王長江 張鋒 張華偉 劉然 徐淼

(1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司 2.油氣管道輸送安全國家工程實驗室 3.中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司 4.中國石油管道局工程有限公司)

0 引 言

以中俄東線管道工程為標(biāo)志，我國油氣管道開啟了“智能管道”建設(shè)時代，對整個施工過程提出了機(jī)械化作業(yè)要求[1-2]。在防腐補口領(lǐng)域，以自動除銹設(shè)備、中頻加熱設(shè)備及紅外加熱設(shè)備為基礎(chǔ)的機(jī)械化防腐補口方式取代了傳統(tǒng)手工防腐補口方式，實現(xiàn)了管道工程現(xiàn)場防腐補口的機(jī)械化流水作業(yè)，有效提升了防腐補口質(zhì)量及施工效率[3-8]。然而，現(xiàn)有以單功能防腐補口設(shè)備簡單組合構(gòu)成的防腐補口機(jī)組相對龐大、人員配置較多、施工組織困難及施工成本難以降低等問題日益突顯，嚴(yán)重制約了機(jī)械化補口技術(shù)與裝備的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

為解決單體組合式防腐補口模式存在的問題并為應(yīng)用單位創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價值，本文結(jié)合熱收縮帶防腐補口施工工序特點，成功研發(fā)了基于除銹&中頻一體式設(shè)備與中頻&紅外一體式設(shè)備的集成化防腐補口裝備，同時制定了與之配套的補口工藝，實現(xiàn)了現(xiàn)有機(jī)械化補口裝備四工位施工方式向集成化補口裝備三工位施工方式的轉(zhuǎn)變，以及針對管道工程連續(xù)口、連頭口與返修口的不同集成化防腐補口裝備優(yōu)化組合方式。針對智能管道與智慧管網(wǎng)建設(shè)的數(shù)字化移交要求，集成化防腐補口裝備控制系統(tǒng)融入了自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸功能模塊，實現(xiàn)了防腐補口各工序中與需控制指標(biāo)參數(shù)相關(guān)的關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的實時采集、存儲及與數(shù)據(jù)終端的無線傳輸。

1 集成化防腐補口裝備

集成化防腐補口裝備主要包含除銹&中頻系統(tǒng)與中頻&紅外系統(tǒng)，如圖1所示。除銹&中頻系統(tǒng)用于管道待補口區(qū)域除潮、除銹與預(yù)熱的同工位同步作業(yè)，主要由除銹&中頻一體式設(shè)備、控制系統(tǒng)(含中頻電源)、噴砂系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)等組成，如圖1a所示。中頻&紅外系統(tǒng)用于管道待補口區(qū)域底漆加熱與熱收縮帶收縮熔膠等工序的同工位同步作業(yè)，主要由中頻&紅外一體式設(shè)備、控制系統(tǒng)(含中頻電源)、液壓系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)等組成，如圖1b所示。

圖1 集成化防腐補口裝備組成示意圖Fig.1 Schematic composition of the integrated jointcoating equipment

發(fā)電機(jī)為所有用電設(shè)備提供動力，液壓系統(tǒng)用于設(shè)備的開合，控制系統(tǒng)用于控制一體化設(shè)備的各項動作，空氣壓縮機(jī)為噴砂系統(tǒng)提供氣源，噴砂系統(tǒng)為除銹&中頻一體式設(shè)備提供高速磨料且實現(xiàn)磨料的循環(huán)利用與粉塵的分離回收。除銹&中頻一體式設(shè)備及中頻&紅外一體式設(shè)備為兩個系統(tǒng)的核心組成部分。

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1.1 除銹&中頻一體式設(shè)備

除銹&中頻一體式設(shè)備主要由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)、弧形中頻機(jī)構(gòu)、液壓開合機(jī)構(gòu)、鏈?zhǔn)絺鲃咏M件、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、從動定位輪、分線盒、分液塊、支撐桿和限位開關(guān)等組成，如圖2所示。其布局方式與運行軌跡為：除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動軸向移動，水平位置對稱布局；4塊弧形中頻機(jī)構(gòu)的弧度與鋼管外圓弧面吻合，360°對稱布局，采用回字形線纜布局方式，中頻線纜首尾相接；采用周向旋轉(zhuǎn)與軸向移動相結(jié)合的往復(fù)循環(huán)運行軌跡，實現(xiàn)了對管道待補口區(qū)域的無遺漏除銹與全覆蓋加熱，如圖3所示。

