(中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，廊坊 065000)

油氣管道埋地使用多年后，由于防腐蝕層自身的壽命、質(zhì)量以及外部環(huán)境的影響，會遭受不同程度的老化、破壞，從而嚴重影響管道的運行安全，因此防腐蝕層大修工作具有很重要的意義[1-3]。然而，當前國內(nèi)外無論使用何種防腐蝕材料和防腐蝕技術，大都采用人工作業(yè)模式，不僅效率低下，在管道不停輸運行狀態(tài)下，還會帶來很大的安全隱患[4-7]?；诖?，本工作以液體聚氨酯防腐蝕技術為切入點，研究設計了一套自動噴涂設備，以期為管道大修實現(xiàn)機械化作業(yè)奠定基礎。

1 國內(nèi)外管道防腐蝕層大修的作業(yè)方式

在國內(nèi)，根據(jù)不同的施工要求，管道防腐蝕層大修會采用人工作業(yè)模式的各種防腐蝕技術。比如：采用石油瀝青進行大修，一般采用人工澆涂；使用熱收縮帶[8-10]一般先通過除銹，利用中頻進行預熱，最后進行人工纏繞和紅外收縮回火[11-12](見圖1)；而利用液體涂料大修，則由人工涂刷或手持噴槍進行。

圖1 人工纏繞收縮帶作業(yè)Fig.1 The operation of contraction belt with manual winding

在國外，防腐蝕層大修主要是使用液體涂料噴涂技術，采用人工涂刷或無氣噴涂裝備[13-15]。而這種無氣噴涂裝備只能應用于小處修補，無法持續(xù)爬行于管道進行大面積長段大修(見圖2)。

圖2 無氣噴涂設備作業(yè)Fig.2 The operation of airless spraying equipment

2 設備的機械設計

噴涂設備的組成包括：機架、回轉(zhuǎn)圈、回轉(zhuǎn)支撐裝置、輔助支撐裝置、開合機構、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、鞭管跟隨裝置、機架鎖緊裝置、噴槍、噴槍角度調(diào)整器、清洗回收器、涂料匯集單元、雙組份無氣供料系統(tǒng)等機構(見圖3)。

(a)三維圖

(b)實物圖圖3 自動噴涂設備三維模型和實物圖Fig.3 The 3D model (a)and physical drawing (b)of automatic spraying equipment

具體機械原理為：先將回轉(zhuǎn)圈用回轉(zhuǎn)支撐裝置和輔助支撐裝置安裝在機架上；回轉(zhuǎn)支撐裝置和輔助支撐裝置由支架、滾輪和靠輪組成，可通過簡便調(diào)節(jié)來達到支撐和導向的目的，并可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)圈與管道的同軸度；輔助支撐裝置可以手動離合，實現(xiàn)與回轉(zhuǎn)圈的接合與脫離；打開開合機構使回轉(zhuǎn)圈下部張開，將整個裝置套在鋼管起始位置；通過機架鎖緊裝置將整個裝置固定在管道上(水平管道可省略此步驟，傾斜管道必須鎖緊)；回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置固定在機架上，并通過驅(qū)動鏈輪與回轉(zhuǎn)圈嚙合；回轉(zhuǎn)圈由回轉(zhuǎn)支撐裝置和輔助支撐裝置引導，在回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的驅(qū)動下沿鋼管周向進行390°往復旋轉(zhuǎn)運動，運動的同時帶動噴槍在涂料匯集單元和雙組份無氣供料系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)噴涂。

3 設備的控制系統(tǒng)設計

設備控制系統(tǒng)流程示意如圖4所示。

圖4 控制流程示意圖Fig.4 Control flow diagram

整個設備的控制系統(tǒng)特點為：

(1)用PLC作為控制核心，取代傳統(tǒng)硬接線模式，便于隨時根據(jù)工藝要求編寫修改程序，大大降低故障率，增強抗干擾能力[16]；

(2)引入遙控遠程控制，實現(xiàn)本地、遠程控制雙保險，同時，讓作業(yè)人員遠離污染嚴重的作業(yè)區(qū)，最大程度地保障作業(yè)人員的勞動衛(wèi)生和人身安全；

