李世增，吳海宏，柳 志，，林江濤

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2.廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340；3.廣東水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340)

1 概述

在區(qū)域結(jié)構(gòu)性輸水管道內(nèi)防腐領(lǐng)域，當采用液體油漆涂敷鋼管時，液體涂層成型工藝簡便，但常溫下固化可能存在固化不完全、粘結(jié)力低等缺點，壽命通常在20～30 a之間，后期維修成本較高，且油漆的使用不符合環(huán)保趨勢要求。環(huán)氧粉末涂料不含有機溶劑，消除了溶劑的損耗，對環(huán)境污染小，熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層是近二三十年發(fā)展起來的新型防腐層，采用靜電噴涂工藝，一次成膜，該涂層具有無污染、附著力強，耐磨性好，耐高溫，耐酸堿介質(zhì)等特點。目前，熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂防腐工藝在石油管道上(管徑通常在1 m 以下)的應用較為成熟，鋼管直徑較小，結(jié)構(gòu)簡單，鋼管加熱技術(shù)，采用預熱爐或中頻線圈外壁加熱能夠迅速升溫，達到粉末噴涂溫度要求，但面對超大直徑且?guī)Ъ觿怒h(huán)鋼管內(nèi)防腐，現(xiàn)有熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐技術(shù)也存在諸多問題，如設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備占地需要較長的工作臺，用電負荷大，中頻電源功率要求高，加勁環(huán)處存在較大溫差，影響加熱溫度和涂層的附著力，內(nèi)部溫度測量精準度不高，涂層厚度難以控制等，無法實現(xiàn)熔接環(huán)氧粉末內(nèi)防腐在特殊工況下的應用。針對上述問題，本文介紹了一種全新的大直徑鋼管熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備集成設(shè)計及其工藝要點。

2 鋼管與噴涂設(shè)備

2.1 鋼管及防腐要求

本次研究最先應用在珠江三角洲水資源配置工程，該工程是國務(wù)院部署的的172項節(jié)水供水重大水利工程之一，工程輸水線路總長為113.1 km，是迄今為止廣東省歷史上投資額最大、輸水線路最長、受水區(qū)域最廣的水資源調(diào)配工程。其深圳分干線起點為羅田水庫南側(cè)新建的羅田加壓泵站，終點為公明水庫，線路下穿公明水庫4#主壩左壩肩進入水庫，在庫內(nèi)設(shè)進庫閘。線路全長為11.9 km，設(shè)計輸水流量為30 m3/s，盾構(gòu)隧洞外徑為6.0 m，內(nèi)襯鋼管內(nèi)徑為4.8 m，內(nèi)防腐涂層耐久性要求達到50 a，鋼管埋深為40～60 m，流速為1.66 m/s，輸水一旦啟動，輸水在不截流的情況下難以維修，基本10 a或20 a甚至更久才可能啟動一次截流大檢修，平時不允許人工進入管內(nèi)，目前也還沒有成熟的維修技術(shù)。

該工程試驗段項目鋼管裸管內(nèi)壁直徑為4 800 mm，如圖1～3所示，材質(zhì)為Q235C，壁厚為22 mm或 26 mm，每節(jié)鋼管長為12m，鋼管外壁設(shè)6個加勁環(huán)，環(huán)高為0.12m，環(huán)寬為28 mm，間距為2.2 m。

圖1 裸管構(gòu)造示意(單位:mm)

圖2 加勁環(huán)放大示意(單位:mm)

圖3 注漿孔、加強板放大示意(單位:mm)

2.2 現(xiàn)有鋼管內(nèi)壁熔結(jié)環(huán)氧粉末成套裝置

現(xiàn)有的鋼管內(nèi)壁熔結(jié)環(huán)氧粉末成套裝置，采用中頻線圈進行加熱，其工藝流程為：鋼管—預熱—內(nèi)除銹—上內(nèi)噴涂傳動線—噴涂小車移動—靜電噴槍定位—預熱—鋼管螺旋前進—噴涂—流平固化—冷卻—下管(見圖4)。