1—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；2—分線盒；3—分液塊；4—旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)；5—鏈?zhǔn)絺鲃咏M件；6—弧形中頻機(jī)構(gòu)；7—從動定位輪；8—支撐桿；9—限位開關(guān)；10—除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)；11—旋轉(zhuǎn)軸；12—液壓開合機(jī)構(gòu)。圖2 除銹&中頻一體式設(shè)備Fig.2 Rust removal & intermediate frequencyintegrated equipment

1—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；2—弧形中頻機(jī)構(gòu)；3—除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖3 除銹與中頻布局方式Fig.3 Layout of rust removal and intermediatefrequency equipment

噴砂除銹是以壓縮空氣為動力，催動非金屬或金屬磨料高速噴射到需處理的工件表面，清除銹蝕和污物等，并產(chǎn)生一定的表面粗糙度[9-14]。中頻加熱是以中頻交流電產(chǎn)生的交變磁場對處于其中的工件通過感應(yīng)電流加熱[15-20]。除銹&中頻一體式設(shè)備應(yīng)用時，根據(jù)具體施工環(huán)境及除銹質(zhì)量檢測用時對溫降的影響，預(yù)先設(shè)定高于底漆涂刷要求的合適溫度。噴砂除銹動作與中頻加熱同時開啟，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時停止中頻加熱，當(dāng)噴砂除銹與指標(biāo)檢測完成時，預(yù)熱溫度剛好滿足底漆涂刷的溫度要求，實現(xiàn)了待補口區(qū)域除銹與預(yù)熱的同工位同步作業(yè)。

1.1.2 中頻&紅外一體式設(shè)備

中頻&紅外一體式設(shè)備主要由骨架、中頻加熱機(jī)構(gòu)、紅外加熱機(jī)構(gòu)、液壓開合機(jī)構(gòu)、快速入位機(jī)構(gòu)、支撐輪、線液分輸盒、加強架、遮熱板和擋風(fēng)板等組成，如圖4所示。紅外加熱機(jī)構(gòu)由7組紅外輻射板組成，與中頻加熱機(jī)構(gòu)的中頻線纜采用間隔布局，實現(xiàn)了中頻與紅外的內(nèi)、外協(xié)同加熱，如圖5所示。

1—骨架；2—支撐輪；3—線液分輸盒；4—加強架；5—中頻加熱機(jī)構(gòu)；6—紅外加熱機(jī)構(gòu)；7—遮熱板；8—快速入位機(jī)構(gòu)；9—擋風(fēng)板；10—液壓開合機(jī)構(gòu)。圖4 中頻&紅外一體式設(shè)備Fig.4 Intermediate frequency & infrared integrated equipment

紅外加熱是一種輻射傳熱的過程，利用紅外輻射板發(fā)射出來的紅外線照射被加熱物料，使物料吸收紅外線后內(nèi)部分子和原子“共振”產(chǎn)生熱能，達(dá)到加熱目的[21-25]。紅外加熱機(jī)構(gòu)由7組紅外輻射板組成三個獨立功能區(qū)，中間組為一區(qū)、緊挨中間組的兩組為二區(qū)、剩余組為三區(qū)。綜合考慮發(fā)電機(jī)功率和加熱效率等因素，在中頻電源的額定功率內(nèi)合理選擇中頻加熱機(jī)構(gòu)所用的具體功率。根據(jù)底漆加熱與熱收縮帶收縮、熔膠等施工工序的具體要求，可選擇中頻定功率分時段加熱與紅外分區(qū)加熱的協(xié)同加熱方式，以達(dá)到最佳的加熱效果，繼而實現(xiàn)以上工序的同工位同步作業(yè)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 待補口區(qū)域表面處理與預(yù)熱同步作業(yè)

通過噴槍橫向行走機(jī)構(gòu)與弧形中頻加熱機(jī)構(gòu)的分角度對稱布局、中頻線纜回字形繞線與圈數(shù)選定、運行軌跡的設(shè)定與優(yōu)化，實現(xiàn)了自動除銹與中頻加熱的一體化設(shè)計、沿軌跡運行時的管口表面無遺漏自動除銹及全覆蓋中頻加熱的同步作業(yè)，保證了除銹質(zhì)量與預(yù)熱溫度同時達(dá)到管道工程防腐補口施工要求，有效提高了施工效率。

