大直徑鋼管熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備及其施工工藝

李世增，吳海宏，柳 志，，林江濤

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2.廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340；3.廣東水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340)

1 概述

在區(qū)域結(jié)構(gòu)性輸水管道內(nèi)防腐領(lǐng)域，當(dāng)采用液體油漆涂敷鋼管時(shí)，液體涂層成型工藝簡(jiǎn)便，但常溫下固化可能存在固化不完全、粘結(jié)力低等缺點(diǎn)，壽命通常在20～30 a之間，后期維修成本較高，且油漆的使用不符合環(huán)保趨勢(shì)要求。環(huán)氧粉末涂料不含有機(jī)溶劑，消除了溶劑的損耗，對(duì)環(huán)境污染小，熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層是近二三十年發(fā)展起來的新型防腐層，采用靜電噴涂工藝，一次成膜，該涂層具有無污染、附著力強(qiáng)，耐磨性好，耐高溫，耐酸堿介質(zhì)等特點(diǎn)。目前，熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂防腐工藝在石油管道上(管徑通常在1 m 以下)的應(yīng)用較為成熟，鋼管直徑較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鋼管加熱技術(shù)，采用預(yù)熱爐或中頻線圈外壁加熱能夠迅速升溫，達(dá)到粉末噴涂溫度要求，但面對(duì)超大直徑且?guī)Ъ觿怒h(huán)鋼管內(nèi)防腐，現(xiàn)有熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐技術(shù)也存在諸多問題，如設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備占地需要較長(zhǎng)的工作臺(tái)，用電負(fù)荷大，中頻電源功率要求高，加勁環(huán)處存在較大溫差，影響加熱溫度和涂層的附著力，內(nèi)部溫度測(cè)量精準(zhǔn)度不高，涂層厚度難以控制等，無法實(shí)現(xiàn)熔接環(huán)氧粉末內(nèi)防腐在特殊工況下的應(yīng)用。針對(duì)上述問題，本文介紹了一種全新的大直徑鋼管熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備集成設(shè)計(jì)及其工藝要點(diǎn)。

2 鋼管與噴涂設(shè)備

2.1 鋼管及防腐要求

本次研究最先應(yīng)用在珠江三角洲水資源配置工程，該工程是國(guó)務(wù)院部署的的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，工程輸水線路總長(zhǎng)為113.1 km，是迄今為止廣東省歷史上投資額最大、輸水線路最長(zhǎng)、受水區(qū)域最廣的水資源調(diào)配工程。其深圳分干線起點(diǎn)為羅田水庫(kù)南側(cè)新建的羅田加壓泵站，終點(diǎn)為公明水庫(kù)，線路下穿公明水庫(kù)4#主壩左壩肩進(jìn)入水庫(kù)，在庫(kù)內(nèi)設(shè)進(jìn)庫(kù)閘。線路全長(zhǎng)為11.9 km，設(shè)計(jì)輸水流量為30 m3/s，盾構(gòu)隧洞外徑為6.0 m，內(nèi)襯鋼管內(nèi)徑為4.8 m，內(nèi)防腐涂層耐久性要求達(dá)到50 a，鋼管埋深為40～60 m，流速為1.66 m/s，輸水一旦啟動(dòng)，輸水在不截流的情況下難以維修，基本10 a或20 a甚至更久才可能啟動(dòng)一次截流大檢修，平時(shí)不允許人工進(jìn)入管內(nèi)，目前也還沒有成熟的維修技術(shù)。

該工程試驗(yàn)段項(xiàng)目鋼管裸管內(nèi)壁直徑為4 800 mm，如圖1～3所示，材質(zhì)為Q235C，壁厚為22 mm或 26 mm，每節(jié)鋼管長(zhǎng)為12m，鋼管外壁設(shè)6個(gè)加勁環(huán)，環(huán)高為0.12m，環(huán)寬為28 mm，間距為2.2 m。

圖1 裸管構(gòu)造示意(單位:mm)

圖2 加勁環(huán)放大示意(單位:mm)

圖3 注漿孔、加強(qiáng)板放大示意(單位:mm)

2.2 現(xiàn)有鋼管內(nèi)壁熔結(jié)環(huán)氧粉末成套裝置

現(xiàn)有的鋼管內(nèi)壁熔結(jié)環(huán)氧粉末成套裝置，采用中頻線圈進(jìn)行加熱，其工藝流程為：鋼管—預(yù)熱—內(nèi)除銹—上內(nèi)噴涂傳動(dòng)線—噴涂小車移動(dòng)—靜電噴槍定位—預(yù)熱—鋼管螺旋前進(jìn)—噴涂—流平固化—冷卻—下管(見圖4)。

