朱 賀，田巖平，王樹祥，王鐵民，李繼平

（遼陽(yáng)石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003）

對(duì)螺旋縫埋弧焊鋼管進(jìn)行3PE（三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層）外防腐時(shí)，外焊縫會(huì)導(dǎo)致焊縫處防腐層厚度減薄，而外焊縫高度是一項(xiàng)重要的影響因素，外焊縫高度越高，防腐層所受張力越大，減薄越多［1-5］。GB/T 23257—2017《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》中規(guī)定，焊縫部位的防腐層厚度不應(yīng)小于規(guī)定值的80%，比GB/T 23257—2009標(biāo)準(zhǔn)要求的70%提高了10%。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)鋼管防腐標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫部位防腐層厚度要求越來(lái)越嚴(yán)格，而在國(guó)際鋼管防腐項(xiàng)目中，往往要求焊縫部位防腐層厚度按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值執(zhí)行，即按照管體最小防腐層厚度執(zhí)行。實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證外焊縫處防腐層厚度，一般通過(guò)增加聚乙烯涂層的整體厚度，使焊縫處涂層減薄后厚度仍能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，這導(dǎo)致管體防腐層厚度整體超出標(biāo)準(zhǔn)要求很多，大量增加了聚乙烯的消耗。特別是在鋼管外焊縫高度較高時(shí)，會(huì)大大增加鋼管3PE外防腐的生產(chǎn)成本。

為了降低螺旋縫埋弧焊鋼管3PE外防腐生產(chǎn)成本，有效控制外焊縫高度就非常關(guān)鍵。API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》和GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中對(duì)埋弧焊接鋼管外焊縫高度的規(guī)定為：由制造商選擇，高于允許值的焊縫可修磨至可接收高度。在螺旋縫焊管生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)焊接工藝和焊接參數(shù)的調(diào)整可以在一定程度上降低外焊縫高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)外焊縫形貌的優(yōu)化，但其中影響因素較多，實(shí)施起來(lái)比較復(fù)雜，為避免因焊縫高度過(guò)度降低帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，外焊縫高度對(duì)3PE外防腐而言仍然偏高。因此，在螺旋縫焊管制造過(guò)程中，可采取修磨鋼管全外焊縫的方式進(jìn)一步降低焊縫高度。但采用人工修磨方式時(shí)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且難以保證焊縫修磨的均勻性。

基于以上考慮，結(jié)合對(duì)螺旋縫焊管生產(chǎn)制造工藝和鋼管焊縫修磨技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)出一種能夠在線對(duì)螺旋縫埋弧焊鋼管的全外焊縫進(jìn)行連續(xù)磨削的機(jī)械裝置——全外焊縫磨削機(jī)。該全外焊縫磨削機(jī)由砂帶磨削機(jī)構(gòu)、位移機(jī)構(gòu)和機(jī)架3部分組成。全外焊縫磨削機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全外焊縫磨削機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1 全外焊縫磨削機(jī)設(shè)計(jì)思路

螺旋縫焊管的外焊縫在管體上呈等距螺旋分布，如果通過(guò)移動(dòng)磨削設(shè)備來(lái)尋找鋼管外焊縫并對(duì)其進(jìn)行磨削，不僅需要占用較大生產(chǎn)空間，而且項(xiàng)目投入大，實(shí)施起來(lái)比較復(fù)雜。結(jié)合螺旋縫焊管生產(chǎn)制造特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作出一臺(tái)焊縫磨削設(shè)備，將其固定安裝在螺旋縫焊管焊接生產(chǎn)線上，在鋼管沿著傳輸輥道螺旋行進(jìn)的過(guò)程中對(duì)其外焊縫進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)磨削。這種設(shè)備布置方式不僅節(jié)省了空間，而且項(xiàng)目基礎(chǔ)投資較少，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼管全外焊縫進(jìn)行修磨的目的。

在磨削機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先考慮設(shè)備磨削方式的選擇，砂帶和砂輪在磨削工藝上的應(yīng)用最廣泛。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，砂帶磨削作為一種彈性磨削，具有磨削、研磨、拋光等多種作用效果，在對(duì)鋼管焊縫的磨削中具有磨削效率高、磨削噪音小、磨削效果好等諸多優(yōu)勢(shì)；因此，選擇砂帶磨削［6-7］。

在對(duì)焊縫磨削方向和磨削角度的選擇中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砂帶在鋼管6點(diǎn)鐘位置，垂直于鋼管軸線并逆著焊縫行進(jìn)方向進(jìn)行磨削時(shí)，焊縫磨削效率更高，磨削質(zhì)量更好。

在對(duì)鋼管外焊縫連續(xù)磨削過(guò)程中，為了避免砂帶局部寬度位置磨損過(guò)度而影響焊縫磨削質(zhì)量，在磨削過(guò)程中設(shè)計(jì)位移機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)磨削機(jī)頭做左右往復(fù)移動(dòng)，使砂帶整個(gè)磨削面循環(huán)打磨焊縫，這極大地提高了砂帶的使用壽命。