1.2.2 底漆加熱固化與熱收縮帶安裝同工位施工

通過多覆層耐高溫中頻線纜與條形紅外輻射板的間隔循環(huán)布局、中頻加熱功率的合理選定、紅外加熱機(jī)構(gòu)的合理分區(qū)，實現(xiàn)了中頻加熱與紅外加熱的一體化設(shè)計以及底漆加熱固化與熱收縮帶安裝工序的同工位施工。

1.2.3 熱收縮帶收縮與熔膠的協(xié)同加熱

通過定功率分時段中頻加熱與分區(qū)紅外加熱的疊加效果研究，確定了紅外分區(qū)加熱與中頻計時加熱進(jìn)行熔膠的內(nèi)外協(xié)同加熱組合方式，提高了加熱效率，保證了熱收縮帶安裝質(zhì)量。

2 補口工藝

管道工程現(xiàn)場熱收縮帶補口施工主要采用干膜施工，結(jié)合一體式設(shè)備特點與試驗效果，確定集成化防腐補口裝備的施工工序如下：

待補口區(qū)域預(yù)處理、除銹(含搭接區(qū)PE處理)與預(yù)熱→底漆涂刷→熱收縮帶安裝→底漆加熱與熱收縮帶收縮→熱收縮帶熔膠→排氣泡→封膠條，并確定具體補口工藝要求(見表1)。

表1 補口工藝要求Table 1 Technical requirements for joint coating process

3 模擬試驗與工程測試

本文針對管徑1 219 mm鋼管，結(jié)合制定的補口工藝進(jìn)行了集成化防腐補口裝備的模擬試驗，優(yōu)化了施工方式，并在中俄東線天然氣管道工程南段五標(biāo)段進(jìn)行了工程測試，模擬試驗與工程測試分別如圖6和圖7所示。試驗結(jié)果表明，集成化防腐補口裝備與補口工藝實現(xiàn)了機(jī)械化防腐補口流水作業(yè)，簡化了機(jī)組設(shè)備構(gòu)成和人員配置，提高了施工效率，降低了施工成本。

圖6 模擬試驗Fig.6 Simulation tests

圖7 工程測試Fig.7 Operation tests

3.1 施工方式

集成化防腐補口裝備實現(xiàn)了現(xiàn)有熱收縮帶機(jī)械化補口施工形式由基于除銹、中頻、紅外的“三車四工位”與“四車四工位”及基于除銹與中頻的“三車四工位”向“二車三工位”的轉(zhuǎn)變，如圖8所示。

圖8 施工組織方式示意圖Fig.8 Schematic diagram of construction organization

基于除銹/中頻/紅外的“三車四工位”與“四車四工位”是指3臺或4臺單功能作業(yè)車完成四個補口工位的全部補口工序而實現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)的施工形式。該方式的工位一和工位四分別由自動除銹作業(yè)車和紅外加熱作業(yè)車獨立完成。工位二與工位三的區(qū)別在于“三車四工位”的中頻加熱作業(yè)車需要反復(fù)進(jìn)退完成工位二與工位三的作業(yè)，而“四車四工位”的兩臺中頻加熱作業(yè)車分別獨立完成工位二與工位三的作業(yè)，如圖8a所示。

基于除銹/中頻的“三車四工位”是指3臺單功能作業(yè)車完成4個補口工位的全部補口工序而實現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)的施工形式。該方式的前3個工位由相關(guān)設(shè)備完成，而熱收縮帶安裝工位需要火把完成熱收縮帶的收縮，而后由中頻加熱作業(yè)車完成熱收縮帶的熔膠，最后由火把進(jìn)行PE搭接區(qū)的補償熔膠，以保證熱收縮帶安裝質(zhì)量，如圖8a所示。

集成化補口裝備的“二車三工位”是指2臺雙功能作業(yè)車完成3個補口工位的全部補口工序而實現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)的施工形式，如圖8b所示。除銹&中頻作業(yè)車同工位同步完成待補口區(qū)域表面處理與預(yù)熱兩種工序，中頻&紅外作業(yè)車同工位協(xié)同完成底漆加熱與熱收縮帶安裝兩種工序。

