似等于保持力矩，步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減。

直焊縫涂層厚度控制裝置對精度有一定的要求，如以步矩角整步運轉，電機震動較大，對涂層會有影響，因此增加了脈沖分配器來細分步矩角，從而提高電機運行精度。采用3M2080型脈沖分配器，設計調整細分值使步距角達到0.36°，初步試驗表明，該步距角度可滿足精度要求。

電機的控制和脈沖周期決定電機的轉速，脈沖數量決定電機轉動的時間，控制好上述兩個參數即可控制膜片厚度的變化。對于判斷超越離合器的離合與非離合狀態(tài)是控制焊縫涂層厚度的關鍵點。采用測速比較的方法來判斷離合器的狀態(tài)。在牽引輥的軸端裝1臺高精度編碼器，通過編碼器測得牽引輥的實際轉速。系統(tǒng)根據實際轉速以及設定的補償量計算出驅動電機所需轉速。

在編寫程序中，對于測速的算法采用捕捉系統(tǒng)時間的方法，脈沖計數采用固定脈沖數中斷的方式，充分利用了PLC的內部功能，使測速更加準確，經過與標準儀器的校對，誤差在1%之內。

3 工控機人機界面設計

人機界面設計使用了組態(tài)王軟件，采用昆侖通態(tài)TPC1063E型觸摸顯示屏，如圖2所示。觸摸屏顯示牽引轉速及電機的相關參數并可設定手動和自動補償模式。工控機可接收焊縫自動識別系統(tǒng)的檢測信號，并計算2次檢測的時間間隔、焊縫高度及焊縫檢測數量。

圖2 焊縫涂層補償裝置工控機界面

4 試驗數據分析

焊縫涂層補償裝置在3LPE防腐生產線上分別進行了工藝可行性分析試驗、不同牽引輥轉速下對涂層厚度的影響等試驗。

4.1 工藝可行性分析試驗

試驗沒有針對焊縫進行直接補償，電機以約100 r/min的轉速旋轉，對管體使用易高456型在線測厚儀，數據見表1。從表1可以看出，補償后的管體涂層厚度明顯大于未補償的厚度。

表1 管體涂層厚度數據表mm

4.2 焊縫涂層厚度補償試驗

采用φ711 mm×16 mm規(guī)格鋼管進行焊縫厚度補償試驗，防腐級別為加強級。根據檢驗工藝卡的內容，焊縫處涂層厚度不得小于2.24 mm，管體處涂層厚度不得小于3.2 mm。取樣在正常的生產過程中進行，僅停止FBE及AD涂敷，其他工藝參數與工藝卡相符。試樣點厚度的測試使用千分尺，精度為0.01。補償后焊縫處涂層的平均厚度為 3.148 mm；在未補償的試樣中焊縫處涂層的平均厚度為 2.722 mm。焊縫涂層厚度補償數據見表2。由表2可以看出，涂層厚度的最薄處在焊縫，最厚處在焊縫的兩側約2 cm處。

表2 焊縫涂層厚度補償數據表 mm

4.3 不同牽引輥轉速對涂層厚度的影響

不同牽引輥轉速下的涂層厚度數據見表3。通過試驗數據分析可以得出，在傳動線頻率和擠出量一定的情況下，改變牽引輥的旋轉速度，可以發(fā)現焊縫處涂層的厚度會發(fā)生明顯的變化。

表3 不同牽引輥轉速下涂層厚度數據表

5 焊縫自動識別系統(tǒng)

焊縫自動識別系統(tǒng)采用了Meta最新的VistaWeld SLS激光傳感器。該系統(tǒng)曾用于焊管工藝中對焊縫的焊接跟蹤，而應用于焊管防腐尚屬首次。在此應用中，激光傳感器固定在鋼管的側面，如圖3所示。當鋼管旋轉時，其表面的外焊焊縫將快速地從傳感器100 mm的視場中通過，系統(tǒng)軟件將能夠檢測到幾幅連續(xù)的焊縫圖像并發(fā)出數字信號用于控制補償控制器。系統(tǒng)在準確識別焊縫的同時，能夠顯示出焊縫的形貌，通過焊縫形貌測量出焊縫高度并在端子上輸出1個對應的模擬量信號給補償控制器，補償控制器根據模擬量調節(jié)電機轉速，實時調節(jié)涂層的補償厚度。

圖3 焊縫自動識別系統(tǒng)激光傳感器

6 結 語

通過在生產線上的試運行，焊縫涂層補償裝置的使用得到很好的驗證。對同種規(guī)格鋼管涂層厚度的測量數據分析可知，使用焊縫涂層補償裝置后，鋼管平均涂層厚度可減少0.23～0.32 mm，焊縫處涂層厚度質量良好。

［1］ISO 21809-1：2011，Petroleum and Natural Gas Industries-external Coatings for Buried or Sumerged Pipelines Used in Pipeline Transportation Systems-Part 1：Polyolefin Coatings［S］.

［2］坂本正文.步進電機應用技術［M］.王自強，譯.北京：科學出版社，2010.

［3］西門子有限公司自動化驅動集團.深入淺出西門子S7-200PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［4］張其濱，邵懷啟，解蓓蓓，等.3PE防腐層低溫涂覆工藝及性能研究［J］.石油工程建設，2009，35（03）：35-38.

［5］蔣學林.鋼管道3PE防腐自動化生產線工藝技術研究與改進［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2012，22（15）：132-136.

［6］張其濱，劉金霞，赫連建峰.管道3PE防腐層厚度指標的分析［J］.管道技術與設備，2004（05）：38-41.

［7］趙慶龍.基于S7-200PLC步進電機運動控制系統(tǒng)設計［J］.電子技術與軟件工程，2013（09）：53-56.

［8］宋輝.用PLC實現步進電機的快速精確定位［J］.電子技術，2009（04）：82-83.

［9］張翱旻.人機界面設計研究［D］.上海：上海交通大學，2006.

［10］尹懿.光電傳感器式焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的研究［D］.湖南：湘潭大學，2004.