在役管線大修自動(dòng)噴涂設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000)

油氣管道埋地使用多年后，由于防腐蝕層自身的壽命、質(zhì)量以及外部環(huán)境的影響，會(huì)遭受不同程度的老化、破壞，從而嚴(yán)重影響管道的運(yùn)行安全，因此防腐蝕層大修工作具有很重要的意義[1-3]。然而，當(dāng)前國內(nèi)外無論使用何種防腐蝕材料和防腐蝕技術(shù)，大都采用人工作業(yè)模式，不僅效率低下，在管道不停輸運(yùn)行狀態(tài)下，還會(huì)帶來很大的安全隱患[4-7]。基于此，本工作以液體聚氨酯防腐蝕技術(shù)為切入點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)噴涂設(shè)備，以期為管道大修實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外管道防腐蝕層大修的作業(yè)方式

在國內(nèi)，根據(jù)不同的施工要求，管道防腐蝕層大修會(huì)采用人工作業(yè)模式的各種防腐蝕技術(shù)。比如：采用石油瀝青進(jìn)行大修，一般采用人工澆涂；使用熱收縮帶[8-10]一般先通過除銹，利用中頻進(jìn)行預(yù)熱，最后進(jìn)行人工纏繞和紅外收縮回火[11-12](見圖1)；而利用液體涂料大修，則由人工涂刷或手持噴槍進(jìn)行。

圖1 人工纏繞收縮帶作業(yè)Fig.1 The operation of contraction belt with manual winding

在國外，防腐蝕層大修主要是使用液體涂料噴涂技術(shù)，采用人工涂刷或無氣噴涂裝備[13-15]。而這種無氣噴涂裝備只能應(yīng)用于小處修補(bǔ)，無法持續(xù)爬行于管道進(jìn)行大面積長段大修(見圖2)。

圖2 無氣噴涂設(shè)備作業(yè)Fig.2 The operation of airless spraying equipment

2 設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)

噴涂設(shè)備的組成包括：機(jī)架、回轉(zhuǎn)圈、回轉(zhuǎn)支撐裝置、輔助支撐裝置、開合機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、鞭管跟隨裝置、機(jī)架鎖緊裝置、噴槍、噴槍角度調(diào)整器、清洗回收器、涂料匯集單元、雙組份無氣供料系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)(見圖3)。

(a)三維圖

(b)實(shí)物圖圖3 自動(dòng)噴涂設(shè)備三維模型和實(shí)物圖Fig.3 The 3D model (a)and physical drawing (b)of automatic spraying equipment

具體機(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，可通過簡便調(diào)節(jié)來達(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；打開開合機(jī)構(gòu)使回轉(zhuǎn)圈下部張開，將整個(gè)裝置套在鋼管起始位置；通過機(jī)架鎖緊裝置將整個(gè)裝置固定在管道上(水平管道可省略此步驟，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)下沿鋼管周向進(jìn)行390°往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)噴槍在涂料匯集單元和雙組份無氣供料系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)噴涂。

3 設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備控制系統(tǒng)流程示意如圖4所示。

圖4 控制流程示意圖Fig.4 Control flow diagram

整個(gè)設(shè)備的控制系統(tǒng)特點(diǎn)為：

(1)用PLC作為控制核心，取代傳統(tǒng)硬接線模式，便于隨時(shí)根據(jù)工藝要求編寫修改程序，大大降低故障率，增強(qiáng)抗干擾能力[16]；

(2)引入遙控遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)本地、遠(yuǎn)程控制雙保險(xiǎn)，同時(shí)，讓作業(yè)人員遠(yuǎn)離污染嚴(yán)重的作業(yè)區(qū)，最大程度地保障作業(yè)人員的勞動(dòng)衛(wèi)生和人身安全；

(3)引入變頻控制，使得噴槍的行進(jìn)速率實(shí)現(xiàn)可控，根據(jù)噴涂工藝參數(shù)要求，通過調(diào)整噴射速率來滿足噴涂厚度要求；

(4)本地采用觸摸屏控制取代原來的按鈕、開關(guān)方式的本地控制，一方面可以消除按鈕、開關(guān)長期暴露在外所帶來的失靈隱患，另一方面通過觸摸屏可以對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并報(bào)警，比如過流、過壓等，最后，可以利用觸摸屏上的人性化界面，修改變頻器、PLC等參數(shù)，既保護(hù)了PLC的程序，又能使操作人員在沒有設(shè)計(jì)開發(fā)人員的情況下，也能根據(jù)工藝要求修改相關(guān)數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 觸摸屏控制界面Fig.5 The control interface of touch screen