(3)引入變頻控制，使得噴槍的行進速率實現(xiàn)可控，根據(jù)噴涂工藝參數(shù)要求，通過調(diào)整噴射速率來滿足噴涂厚度要求；

(4)本地采用觸摸屏控制取代原來的按鈕、開關方式的本地控制，一方面可以消除按鈕、開關長期暴露在外所帶來的失靈隱患，另一方面通過觸摸屏可以對設備參數(shù)進行監(jiān)控并報警，比如過流、過壓等，最后，可以利用觸摸屏上的人性化界面，修改變頻器、PLC等參數(shù)，既保護了PLC的程序，又能使操作人員在沒有設計開發(fā)人員的情況下，也能根據(jù)工藝要求修改相關數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 觸摸屏控制界面Fig.5 The control interface of touch screen

4 設備試驗驗證

4.1 防腐蝕層噴涂

設備設計加工后，采用液體聚氨酯涂料進行了廠內(nèi)管道大修噴涂試驗，過程如下。

(1)循環(huán)：噴涂前，啟動設備控制系統(tǒng)，按下遙控中的“循環(huán)”按鍵，通過PLC程序開啟“循環(huán)”電磁閥，將整個涂料罐中的料進行循環(huán)加熱，當達到設定溫度時(根據(jù)工藝要求來定)，按下“停止”，循環(huán)電磁閥停止；

(2)清洗；按下遙控器的“清洗”鍵，開啟“清洗料”電磁閥，從而使得料管中積存的舊涂料被排出；

(3)排料：按下遙控器的“排料”鍵，開啟兩個“A料”、“B料”電磁閥，同時關閉“清洗料”電磁閥，將上一步清洗過程中積存在料管中的清洗料排出；

(4)噴涂：按下遙控器的“噴涂”鍵，保持“A料”、“B料”電磁閥開啟狀態(tài)，回轉(zhuǎn)圈在回轉(zhuǎn)電機的帶動下，開始進行噴涂，噴完一圈后，在行走電機的驅(qū)動下，噴涂設備前進預設的距離，如此循環(huán)，完成噴涂。

通過調(diào)整變頻器的頻率改變回轉(zhuǎn)速率或者通過PLC程序改變噴涂時間，都可以使得最終的噴涂厚度滿足工藝要求，此外，利用觸摸屏可以調(diào)節(jié)搭接參數(shù)，使得在管道最低端的搭接面，能有一個最好的噴涂效果，這是手工噴涂無法實現(xiàn)的。

4.2 防腐蝕層性能

以傳統(tǒng)手工作業(yè)中最具代表性的熱收縮帶防腐蝕技術為例，在DN711管徑的管道上進行試驗，結果見表1。

表1 機械化作業(yè)和傳統(tǒng)手工作業(yè)的對比Tab.1 Comparison of mechanized and traditional manual overhaul

有表1可見：利用無溶劑液體聚氨酯涂料進行自動噴涂滿足工藝要求，無論是厚度、漏點、硬度還是附著力等都能體現(xiàn)很好的性能；自動噴涂設備在作業(yè)流程上，只需要除銹、中頻預熱和噴涂，而熱收縮帶技術除了除銹、中頻預熱，還需要人工涂刷底漆、人工纏繞收縮帶以及紅外加熱回火，在操作上比自動噴涂法繁瑣很多，工序越多出現(xiàn)問題的概率越大、工效越低；大管徑或小管徑管道，自動噴涂設備都可以進行同效率的作業(yè)，而手工纏繞方式的熱收縮帶技術，人工作業(yè)勞動強度大并不能保持效率的連貫性，在大管徑上作業(yè)還帶有很高的安全風險；自動噴涂設備在管道上噴完一圈后，可自動向前爬行，因此可真正應用在大修中，而傳統(tǒng)手工作業(yè)只能進行補口和對管道進行小修小補。

同時，機械化大修也有其弊端，自動噴涂設備離地高度須大于600 mm，如果焊口離地面高度不足，需要進行作業(yè)點的局部開挖。此外，該設備適用于平緩地帶及淺丘地帶的連續(xù)性大修作業(yè)，不適合小修小補的離散作業(yè)模式，且施工管道坡度應不大于15 °。

5 結論

通過對管道防腐蝕層大修自動噴涂設備的研發(fā)，解決了傳統(tǒng)手工作業(yè)效率低下、安全風險大的問題，尤其對于長段管道，可以大大降低施工人員的勞動強度，保證噴涂質(zhì)量，對管道大修的機械化發(fā)展具有里程碑的意義。