賈 超

（中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司， 河北 廊坊065000）

0 前 言

我國(guó)于20 世紀(jì)70 年代建設(shè)的石油管道， 其防腐層大多采用石油瀝青[1]， 經(jīng)過(guò)40 多年的運(yùn)營(yíng)使用， 管道防腐層已達(dá)到設(shè)計(jì)壽命[2]， 出現(xiàn)全面老化狀態(tài)， 部分管道已出現(xiàn)腐蝕甚至嚴(yán)重腐蝕[3]， 從而嚴(yán)重影響管道的運(yùn)行安全， 因此通過(guò)防腐層大修， 延長(zhǎng)埋地管道使用壽命， 確保管道安全平穩(wěn)輸油[4]。 而防腐層大修前的首要核心環(huán)節(jié)就是管道除銹[5]， 但國(guó)內(nèi)外在役管線防腐層大修除銹中， 大都采用人工作業(yè)模式[6]， 不僅效率低下， 而且在管道不停輸運(yùn)行狀態(tài)下還會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患[7]。基于此， 本研究以管道大修中的除銹環(huán)節(jié)為切入點(diǎn)， 研究設(shè)計(jì)了一套針對(duì)在役管線的自動(dòng)除銹設(shè)備， 為管道大修實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外管道防腐層大修除銹方式

目前， 國(guó)外管道除銹大多采用人工作業(yè)模式， 作業(yè)效率低， 施工人力成本高， 尤其在對(duì)大管徑管道除銹時(shí)， 作業(yè)難度大， 甚至有重大安全隱患[8]。 大直徑管道防腐層人工除銹作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1 所示。

圖1 大直徑管道防腐層人工除銹作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)照片

在國(guó)內(nèi)， 管道補(bǔ)口作業(yè)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化除銹，尤其以中石油管道局研究院的環(huán)保型密閉除銹設(shè)備為代表[9]， 如圖2 所示。 該除銹設(shè)備機(jī)械化程度高， 可完全替代手工除銹， 改善作業(yè)環(huán)境， 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度[10]， 但目前僅限于機(jī)械化補(bǔ)口作業(yè)時(shí)對(duì)焊接管口進(jìn)行除銹。 而對(duì)于管道大修這樣的系統(tǒng)性修復(fù)， 國(guó)內(nèi)還是采用手工噴砂除銹或者手工磨砂輪除銹的方式， 目前還沒(méi)有機(jī)械化的施工設(shè)備。

圖2 國(guó)內(nèi)管道防腐層除銹作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)照片

2 管道防腐層自動(dòng)除銹設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

管道防腐層自動(dòng)除銹設(shè)備三維模型如圖3 所示。 設(shè)備的主要組成包括機(jī)架、 回轉(zhuǎn)圈、 回轉(zhuǎn)支撐裝置、 輔助支撐裝置、 開(kāi)合機(jī)構(gòu)、 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、 機(jī)架鎖緊裝置及噴砂槍頭等。

圖3 管道防腐層自動(dòng)除銹設(shè)備三維模型

設(shè)備整個(gè)機(jī)架采用航空鋁材料， 既保證了堅(jiān)固性， 又減輕了設(shè)備質(zhì)量。 其機(jī)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(jī)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(guò)簡(jiǎn)便調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到支撐和導(dǎo)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(dòng)離合， 實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)圈的接合與脫離； 打開(kāi)開(kāi)合機(jī)構(gòu)使回轉(zhuǎn)圈下部張開(kāi)， 將整個(gè)設(shè)備套在鋼管起始位置； 通過(guò)機(jī)架鎖緊裝置將整個(gè)裝置固定在管道上（水平管道可省略， 傾斜管道必須鎖緊）； 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置固定在機(jī)架上，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)， 在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下沿鋼管周向做180°往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)2 個(gè)噴砂槍頭往復(fù)旋轉(zhuǎn)， 在供氣系統(tǒng)和噴砂系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)除銹。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)由PLC 主控單元、 變頻單元、 顯示單元、 供電單元、 氣動(dòng)單元、 無(wú)線遙控單元及加熱單元組成， 如圖4 所示。