4 設(shè)備試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 防腐蝕層噴涂

設(shè)備設(shè)計(jì)加工后，采用液體聚氨酯涂料進(jìn)行了廠內(nèi)管道大修噴涂試驗(yàn)，過程如下。

(1)循環(huán)：噴涂前，啟動(dòng)設(shè)備控制系統(tǒng)，按下遙控中的“循環(huán)”按鍵，通過PLC程序開啟“循環(huán)”電磁閥，將整個(gè)涂料罐中的料進(jìn)行循環(huán)加熱，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)(根據(jù)工藝要求來定)，按下“停止”，循環(huán)電磁閥停止；

(2)清洗；按下遙控器的“清洗”鍵，開啟“清洗料”電磁閥，從而使得料管中積存的舊涂料被排出；

(3)排料：按下遙控器的“排料”鍵，開啟兩個(gè)“A料”、“B料”電磁閥，同時(shí)關(guān)閉“清洗料”電磁閥，將上一步清洗過程中積存在料管中的清洗料排出；

(4)噴涂：按下遙控器的“噴涂”鍵，保持“A料”、“B料”電磁閥開啟狀態(tài)，回轉(zhuǎn)圈在回轉(zhuǎn)電機(jī)的帶動(dòng)下，開始進(jìn)行噴涂，噴完一圈后，在行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，噴涂設(shè)備前進(jìn)預(yù)設(shè)的距離，如此循環(huán)，完成噴涂。

通過調(diào)整變頻器的頻率改變回轉(zhuǎn)速率或者通過PLC程序改變噴涂時(shí)間，都可以使得最終的噴涂厚度滿足工藝要求，此外，利用觸摸屏可以調(diào)節(jié)搭接參數(shù)，使得在管道最低端的搭接面，能有一個(gè)最好的噴涂效果，這是手工噴涂無法實(shí)現(xiàn)的。

4.2 防腐蝕層性能

以傳統(tǒng)手工作業(yè)中最具代表性的熱收縮帶防腐蝕技術(shù)為例，在DN711管徑的管道上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 機(jī)械化作業(yè)和傳統(tǒng)手工作業(yè)的對(duì)比Tab.1 Comparison of mechanized and traditional manual overhaul

有表1可見：利用無溶劑液體聚氨酯涂料進(jìn)行自動(dòng)噴涂滿足工藝要求，無論是厚度、漏點(diǎn)、硬度還是附著力等都能體現(xiàn)很好的性能；自動(dòng)噴涂設(shè)備在作業(yè)流程上，只需要除銹、中頻預(yù)熱和噴涂，而熱收縮帶技術(shù)除了除銹、中頻預(yù)熱，還需要人工涂刷底漆、人工纏繞收縮帶以及紅外加熱回火，在操作上比自動(dòng)噴涂法繁瑣很多，工序越多出現(xiàn)問題的概率越大、工效越低；大管徑或小管徑管道，自動(dòng)噴涂設(shè)備都可以進(jìn)行同效率的作業(yè)，而手工纏繞方式的熱收縮帶技術(shù)，人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大并不能保持效率的連貫性，在大管徑上作業(yè)還帶有很高的安全風(fēng)險(xiǎn)；自動(dòng)噴涂設(shè)備在管道上噴完一圈后，可自動(dòng)向前爬行，因此可真正應(yīng)用在大修中，而傳統(tǒng)手工作業(yè)只能進(jìn)行補(bǔ)口和對(duì)管道進(jìn)行小修小補(bǔ)。

同時(shí)，機(jī)械化大修也有其弊端，自動(dòng)噴涂設(shè)備離地高度須大于600 mm，如果焊口離地面高度不足，需要進(jìn)行作業(yè)點(diǎn)的局部開挖。此外，該設(shè)備適用于平緩地帶及淺丘地帶的連續(xù)性大修作業(yè)，不適合小修小補(bǔ)的離散作業(yè)模式，且施工管道坡度應(yīng)不大于15 °。

5 結(jié)論

通過對(duì)管道防腐蝕層大修自動(dòng)噴涂設(shè)備的研發(fā)，解決了傳統(tǒng)手工作業(yè)效率低下、安全風(fēng)險(xiǎn)大的問題，尤其對(duì)于長段管道，可以大大降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證噴涂質(zhì)量，對(duì)管道大修的機(jī)械化發(fā)展具有里程碑的意義。