高欣蕊， 黃流群， 何 清， 張付峰，袁希海， 肖松節(jié)， 白 楊， 丁維婭

（1. 鄭州萬(wàn)達(dá)重工股份有限公司， 鄭州450000；2. 中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊065000）

0 前 言

隨著石油天然氣的廣泛應(yīng)用及使用量快速增長(zhǎng)， 管道的管徑也在逐步增大。 目前超大直徑彎管的防腐作業(yè)主要采用手工操作， 不僅效率低，生產(chǎn)成本高， 而且生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境污染大。 本研開(kāi)發(fā)了一條超大直徑鋼制彎管自動(dòng)化防腐生產(chǎn)線， 把噴涂及自動(dòng)纏帶設(shè)計(jì)在一條生產(chǎn)線上， 同時(shí)利用噴涂余熱進(jìn)行自動(dòng)纏帶， 不但可以提高生產(chǎn)效率， 還能降低生產(chǎn)成本， 減少環(huán)境污染。

1 超大直徑鋼制彎管3PE 自動(dòng)防腐設(shè)備設(shè)計(jì)

超大直徑鋼制彎管自動(dòng)防腐設(shè)備由托輥系統(tǒng)、 中心回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、 中頻加熱系統(tǒng)熔結(jié)環(huán)氧粉末涂覆系統(tǒng)、 纏繞機(jī)、 二次加熱及碾壓機(jī)及冷卻系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)組成。

1.1 托輥系統(tǒng)

固定托輥排布如圖1 所示， 圖1 中同心圓中心線為各管徑和鋼管理論中心線投影。 托輥下面布有預(yù)埋件， 不同曲率半徑 （不同管徑） 布置時(shí)， 需確定曲率半徑并根據(jù)曲率半徑焊接托輥兩端的固定塊。 每組托輥在不同曲率半徑時(shí)根據(jù)排布數(shù)量各焊有2 個(gè)固定塊， 這樣在調(diào)整不同曲率半徑時(shí)， 只需拆下固定塊上的緊固螺栓， 便可將托輥安裝到另一種曲率半徑的固定塊上， 即實(shí)現(xiàn)不同管徑的使用（進(jìn)行大管徑小角度彎管防腐時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加中間托輥， 增加托輥密度）。 立輥可拆卸， 在不需要3PE 防腐帶纏繞時(shí)， 可單獨(dú)進(jìn)行雙環(huán)氧噴涂。 平托輥帶有離合器， 在使用中心回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)斷開(kāi)離合器， 防腐彎管由推進(jìn)臂驅(qū)動(dòng)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 當(dāng)不需要中心驅(qū)動(dòng)時(shí)， 閉合離合器由減速電機(jī)帶動(dòng)平托輥轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而帶動(dòng)防腐彎管做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 固定托輥排布示意圖

1.2 中心回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

中心回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2 所示， 該系統(tǒng)由直臂、 彎臂和工藝彎臂等組成復(fù)合扇形環(huán)， 以一定的速度依次進(jìn)行中頻加熱、 環(huán)氧噴涂、 纏繞、 二次加熱、 碾壓、 冷卻等。

圖2 中心回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

中心回轉(zhuǎn)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承上的內(nèi)齒， 使直臂接管及上蓋板沿回轉(zhuǎn)中心做圓周運(yùn)動(dòng)， 為直臂接管上連接的彎臂提供推進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力。 直臂采用中心驅(qū)動(dòng)， 由變頻電機(jī)通過(guò)中間回轉(zhuǎn)支承驅(qū)動(dòng)直臂， 進(jìn)而推動(dòng)彎臂、 纏繞彎管、 工藝彎管所組成的圓環(huán)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 推進(jìn)過(guò)程中， 采用固定通長(zhǎng)結(jié)構(gòu)， 端面布置好螺栓孔， 用來(lái)與推進(jìn)彎臂進(jìn)行連接。 更換不同管徑的產(chǎn)品只需更換相應(yīng)的彎臂即可， 推進(jìn)系統(tǒng)示意如圖3 所示。