1-環(huán)氧粉末內(nèi)噴涂系統(tǒng)；2-螺旋傳動滾輪；3-鋼管；4-加熱中頻；5-環(huán)氧粉末回收系統(tǒng)；6-固化中頻；7-冷卻系統(tǒng)。圖4 環(huán)氧粉末內(nèi)噴涂工藝示意

此工藝采用多組中頻線圈圓周內(nèi)壁加熱方式，若應用珠江三角洲水資源配置試驗段項目時，由于鋼管直徑太大，中頻線圈電源的功率高需求高達3 000 kW，且加勁環(huán)會使內(nèi)壁產(chǎn)生較大溫差影響涂層性能指標。整個防腐生產(chǎn)流水線占地較長，噴槍、傳送、中頻加熱、粉末回收、固化中頻、鋼管冷卻等系統(tǒng)都是獨立設(shè)置，鋼管需從左端螺旋傳動滾輪架前進至加熱中頻處，噴槍通過伸縮裝置隨進入到達粉末回收倉處，完成噴涂作業(yè)后，鋼管繼續(xù)向右移動進行固化與冷水冷卻，整套流水線至少5個工作面，每個工作面為 12 m，總長度需要60 m以上的長作業(yè)平臺，另外，環(huán)氧粉末熔結(jié)固化條件一般為230℃±10℃，測溫裝置要求精準無偏差，現(xiàn)有技術(shù)通常用測溫筆測量，測溫筆雖然對外壁溫度監(jiān)測較為準確，但內(nèi)壁由于無法進入觀測，準確度難以控制，防腐涂層的性能指標就難以達到設(shè)計要求(性能指標見表1)，特別是在抗沖擊、抗彎曲、附著力、斷面和界面孔隙率等指標上對工藝有極高的要求。所以，應用到大直徑鋼管項目，須對現(xiàn)有環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備及施工工藝進行優(yōu)化設(shè)計。

表1 環(huán)氧粉末涂層物理性能指標

2.3 大直徑鋼管熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備

優(yōu)化設(shè)計的噴涂設(shè)備由中頻感應加熱系統(tǒng)、加勁環(huán)補溫系統(tǒng)、二次清掃系統(tǒng)、噴涂與粉末回收系統(tǒng)、高精度測溫及記錄系統(tǒng)、專用滾輪架系統(tǒng)、中控系統(tǒng)等組成一體化設(shè)計(如圖5所示)。生產(chǎn)線場地只需40 m×11 m，中頻感應加熱采用1臺1 500 kW可控硅中頻電源，加熱方式為管道內(nèi)壁加熱，利用中頻電感應，鋼管通過載有交變大電流的線圈所形成的交變磁場產(chǎn)生渦流加熱，感應器采用扇形交叉陣列結(jié)構(gòu)，分為4片(如圖6所示)，改變了線圈鋼管內(nèi)壁圓周布置，大大減少了中頻加熱電源功率需求。加勁環(huán)補溫系統(tǒng)采用高頻感應加熱設(shè)備進行補溫，功率為60 kW，電源采用IGBT形式，補溫裝置安裝在鋼管壁外側(cè)(如圖7所示)。加熱裝置與噴粉裝置固定在一方鋼懸臂上，只需鋼管螺旋轉(zhuǎn)動前進，噴涂內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)至上部加熱再旋轉(zhuǎn)至下部噴涂，鋼管螺旋前進噴粉直至整條管內(nèi)壁噴粉結(jié)束，粉末噴涂與回收口集成設(shè)計，避免了粉末噴涂過程中的飄溢，噴涂完成后，棄用了現(xiàn)有的水冷結(jié)束反應技術(shù)，直接選用自然冷卻，優(yōu)化了工藝流程及成本節(jié)約。