2 全外焊縫磨削機(jī)結(jié)構(gòu)組成

全外焊縫磨削機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：磨削線速度30 m/s，磨削效率425 mm3/s，適用管徑406~2 438 mm，適用焊縫寬度≤30 mm，適用焊縫高度≤6 mm，適用焊接速度≤3.0 m/min。

2.1 砂帶磨削機(jī)構(gòu)

砂帶磨削機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)拖板、電動(dòng)機(jī)、砂帶輪、砂帶、張緊機(jī)構(gòu)、磨削輪支架、磨削輪、頂輪等部分組成［8-10］。砂帶磨削機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 砂帶磨削機(jī)構(gòu)示意

（1）電動(dòng)機(jī)選擇。參照螺旋縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線上管端外焊縫磨削機(jī)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，結(jié)合全外焊縫磨削機(jī)工況特點(diǎn)和全外焊縫磨削技術(shù)要求，磨削機(jī)磨削電機(jī)初步選擇Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)YX3-112M-2型，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 890 r/min，電機(jī)額定功率為4 kW。磨削電動(dòng)機(jī)選擇安裝后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用驗(yàn)證滿足實(shí)際使用要求，選型合適。

（2）砂帶選擇。綜合考慮砂帶使用性能和磨削效果等因素，磨削砂帶選用鋯剛玉砂布環(huán)帶。

（3）磨削輪設(shè)計(jì)。為了加強(qiáng)砂帶與焊縫的接觸性能，提高砂帶傳動(dòng)效果，磨削輪采用橡膠輪。

（4）頂輪設(shè)計(jì)。頂輪位于磨削輪兩側(cè)，采用萬(wàn)向球軸承安裝在軸承座中制作而成，軸承座高度可根據(jù)需要通過(guò)下部的螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。磨削機(jī)工作時(shí)頂輪上的萬(wàn)向球軸承與鋼管表面相對(duì)滾動(dòng)接觸，通過(guò)調(diào)整頂輪高度來(lái)控制鋼管外焊縫磨削量，同時(shí)也避免了在焊縫磨削過(guò)程中傷及母材。

（5）磨削輪支架設(shè)計(jì)。磨削輪支架采用鉸鏈與機(jī)架連接，在磨削輪兩側(cè)頂輪機(jī)構(gòu)受到管體不均衡作用力時(shí)，支架可控制磨削輪實(shí)現(xiàn)左右浮動(dòng)控制，可有效降低焊縫兩側(cè)錯(cuò)邊等鋼管幾何尺寸缺陷對(duì)外焊縫磨削的影響。磨削輪支架裝配如圖3所示。

圖3 磨削輪支架裝配示意

（6）張緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。張緊機(jī)構(gòu)由張緊輪、張緊輪支架、拉力彈簧等幾部分組成。張緊機(jī)構(gòu)采用杠桿原理，砂帶工作時(shí)對(duì)砂帶起張緊作用，避免砂帶出現(xiàn)較大振動(dòng)，影響磨削效果［11］。

（7）電動(dòng)機(jī)托板。電動(dòng)機(jī)托板采用燕尾滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，通過(guò)搖動(dòng)手桿調(diào)整電動(dòng)機(jī)位置，從而實(shí)現(xiàn)砂帶張緊程度的調(diào)整。

2.2 位移機(jī)構(gòu)

位移機(jī)構(gòu)由齒輪減速電機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)及直線導(dǎo)軌組成，凸輪機(jī)構(gòu)如圖4所示。齒輪減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為6 r/min，通過(guò)增加電子調(diào)速器調(diào)整減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，工作中齒輪減速電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速為4 r/min，位移轉(zhuǎn)盤偏心距設(shè)計(jì)為45 mm。磨削機(jī)工作時(shí)，由齒輪減速電機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，從而使設(shè)備整體在直線導(dǎo)軌內(nèi)做往復(fù)移動(dòng)，每15 s完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)位移量為90 mm。

圖4 凸輪機(jī)構(gòu)示意

2.3 機(jī) 架

機(jī)架由頂板、氣缸、支架、底板、軌道等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣缸在設(shè)備工作時(shí)控制磨削機(jī)頭的升降，氣缸桿上設(shè)有雙頭螺母，通過(guò)對(duì)氣缸桿長(zhǎng)度的調(diào)整來(lái)控制磨削輪對(duì)鋼管外焊縫的壓力。

圖5 機(jī)架結(jié)構(gòu)示意

3 全外焊縫磨削機(jī)工作原理

磨削機(jī)工作時(shí)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)形砂帶高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在氣缸推力的推動(dòng)下磨削機(jī)頭上升，磨削砂帶在磨削輪的作用下接觸鋼管外焊縫，并對(duì)焊縫進(jìn)行磨削加工。在磨削過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整磨削輪兩側(cè)的頂輪高度來(lái)控制外焊縫磨削量，通過(guò)調(diào)整氣桿伸長(zhǎng)量來(lái)控制磨削輪對(duì)外焊縫的作用力。磨削機(jī)在磨削焊縫時(shí)，由位移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)做往復(fù)橫向運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)砂帶磨削面循環(huán)打磨外焊縫，確保外焊縫磨削量的穩(wěn)定和砂帶使用壽命的延長(zhǎng)。