1-環(huán)氧粉末內(nèi)噴涂系統(tǒng)；2-螺旋傳動(dòng)滾輪；3-鋼管；4-加熱中頻；5-環(huán)氧粉末回收系統(tǒng)；6-固化中頻；7-冷卻系統(tǒng)。圖4 環(huán)氧粉末內(nèi)噴涂工藝示意

此工藝采用多組中頻線圈圓周內(nèi)壁加熱方式，若應(yīng)用珠江三角洲水資源配置試驗(yàn)段項(xiàng)目時(shí)，由于鋼管直徑太大，中頻線圈電源的功率高需求高達(dá)3 000 kW，且加勁環(huán)會(huì)使內(nèi)壁產(chǎn)生較大溫差影響涂層性能指標(biāo)。整個(gè)防腐生產(chǎn)流水線占地較長(zhǎng)，噴槍、傳送、中頻加熱、粉末回收、固化中頻、鋼管冷卻等系統(tǒng)都是獨(dú)立設(shè)置，鋼管需從左端螺旋傳動(dòng)滾輪架前進(jìn)至加熱中頻處，噴槍通過伸縮裝置隨進(jìn)入到達(dá)粉末回收倉(cāng)處，完成噴涂作業(yè)后，鋼管繼續(xù)向右移動(dòng)進(jìn)行固化與冷水冷卻，整套流水線至少5個(gè)工作面，每個(gè)工作面為 12 m，總長(zhǎng)度需要60 m以上的長(zhǎng)作業(yè)平臺(tái)，另外，環(huán)氧粉末熔結(jié)固化條件一般為230℃±10℃，測(cè)溫裝置要求精準(zhǔn)無偏差，現(xiàn)有技術(shù)通常用測(cè)溫筆測(cè)量，測(cè)溫筆雖然對(duì)外壁溫度監(jiān)測(cè)較為準(zhǔn)確，但內(nèi)壁由于無法進(jìn)入觀測(cè)，準(zhǔn)確度難以控制，防腐涂層的性能指標(biāo)就難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求(性能指標(biāo)見表1)，特別是在抗沖擊、抗彎曲、附著力、斷面和界面孔隙率等指標(biāo)上對(duì)工藝有極高的要求。所以，應(yīng)用到大直徑鋼管項(xiàng)目，須對(duì)現(xiàn)有環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備及施工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 環(huán)氧粉末涂層物理性能指標(biāo)

2.3 大直徑鋼管熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備

優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴涂設(shè)備由中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)、加勁環(huán)補(bǔ)溫系統(tǒng)、二次清掃系統(tǒng)、噴涂與粉末回收系統(tǒng)、高精度測(cè)溫及記錄系統(tǒng)、專用滾輪架系統(tǒng)、中控系統(tǒng)等組成一體化設(shè)計(jì)(如圖5所示)。生產(chǎn)線場(chǎng)地只需40 m×11 m，中頻感應(yīng)加熱采用1臺(tái)1 500 kW可控硅中頻電源，加熱方式為管道內(nèi)壁加熱，利用中頻電感應(yīng)，鋼管通過載有交變大電流的線圈所形成的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流加熱，感應(yīng)器采用扇形交叉陣列結(jié)構(gòu)，分為4片(如圖6所示)，改變了線圈鋼管內(nèi)壁圓周布置，大大減少了中頻加熱電源功率需求。加勁環(huán)補(bǔ)溫系統(tǒng)采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)溫，功率為60 kW，電源采用IGBT形式，補(bǔ)溫裝置安裝在鋼管壁外側(cè)(如圖7所示)。加熱裝置與噴粉裝置固定在一方鋼懸臂上，只需鋼管螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)，噴涂?jī)?nèi)壁旋轉(zhuǎn)至上部加熱再旋轉(zhuǎn)至下部噴涂，鋼管螺旋前進(jìn)噴粉直至整條管內(nèi)壁噴粉結(jié)束，粉末噴涂與回收口集成設(shè)計(jì)，避免了粉末噴涂過程中的飄溢，噴涂完成后，棄用了現(xiàn)有的水冷結(jié)束反應(yīng)技術(shù)，直接選用自然冷卻，優(yōu)化了工藝流程及成本節(jié)約。

圖5 熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

圖6 加熱器(上)—噴粉噴涂與回收(下)示意

圖7 加勁環(huán)補(bǔ)溫示意

2.4 新設(shè)備的優(yōu)勢(shì)分析

相比現(xiàn)有技術(shù)，此次研制的噴涂設(shè)備有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 加熱、噴涂、回收、中控、冷卻五大功能模塊集成一體設(shè)計(jì)，設(shè)備占用面積小，縮短了工序流水時(shí)間，生產(chǎn)效率提高。