圖5 熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

圖6 加熱器(上)—噴粉噴涂與回收(下)示意

圖7 加勁環(huán)補溫示意

2.4 新設(shè)備的優(yōu)勢分析

相比現(xiàn)有技術(shù)，此次研制的噴涂設(shè)備有以下優(yōu)勢：

1) 加熱、噴涂、回收、中控、冷卻五大功能模塊集成一體設(shè)計，設(shè)備占用面積小，縮短了工序流水時間，生產(chǎn)效率提高。

2) 加熱片能夠與內(nèi)壁保持相對同等距離，有利于溫差的控制，紅外精準測溫裝置，保障溫度的測量可靠度，通過功率大小的控制來調(diào)節(jié)鋼管內(nèi)壁的加熱溫度，可以有效的控制粉末熔結(jié)質(zhì)量，外壁利用補溫裝置解決了由于加勁環(huán)處壁厚不同導致溫差聚變的情況。

3) 最大功率為1 500 kW，一般情況下使用800 kW即可，中頻線圈方式加熱需要3 000 kW以上的功率，大大減少了施工用電負荷與成本。

4) 噴槍位置固定，噴槍與內(nèi)壁的距離相對穩(wěn)定，有利于涂層厚度的控制，另外粉末歐恩圖與粉末回收裝置集成設(shè)計，減少了工作臺面，也有效避免了粉末的浪費和對施工環(huán)境的污染。

5) 增加了中央控制在線監(jiān)控，自動采集、記錄、報警等功能，整個控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)化、可視化。

3 新噴涂工藝

3.1 工藝流程

裸管→拋丸除油除銹→除銹質(zhì)量檢驗→二次吹掃→中頻感應加熱→靜電噴涂→自然冷卻→涂層質(zhì)量檢驗→修補→成品

3.2 工藝設(shè)定及要求

1) 裸管生產(chǎn)要求

裸管生產(chǎn)制造過程中，由于直徑較大，除了鋼管的縱向、環(huán)向焊縫、加勁環(huán)以及注漿孔處焊縫要滿足施工設(shè)計要求之外，還需嚴格控制鋼管的橢圓度，橢圓度要求不大于3D/1 000，且最大值不大于20 mm，對于如此大直徑鋼管在生產(chǎn)過程中由于自重的原因橢圓度控制存在一定的難度，需用特殊制造工藝進行生產(chǎn)。

2) 除銹質(zhì)量要求

拋丸除油除銹，通常采用機械拋丸處理，除銹后質(zhì)量檢驗，錨紋深度達到60～100 μm，除銹等級達到 Sa2.5級，灰塵級別不低于2級，并要求在拋丸除油除銹后4 h之內(nèi)完成粉末噴涂，當超過4 h或鋼管表面返銹或污染時，需重新進行表面處理。

3) 二次吹掃

二次清掃系統(tǒng)含1套除塵器，1套風管，1套吹掃和拋頭，與中頻加熱系統(tǒng)錯開，設(shè)置在中頻加熱噴涂設(shè)備懸臂上。由于對噴涂表面質(zhì)量要求很高，因此，加設(shè)二次清掃系統(tǒng)，鋼管在加熱噴涂就位后再一次進行清掃，以消除鋼管表面的二次污染。

4) 中頻感應加熱

中頻感應加熱噴涂設(shè)備加熱溫度可根據(jù)生產(chǎn)速度、管壁的厚薄以及希望的涂層膠化、固化時間進行調(diào)整。

鋼管吊運至專用滾輪架上，專用滾輪架系統(tǒng)配置機械式防竄裝置，防止鋼管移位，鋼管是在滾輪架上旋轉(zhuǎn)移動的過程中進行噴涂作業(yè)，因此,鋼管橢圓度的控制有利于內(nèi)壁加熱溫度的均勻性。補溫系統(tǒng)在聯(lián)動導軌上跟蹤鋼管加勁環(huán)補溫，功率為60 kW，可實現(xiàn)鋼管表面噴涂區(qū)域在10 min內(nèi)達到所需溫度并保持一定的穩(wěn)定性。

高精度測溫利用熱成像儀進行實時監(jiān)控，檢測鋼管待噴涂區(qū)域溫度，采集區(qū)域為25 cm×50 cm(如圖8所示)，當中頻加熱與補溫設(shè)備同時工作，熱成像儀檢測到待噴涂區(qū)域溫度曲線穩(wěn)定在環(huán)氧粉末性能指定溫度±10℃時啟動粉末靜電噴涂。