3.2 對比分析

結(jié)合機(jī)組設(shè)備構(gòu)成、人員配置、施工效率、機(jī)械化程度和施工成本等因素，進(jìn)行不同形式的機(jī)械化防腐補口對比分析，結(jié)果如下。

3.2.1 設(shè)備構(gòu)成與人員配置

集成式機(jī)械化防腐補口二車三工位的基本配置為2輛工程作業(yè)車與7名工人；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補口三車四工位與四車四工位的基本配置分別為3輛工程作業(yè)車與9名工人、4輛工程作業(yè)車與11名工人；基于除銹/中頻的機(jī)械化補口三車四工位的基本配置為3輛工程作業(yè)車與13名工人。

3.2.2 施工效率

機(jī)械化防腐補口流水作業(yè)施工效率取決于用時最長的工序，集成式機(jī)械化防腐補口二車三工位與基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補口四車四工位的整體效率相當(dāng)，但熱收縮帶安裝效率更高；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補口三車四工位次之，整體效率取決于中頻作業(yè)車反復(fù)移位用時；基于除銹/中頻的機(jī)械化補口三車四工位熱收縮帶安裝用時最長，施工效率最低，尤其是在低溫環(huán)境下。

開放創(chuàng)新是“地平線歐洲”為以更大的力度支持突破性創(chuàng)新，加速知識資本向適應(yīng)市場的產(chǎn)品、服務(wù)和商業(yè)模式轉(zhuǎn)化而在其研發(fā)計劃下新設(shè)立的支柱領(lǐng)域，目標(biāo)在于扶持各種以市場為導(dǎo)向的創(chuàng)新活動，支持面向市場的創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化。

3.2.3 機(jī)械化程度

集成式機(jī)械化防腐補口二車三工位與基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補口的三車四工位與四車四工位除底漆涂刷外均實現(xiàn)了機(jī)械作業(yè)，機(jī)械化程度相當(dāng)，但集成式防腐補口裝備實現(xiàn)了多功能化，可一機(jī)多用；基于除銹/中頻的機(jī)械化補口三車四工位的底漆涂刷、熱收縮帶收縮與補償熔膠均采用人工操作方式，機(jī)械化程度最低。

3.2.4 施工成本

本文主要從車輛油耗、用電設(shè)備功率、人員費用與液化氣消耗等方面進(jìn)行比較。集成式機(jī)械化防腐補口二車三工位施工成本最低；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補口三車四工位施工成本次之；基于除銹/中頻的機(jī)械化補口三車四工位的施工成本再次之；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補口四車四工位的施工成本最高。

綜上，集成式機(jī)械化防腐補口的設(shè)備構(gòu)成與人員配置最少，施工效率及機(jī)械化程度最高，施工成本最低。

3.3 數(shù)據(jù)采集與無線傳輸

智能管道與智慧管網(wǎng)的建設(shè)要求管道施工時對影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行全數(shù)字化移交[26-29]。集成化防腐補口裝備通過將自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊融入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了待補口區(qū)域表面處理、預(yù)熱及熱收縮帶收縮與熔膠等工序的關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的實時采集與存儲，與焊口二維碼、施工人員編碼關(guān)聯(lián)整合后無線傳輸至數(shù)據(jù)接收終端。

4 集成化補口裝備優(yōu)化組合建議

5 結(jié) 論

(1)集成化防腐補口裝備的一體化設(shè)計，實現(xiàn)了管道待補口區(qū)域除銹與預(yù)熱工序的同工位同步作業(yè)，以及底漆加熱與熱收縮帶收縮熔膠的同工位協(xié)同作業(yè)。

(2)集成化防腐補口裝備與工藝實現(xiàn)了“二車三工位”的機(jī)械化防腐補口流水作業(yè)，簡化了機(jī)組施工方式、設(shè)備構(gòu)成與人員配置，提高了施工效率，降低了施工成本。

(3)自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸功能模塊的融入，實現(xiàn)了集成化防腐補口裝備關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的實時采集、存儲及與數(shù)據(jù)終端平臺間的無線傳輸，為數(shù)字化移交與完整性管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

(4)針對不同類型焊口提出的優(yōu)化組合方式，為工程單位合理選擇與優(yōu)化配置集成化防腐補口裝備提供了參考依據(jù)。