圖4 管道自動(dòng)除銹設(shè)備控制系統(tǒng)照片

（1） PLC 主控單元。 PLC 選用歐姆龍系列，共有20 個(gè)輸入點(diǎn)及20 個(gè)輸出點(diǎn)， 采用繼電器輸出方式[11]。 利用PLC 作為控制器， 取代傳統(tǒng)純接觸器和繼電器控制模式， 增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性[12]，提高了抗干擾能力， 而且可通過(guò)編程方便、 快捷地滿足不同的工藝要求[13]。

（2） 變頻單元。 使用施耐德變頻器[14]， 對(duì)機(jī)架的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行變頻控制， 在難除銹段速度慢一點(diǎn)， 在易除銹段速度快一點(diǎn)， 從而實(shí)現(xiàn)除銹速度可控。

（3） 顯示單元。 采用觸摸屏進(jìn)行本地控制，取代原來(lái)的按鈕及開(kāi)關(guān)方式的傳統(tǒng)控制模式， 一方面可以消除按鈕及開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期暴露在外所帶來(lái)的失靈隱患， 另一方面通過(guò)觸摸屏可以對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并報(bào)警， 比如電機(jī)過(guò)流、 過(guò)壓等。 最后， 可以利用觸摸屏上的人性化界面修改變頻器、 PLC 參數(shù)等， 既保護(hù)了PLC 程序， 又能使操作人員根據(jù)工藝要求便捷修改相關(guān)數(shù)據(jù)[15]， 觸摸屏控制界面如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)觸摸屏控制界面

（4） 氣動(dòng)單元。 可通過(guò)PLC 控制不同的電磁閥， 進(jìn)而分別作用于不同類(lèi)型的氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)架抱緊動(dòng)作和噴砂氣路開(kāi)合等。

（5） 無(wú)線遙控單元。 引入無(wú)線遙控[16]， 實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程兩種并行的控制模式， 通過(guò)遠(yuǎn)距離操控， 可以讓作業(yè)人員遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)， 最大程度地保障了人身安全（尤其為大管徑或溝下作業(yè)）。

（6） 加熱單元。 通過(guò)加熱控制可以保障該控制系統(tǒng)在-40 ℃的極寒條件下穩(wěn)定運(yùn)行， 提高了耐低溫特性。

2.2.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

利用歐姆龍編程軟件Cx-Programmer 編寫(xiě)程序[17-18]， 具體分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)程序、 電磁閥控制程序、 初始化程序、 清洗程序、 排料程序和噴涂程序， 程序流程如圖6 所示， 部分程序如圖7 所示。

圖6 控制系統(tǒng)程序流程

圖7 控制系統(tǒng)部分程序示例

3 設(shè)備運(yùn)行試驗(yàn)

采用設(shè)計(jì)的管道自動(dòng)除銹設(shè)備對(duì)Φ711 mm管道進(jìn)行了大修除銹試驗(yàn)驗(yàn)證， 現(xiàn)場(chǎng)照片如圖8所示。

圖8 管道大修自動(dòng)除銹試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

將設(shè)計(jì)的自動(dòng)除銹設(shè)備和傳統(tǒng)手工噴砂作業(yè)進(jìn)行了對(duì)比， 結(jié)果見(jiàn)表1。 由表1 可以看出， 自動(dòng)除銹設(shè)備相比人工除銹有以下優(yōu)勢(shì)：①作業(yè)人數(shù)少， 人力成本低； ②作業(yè)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度??； ③除銹效果一致性很好， 并不會(huì)因?yàn)槿说捏w力限制， 而降低除銹質(zhì)量。 同時(shí)，自動(dòng)除銹設(shè)備也有其應(yīng)用的局限性。 該設(shè)備適用于平緩或淺丘地帶的連續(xù)性大修作業(yè)， 不適合小修小補(bǔ)的離散作業(yè)模式， 且施工管道坡度不能大于15°。

表1 自動(dòng)除銹設(shè)備與傳統(tǒng)手工噴砂作業(yè)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

管道大修自動(dòng)除銹設(shè)備的開(kāi)發(fā)解決了傳統(tǒng)手工作業(yè)效率低下、 安全風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題， 尤其對(duì)于在役長(zhǎng)輸管道， 可以大大降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 減小用工成本， 保證除銹質(zhì)量， 對(duì)我國(guó)管道大修的機(jī)械化發(fā)展具有重要的意義。