2) 加熱片能夠與內(nèi)壁保持相對(duì)同等距離，有利于溫差的控制，紅外精準(zhǔn)測(cè)溫裝置，保障溫度的測(cè)量可靠度，通過功率大小的控制來調(diào)節(jié)鋼管內(nèi)壁的加熱溫度，可以有效的控制粉末熔結(jié)質(zhì)量，外壁利用補(bǔ)溫裝置解決了由于加勁環(huán)處壁厚不同導(dǎo)致溫差聚變的情況。

3) 最大功率為1 500 kW，一般情況下使用800 kW即可，中頻線圈方式加熱需要3 000 kW以上的功率，大大減少了施工用電負(fù)荷與成本。

4) 噴槍位置固定，噴槍與內(nèi)壁的距離相對(duì)穩(wěn)定，有利于涂層厚度的控制，另外粉末歐恩圖與粉末回收裝置集成設(shè)計(jì)，減少了工作臺(tái)面，也有效避免了粉末的浪費(fèi)和對(duì)施工環(huán)境的污染。

5) 增加了中央控制在線監(jiān)控，自動(dòng)采集、記錄、報(bào)警等功能，整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)化、可視化。

3 新噴涂工藝

3.1 工藝流程

裸管→拋丸除油除銹→除銹質(zhì)量檢驗(yàn)→二次吹掃→中頻感應(yīng)加熱→靜電噴涂→自然冷卻→涂層質(zhì)量檢驗(yàn)→修補(bǔ)→成品

3.2 工藝設(shè)定及要求

1) 裸管生產(chǎn)要求

裸管生產(chǎn)制造過程中，由于直徑較大，除了鋼管的縱向、環(huán)向焊縫、加勁環(huán)以及注漿孔處焊縫要滿足施工設(shè)計(jì)要求之外，還需嚴(yán)格控制鋼管的橢圓度，橢圓度要求不大于3D/1 000，且最大值不大于20 mm，對(duì)于如此大直徑鋼管在生產(chǎn)過程中由于自重的原因橢圓度控制存在一定的難度，需用特殊制造工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

2) 除銹質(zhì)量要求

拋丸除油除銹，通常采用機(jī)械拋丸處理，除銹后質(zhì)量檢驗(yàn)，錨紋深度達(dá)到60～100 μm，除銹等級(jí)達(dá)到 Sa2.5級(jí)，灰塵級(jí)別不低于2級(jí)，并要求在拋丸除油除銹后4 h之內(nèi)完成粉末噴涂，當(dāng)超過4 h或鋼管表面返銹或污染時(shí)，需重新進(jìn)行表面處理。

3) 二次吹掃

二次清掃系統(tǒng)含1套除塵器，1套風(fēng)管，1套吹掃和拋頭，與中頻加熱系統(tǒng)錯(cuò)開，設(shè)置在中頻加熱噴涂設(shè)備懸臂上。由于對(duì)噴涂表面質(zhì)量要求很高，因此，加設(shè)二次清掃系統(tǒng)，鋼管在加熱噴涂就位后再一次進(jìn)行清掃，以消除鋼管表面的二次污染。

4) 中頻感應(yīng)加熱

中頻感應(yīng)加熱噴涂設(shè)備加熱溫度可根據(jù)生產(chǎn)速度、管壁的厚薄以及希望的涂層膠化、固化時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

鋼管吊運(yùn)至專用滾輪架上，專用滾輪架系統(tǒng)配置機(jī)械式防竄裝置，防止鋼管移位，鋼管是在滾輪架上旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的過程中進(jìn)行噴涂作業(yè)，因此,鋼管橢圓度的控制有利于內(nèi)壁加熱溫度的均勻性。補(bǔ)溫系統(tǒng)在聯(lián)動(dòng)導(dǎo)軌上跟蹤鋼管加勁環(huán)補(bǔ)溫，功率為60 kW，可實(shí)現(xiàn)鋼管表面噴涂區(qū)域在10 min內(nèi)達(dá)到所需溫度并保持一定的穩(wěn)定性。

高精度測(cè)溫利用熱成像儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，檢測(cè)鋼管待噴涂區(qū)域溫度，采集區(qū)域?yàn)?5 cm×50 cm(如圖8所示)，當(dāng)中頻加熱與補(bǔ)溫設(shè)備同時(shí)工作，熱成像儀檢測(cè)到待噴涂區(qū)域溫度曲線穩(wěn)定在環(huán)氧粉末性能指定溫度±10℃時(shí)啟動(dòng)粉末靜電噴涂。

圖8 噴粉溫度曲線示意(波動(dòng)控制在指定溫度±10℃時(shí)啟動(dòng)靜電噴涂)