圖8 噴粉溫度曲線示意(波動控制在指定溫度±10℃時啟動靜電噴涂)

5) 環(huán)氧粉末靜電噴涂

噴粉裝置共設(shè)12把粉槍，不同的粉末產(chǎn)品性能、粒度均有差異，因此正式噴涂前，應測試噴槍的實際出粉量估算粉末用量，找出粉槍開啟數(shù)量規(guī)律掌握所需的涂層厚度，通過對回收系統(tǒng)風量風速的調(diào)節(jié)，輔助涂層厚度的控制，避免粉末的浪費。

6) 冷卻與修補

整管內(nèi)壁噴涂完成后，自然冷卻需要1～2 h，對涂層外觀進行檢測，要求平整、色澤均勻、無氣泡、無開裂及縮孔現(xiàn)象，允許有輕度橘皮狀花紋，再進行涂層厚度，電火花漏點等質(zhì)量檢測，必要時進行局部修補。局部修補通常采用符合標準規(guī)定的無溶劑環(huán)氧液體涂料，局部打磨搭接方式修補。

3.3 工藝注意點

1) 對鋼管進行預熱時，加勁環(huán)的厚度、加勁環(huán)的焊接方式、注漿孔以及注漿孔加強板等位置均會對加熱溫度均勻性造成影響，為了實現(xiàn)噴涂區(qū)域溫度控制在環(huán)氧粉末性能指定溫度±10℃范圍內(nèi)，增加了1套補溫裝置，減小溫差，經(jīng)過試驗驗證，加勁環(huán)在未補溫狀態(tài)下相鄰區(qū)域鋼管內(nèi)壁溫差在29℃～40℃，注漿孔未補溫相鄰區(qū)域的溫差為70℃，經(jīng)過補溫后，相鄰區(qū)域的溫差為3℃～16℃，可以滿足±10℃的溫差要求。

2) 為使涂層附著力、粘結(jié)力、斷面與界面孔隙率等性能滿足施工指標要求，在中頻感應加熱噴涂設(shè)備上還應增加二次吹掃裝置，在正式噴涂前對鋼管表面進行二次吹掃。

3) 大直徑鋼管橢圓度控制在20 mm以內(nèi)，啟動中頻感應加熱噴涂設(shè)備時，有利于提高加熱的均勻性。

4) 鋼管行進速度設(shè)為100 mm/min，鋼管轉(zhuǎn)速15 m/min(即每分鐘一轉(zhuǎn))，螺距為100 mm，涂層覆蓋層數(shù)2層。

5) 涂層厚度不小于設(shè)計厚度且不超出15%，否則不僅會造成粉末浪費，也會影響涂層的相關(guān)性能，通過試驗驗證噴粉區(qū)域的最佳溫度點是210℃～230℃，需與粉末產(chǎn)品性能進行匹配調(diào)整，配合鋼管的前進速度和旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)噴槍開啟的個數(shù)來滿足不同的厚度要求。

6) 噴槍噴涂過程是通過壓縮空氣將粉末吹起，使粉末均勻的附著在管道的表面，然而由于噴粉量比較大，沒有吸附到管壁的粉末會四散漂浮在空氣中，不僅對施工環(huán)境造成污染，還會影響作業(yè)人員的身心健康，所以需增加粉末回收機構(gòu)對沒有吸附到管壁上的粉末進行回收，調(diào)整回收系統(tǒng)風量風速，可以提高粉末的上粉率和溢粉情況以及涂層厚度的輔助控制。

4 結(jié)語

通過反復的加熱與噴粉試驗，驗證了陣列式感應內(nèi)掃描加熱方式的可行性，結(jié)合補溫裝置以及回收裝置達到了預期的溫度和溫差控制的效果，涂層的厚度也得到了有效控制，最終實現(xiàn)了大直徑鋼管在不同厚度，外壁不規(guī)則焊件、開孔等條件下的熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂防腐工藝，本防腐工藝首次應用到珠三角水資源配置工程，試驗段項目中得到了較好的應用，為后續(xù)同類水資源配置工程鋼管熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐施工的推廣具有極其重要的意義。