在使用全外焊縫磨削機(jī)的過(guò)程中，需要適時(shí)更換砂帶，根據(jù)不同規(guī)格螺旋縫焊管外焊縫形貌尺寸和焊縫磨削量要求，一條砂帶可磨削的外焊縫長(zhǎng)度為80~100 m。更換砂帶時(shí)，先要停止電動(dòng)機(jī)，將氣缸縮回，磨削機(jī)頭下降，通過(guò)搖動(dòng)磨削電動(dòng)機(jī)托板搖桿，使砂帶處于松弛狀態(tài)，然后再取下砂帶并進(jìn)行更換；砂帶更換完畢后，反向搖動(dòng)搖桿使砂帶輪歸位，此時(shí)砂帶處于張緊工作狀態(tài)，重新啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)并控制氣缸伸出，然后繼續(xù)進(jìn)行焊縫磨削作業(yè)。砂帶更換一般在30 s內(nèi)即可完成。為了保持焊管生產(chǎn)和外焊縫磨削的連續(xù)性，砂帶更換一般在鋼帶對(duì)頭焊縫通過(guò)磨削機(jī)工位時(shí)進(jìn)行。

4 實(shí)際應(yīng)用

在全外焊縫磨削機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，為了防止對(duì)螺旋縫焊管外焊縫過(guò)度磨削傷及母材，一般將磨削后的外焊縫高度控制在0.30 mm以上，使用深度游標(biāo)卡尺進(jìn)行外焊縫高度測(cè)量，深度游標(biāo)卡尺的測(cè)量精度為0.02 mm。筆者隨機(jī)抽測(cè)Φ508 mm×8.8 mm和Φ1 016 mm×20.62 mm規(guī)格螺旋縫焊管各50根，隨機(jī)抽測(cè)磨削前、后每根焊管外焊縫的高度，記錄數(shù)據(jù)并繪制外焊縫高度曲線。兩種規(guī)格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度曲線如圖6所示。

從圖6可以看出：經(jīng)全外焊縫磨削機(jī)磨削后，兩種規(guī)格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度明顯降低，且鋼管外焊縫高度的均勻性明顯提高，Φ508 mm×8.8 mm規(guī)格焊管的外焊縫高度在0.3~0.6 mm；Φ1 016 mm×20.62 mm規(guī)格焊管的外焊縫高度在0.3~0.7 mm。除此之外，經(jīng)磨削后的外焊縫頂端過(guò)渡角均大于130°，焊縫表面粗糙度可達(dá)0.1μm［12］。焊管外焊縫頂端過(guò)渡角α如圖7所示。磨削前、后的焊管外焊縫如圖8所示。

圖6 兩種規(guī)格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度曲線

圖7 焊管外焊縫頂端過(guò)渡角示意

圖8 磨削前、后的焊管外焊縫

在對(duì)不同規(guī)格螺旋縫焊管進(jìn)行全外焊縫磨削前，需要對(duì)磨削機(jī)做出相應(yīng)調(diào)整。首先根據(jù)不同規(guī)格焊管螺距確定好磨削機(jī)磨削工位，然后根據(jù)外焊縫磨削量和磨削效率要求調(diào)整磨削機(jī)頂輪機(jī)構(gòu)、氣缸桿的伸長(zhǎng)量和砂帶張緊度，如果調(diào)整不合適容易出現(xiàn)焊縫磨削不均勻、砂帶跑偏和磨削電機(jī)故障等問(wèn)題。當(dāng)然，對(duì)螺旋縫焊管外焊縫的磨削效果很大程度上還取決于焊管外焊縫質(zhì)量，焊縫存在2.0 mm以上“錯(cuò)邊”“噘嘴”等缺陷時(shí)［13］，外焊縫磨削很難獲得較理想的磨削效果。除此之外，砂帶磨削焊管外焊縫時(shí)產(chǎn)生的灰塵和飛濺物也會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境造成一定影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

在螺旋縫焊管加工制造過(guò)程中，對(duì)管端焊縫的修磨有非常成熟的磨削工藝和明確的標(biāo)準(zhǔn)要求，而對(duì)全外焊縫進(jìn)行磨削的實(shí)例還很少，這當(dāng)中有較多的影響因素，需進(jìn)一步地加以考慮和分析。全外焊縫磨削機(jī)的設(shè)計(jì)，為螺旋縫焊管在全外焊縫磨削方面提供了一個(gè)新的思路，目前已取得實(shí)用新型專利，專利號(hào)ZL201820185908.8。全外焊縫磨削機(jī)的制造成本較低，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，但該設(shè)備在砂帶使用壽命、磨削機(jī)構(gòu)調(diào)整和磨削精度控制等方面還有較大的改進(jìn)空間。下一步，將在延長(zhǎng)砂帶使用壽命、簡(jiǎn)化磨削機(jī)構(gòu)調(diào)整、加強(qiáng)磨削飛濺物處理等方面進(jìn)行改進(jìn)和完善，使其磨削效率更高，適用性更廣，以期更好地服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)際。