圖3 推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

1.3 纏繞機(jī)

纏繞機(jī) （如圖4 所示） 與中心回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置配合， 使防腐帶按一定螺旋角度并保持一定張緊力纏繞在彎管上， 并壓緊， 在彎管外形成防腐層。

圖4 纏繞機(jī)照片

在自動(dòng)纏帶作業(yè)時(shí)， 主纏繞減速機(jī)通過(guò)鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主纏繞大鏈輪， 帶動(dòng)托帶輥， 將預(yù)先纏在帶槽中的防腐帶纏到彎管上。 旋轉(zhuǎn)部分與機(jī)架通過(guò)主回轉(zhuǎn)支承隔離。 副纏繞減速機(jī)通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)副纏繞大鏈輪， 帶動(dòng)帶槽作同一方向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但回轉(zhuǎn)速度與主纏繞不一致。 副纏繞的回轉(zhuǎn)速度控制是根據(jù)防腐帶的張緊力， 通過(guò)變頻器的恒扭矩控制功能調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 在試運(yùn)轉(zhuǎn)期間， 需要確定管徑、 主纏繞轉(zhuǎn)速和副纏繞轉(zhuǎn)速以及推進(jìn)機(jī)構(gòu)間的參數(shù)關(guān)系， 從而設(shè)置變頻器參數(shù)。

2 自動(dòng)化防腐生產(chǎn)

2.1 拋丸除銹

圖5 按照Sa2.5 級(jí)中不同級(jí)別進(jìn)行自動(dòng)噴射清理后彎管表面形貌

彎管表面涂敷之前應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒏街趶澒鼙砻娴挠椭捌渌s質(zhì)清除干凈， 彎管表面溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度3 ℃以上， 然后進(jìn)行噴（拋） 射除銹。 通過(guò)自動(dòng)化調(diào)整彎曲半徑運(yùn)行裝置、 噴砂及回砂裝置的設(shè)計(jì)， 除銹質(zhì)量等級(jí)應(yīng)達(dá)到GB/T 8923.1 中Sa2.5 級(jí)的要求。

GB/T 8923.1 中Sa2.5 級(jí)為非常徹底的噴射清理， 在不放大的情況下觀察， 表面應(yīng)無(wú)可見(jiàn)的油脂和污物， 并且沒(méi)有氧化皮、 鐵銹、 涂層和外來(lái)雜質(zhì)。 任何污染物的殘留痕跡僅呈現(xiàn)為點(diǎn)狀或條紋狀的輕微著色， 按照Sa2.5 級(jí)中不同級(jí)別進(jìn)行自動(dòng)噴射清理后彎管表面形貌如圖5 所示。

傳統(tǒng)手工或動(dòng)力工具清理后， 表面無(wú)可見(jiàn)的油脂和污物， 表面應(yīng)具有金屬光澤， 按照St3 級(jí)中不同級(jí)別進(jìn)行傳統(tǒng)手工清理后的彎管表面形貌如圖6 所示。

圖6 按照St3 級(jí)中不同級(jí)別進(jìn)行傳統(tǒng)手工清理后的彎管表面形貌

對(duì)比圖5 和圖6 的表面形貌可以看出， 自動(dòng)化拋丸除銹對(duì)彎管表面進(jìn)行了非常徹底的噴射清理， 而傳統(tǒng)手工清理依然有污染物的殘留痕跡。