5) 環(huán)氧粉末靜電噴涂

噴粉裝置共設(shè)12把粉槍，不同的粉末產(chǎn)品性能、粒度均有差異，因此正式噴涂前，應(yīng)測(cè)試噴槍的實(shí)際出粉量估算粉末用量，找出粉槍開啟數(shù)量規(guī)律掌握所需的涂層厚度，通過對(duì)回收系統(tǒng)風(fēng)量風(fēng)速的調(diào)節(jié)，輔助涂層厚度的控制，避免粉末的浪費(fèi)。

6) 冷卻與修補(bǔ)

整管內(nèi)壁噴涂完成后，自然冷卻需要1～2 h，對(duì)涂層外觀進(jìn)行檢測(cè)，要求平整、色澤均勻、無氣泡、無開裂及縮孔現(xiàn)象，允許有輕度橘皮狀花紋，再進(jìn)行涂層厚度，電火花漏點(diǎn)等質(zhì)量檢測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行局部修補(bǔ)。局部修補(bǔ)通常采用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無溶劑環(huán)氧液體涂料，局部打磨搭接方式修補(bǔ)。

3.3 工藝注意點(diǎn)

1) 對(duì)鋼管進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，加勁環(huán)的厚度、加勁環(huán)的焊接方式、注漿孔以及注漿孔加強(qiáng)板等位置均會(huì)對(duì)加熱溫度均勻性造成影響，為了實(shí)現(xiàn)噴涂區(qū)域溫度控制在環(huán)氧粉末性能指定溫度±10℃范圍內(nèi)，增加了1套補(bǔ)溫裝置，減小溫差，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，加勁環(huán)在未補(bǔ)溫狀態(tài)下相鄰區(qū)域鋼管內(nèi)壁溫差在29℃～40℃，注漿孔未補(bǔ)溫相鄰區(qū)域的溫差為70℃，經(jīng)過補(bǔ)溫后，相鄰區(qū)域的溫差為3℃～16℃，可以滿足±10℃的溫差要求。

2) 為使涂層附著力、粘結(jié)力、斷面與界面孔隙率等性能滿足施工指標(biāo)要求，在中頻感應(yīng)加熱噴涂設(shè)備上還應(yīng)增加二次吹掃裝置，在正式噴涂前對(duì)鋼管表面進(jìn)行二次吹掃。

3) 大直徑鋼管橢圓度控制在20 mm以內(nèi)，啟動(dòng)中頻感應(yīng)加熱噴涂設(shè)備時(shí)，有利于提高加熱的均勻性。

4) 鋼管行進(jìn)速度設(shè)為100 mm/min，鋼管轉(zhuǎn)速15 m/min(即每分鐘一轉(zhuǎn))，螺距為100 mm，涂層覆蓋層數(shù)2層。

5) 涂層厚度不小于設(shè)計(jì)厚度且不超出15%，否則不僅會(huì)造成粉末浪費(fèi)，也會(huì)影響涂層的相關(guān)性能，通過試驗(yàn)驗(yàn)證噴粉區(qū)域的最佳溫度點(diǎn)是210℃～230℃，需與粉末產(chǎn)品性能進(jìn)行匹配調(diào)整，配合鋼管的前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)噴槍開啟的個(gè)數(shù)來滿足不同的厚度要求。

6) 噴槍噴涂過程是通過壓縮空氣將粉末吹起，使粉末均勻的附著在管道的表面，然而由于噴粉量比較大，沒有吸附到管壁的粉末會(huì)四散漂浮在空氣中，不僅對(duì)施工環(huán)境造成污染，還會(huì)影響作業(yè)人員的身心健康，所以需增加粉末回收機(jī)構(gòu)對(duì)沒有吸附到管壁上的粉末進(jìn)行回收，調(diào)整回收系統(tǒng)風(fēng)量風(fēng)速，可以提高粉末的上粉率和溢粉情況以及涂層厚度的輔助控制。

4 結(jié)語(yǔ)

通過反復(fù)的加熱與噴粉試驗(yàn)，驗(yàn)證了陣列式感應(yīng)內(nèi)掃描加熱方式的可行性，結(jié)合補(bǔ)溫裝置以及回收裝置達(dá)到了預(yù)期的溫度和溫差控制的效果，涂層的厚度也得到了有效控制，最終實(shí)現(xiàn)了大直徑鋼管在不同厚度，外壁不規(guī)則焊件、開孔等條件下的熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂防腐工藝，本防腐工藝首次應(yīng)用到珠三角水資源配置工程，試驗(yàn)段項(xiàng)目中得到了較好的應(yīng)用，為后續(xù)同類水資源配置工程鋼管熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐施工的推廣具有極其重要的意義。