2.2 自動(dòng)化噴粉

噴 （拋） 射除銹處理表面錨紋深度必須達(dá)到50～90 μm。 表面預(yù)處理完后， 所有的鐵銹、油污、 氧化皮等應(yīng)清除干凈， 并應(yīng)在4 h 內(nèi)進(jìn)行涂料的涂敷， 當(dāng)表面返銹或污染時(shí)， 必須重新進(jìn)行表面處理。 自動(dòng)化噴粉設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7 所示， 采用雙排多頭噴槍設(shè)計(jì)和靜電智能化吸附噴粉工藝， 其中涂料為環(huán)氧粉末， 環(huán)氧粉末厚度120～1 200 μm， 聚乙烯復(fù)合帶厚度2.8 mm。 彎管涂敷加熱溫度可調(diào)控， 但最高不得超過(guò)275 ℃（推薦溫度90～240 ℃）， 每小時(shí)應(yīng)至少記錄1 次溫度。

圖7 自動(dòng)化噴粉試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 自動(dòng)化纏帶

防腐帶纏繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)識(shí)別功能， 能夠根據(jù)彎管的長(zhǎng)度和半徑按照軌跡進(jìn)行作業(yè)， 纏繞速度與行進(jìn)速度能夠進(jìn)行多模式調(diào)整， 完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化防腐生產(chǎn)。 同時(shí)， 該系統(tǒng)利用彎制余熱纏繞復(fù)合帶， 復(fù)合帶為輻射交聯(lián)聚乙烯。 自動(dòng)化纏帶現(xiàn)場(chǎng)照片如8 所示。 自動(dòng)化纏帶技術(shù)與傳統(tǒng)手工相比提高了效率， 利用彎制余熱節(jié)約了資源， 降低了生產(chǎn)成本。

圖8 自動(dòng)化纏帶現(xiàn)場(chǎng)照片

3 應(yīng)用結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用超大直徑Φ1 219 mm 彎管， 對(duì)彎管表面環(huán)氧層進(jìn)行檢測(cè)。 環(huán)氧粉末涂料膠化時(shí)間和固化時(shí)間的測(cè)試溫度參照GB/T 23257―2017， 環(huán)氧粉末涂層的性能檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 其中FBE涂層固化度檢測(cè)參照GB/T 23257―2017 附錄B， FBE 涂層附著力檢測(cè)參照GB/T 23257―2017 附錄G， 陰極剝離檢測(cè)參照GB/T 23257―2017 附錄C， 斷面孔隙率、 粘面孔隙率和界面雜質(zhì)污染百分率檢測(cè)參照GB/T 23257―2017附錄F。

表1 環(huán)氧粉末涂層的性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

在同一工藝條件下涂敷的試驗(yàn)管端上截取試樣， 參照GB/T 23257―2017 附錄K 對(duì)防腐層整體性能進(jìn)行檢測(cè)， 推進(jìn)速度為10 mm/min，彎制角度為90°， 檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

采用Φ1 219 mm 鋼制彎管進(jìn)行自動(dòng)化防腐生產(chǎn)， 并對(duì)彎管進(jìn)行了防腐性能檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。 由表3 可知， 彎管剝離強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)要求，電火花檢測(cè)無(wú)漏點(diǎn)； 繞帶斜向指邊搭接寬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求； 防腐外觀無(wú)碳化、 無(wú)氣泡、 顏色均勻。

表2 防腐層性能測(cè)試結(jié)果

表3 Φ1 219 mm 鋼制彎管防腐性能檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1） 環(huán)氧和噴砂設(shè)備采用自動(dòng)化環(huán)形導(dǎo)軌輸送系統(tǒng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)， 能方便、 快速地滿足各種規(guī)格彎管傳動(dòng)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行的需求。

（2） 自動(dòng)化噴涂設(shè)備噴槍沿圓周方向雙排布局設(shè)計(jì)， 采用先進(jìn)的靜電吸附技術(shù)， 大大降低了環(huán)氧粉末的浪費(fèi)； 涂層的均勻性、 致密性及強(qiáng)度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求， 節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（3） 防腐帶纏繞系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)， 并充分利用彎制余熱進(jìn)行纏帶作業(yè)， 替代原有預(yù)熱工序， 節(jié)約能源， 提高了勞動(dòng)效率。