在役管線大修自動除銹設備的設計與實現*

賈 超

（中國石油天然氣管道科學研究院有限公司， 河北 廊坊065000）

0 前 言

我國于20 世紀70 年代建設的石油管道， 其防腐層大多采用石油瀝青[1]， 經過40 多年的運營使用， 管道防腐層已達到設計壽命[2]， 出現全面老化狀態， 部分管道已出現腐蝕甚至嚴重腐蝕[3]， 從而嚴重影響管道的運行安全， 因此通過防腐層大修， 延長埋地管道使用壽命， 確保管道安全平穩輸油[4]。 而防腐層大修前的首要核心環節就是管道除銹[5]， 但國內外在役管線防腐層大修除銹中， 大都采用人工作業模式[6]， 不僅效率低下， 而且在管道不停輸運行狀態下還會帶來很大的安全隱患[7]。基于此， 本研究以管道大修中的除銹環節為切入點， 研究設計了一套針對在役管線的自動除銹設備， 為管道大修實現機械化作業奠定基礎。

1 國內外管道防腐層大修除銹方式

目前， 國外管道除銹大多采用人工作業模式， 作業效率低， 施工人力成本高， 尤其在對大管徑管道除銹時， 作業難度大， 甚至有重大安全隱患[8]。 大直徑管道防腐層人工除銹作業現場照片如圖1 所示。

圖1 大直徑管道防腐層人工除銹作業現場照片

在國內， 管道補口作業已實現機械化除銹，尤其以中石油管道局研究院的環保型密閉除銹設備為代表[9]， 如圖2 所示。 該除銹設備機械化程度高， 可完全替代手工除銹， 改善作業環境， 減輕勞動強度[10]， 但目前僅限于機械化補口作業時對焊接管口進行除銹。 而對于管道大修這樣的系統性修復， 國內還是采用手工噴砂除銹或者手工磨砂輪除銹的方式， 目前還沒有機械化的施工設備。

圖2 國內管道防腐層除銹作業現場照片

2 管道防腐層自動除銹設備設計

2.1 機械設計

管道防腐層自動除銹設備三維模型如圖3 所示。 設備的主要組成包括機架、 回轉圈、 回轉支撐裝置、 輔助支撐裝置、 開合機構、 回轉驅動裝置、 機架鎖緊裝置及噴砂槍頭等。

圖3 管道防腐層自動除銹設備三維模型

設備整個機架采用航空鋁材料， 既保證了堅固性， 又減輕了設備質量。 其機械原理為： 先將回轉圈用回轉支撐裝置和輔助支撐裝置安裝在機架上， 回轉支撐裝置和輔助支撐裝置由支架、 滾輪和靠輪組成， 可通過簡便調節來達到支撐和導向的目的， 并可調節回轉圈與管道的同軸度； 輔助支撐裝置可以手動離合， 實現與回轉圈的接合與脫離； 打開開合機構使回轉圈下部張開， 將整個設備套在鋼管起始位置； 通過機架鎖緊裝置將整個裝置固定在管道上（水平管道可省略， 傾斜管道必須鎖緊）； 回轉驅動裝置固定在機架上，并通過驅動鏈輪與回轉圈嚙合； 回轉圈由回轉支撐裝置和輔助支撐裝置引導， 在回轉驅動裝置的驅動下沿鋼管周向做180°往復旋轉運動， 運動的同時帶動2 個噴砂槍頭往復旋轉， 在供氣系統和噴砂系統的作用下實現除銹。

2.2 控制系統設計

2.2.1 控制系統組成

控制系統由PLC 主控單元、 變頻單元、 顯示單元、 供電單元、 氣動單元、 無線遙控單元及加熱單元組成， 如圖4 所示。

圖4 管道自動除銹設備控制系統照片

（1） PLC 主控單元。 PLC 選用歐姆龍系列，共有20 個輸入點及20 個輸出點， 采用繼電器輸出方式[11]。 利用PLC 作為控制器， 取代傳統純接觸器和繼電器控制模式， 增強了系統穩定性[12]，提高了抗干擾能力， 而且可通過編程方便、 快捷地滿足不同的工藝要求[13]。

（2） 變頻單元。 使用施耐德變頻器[14]， 對機架的旋轉速度進行變頻控制， 在難除銹段速度慢一點， 在易除銹段速度快一點， 從而實現除銹速度可控。

（3） 顯示單元。 采用觸摸屏進行本地控制，取代原來的按鈕及開關方式的傳統控制模式， 一方面可以消除按鈕及開關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設備參數進行監控并報警， 比如電機過流、 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 參數等， 既保護了PLC 程序， 又能使操作人員根據工藝要求便捷修改相關數據[15]， 觸摸屏控制界面如圖5 所示。

圖5 控制系統觸摸屏控制界面

（4） 氣動單元。 可通過PLC 控制不同的電磁閥， 進而分別作用于不同類型的氣缸來實現機架抱緊動作和噴砂氣路開合等。

（5） 無線遙控單元。 引入無線遙控[16]， 實現本地及遠程兩種并行的控制模式， 通過遠距離操控， 可以讓作業人員遠離作業區， 最大程度地保障了人身安全（尤其為大管徑或溝下作業）。

（6） 加熱單元。 通過加熱控制可以保障該控制系統在-40 ℃的極寒條件下穩定運行， 提高了耐低溫特性。

2.2.2 控制系統程序設計

利用歐姆龍編程軟件Cx-Programmer 編寫程序[17-18]， 具體分為旋轉電機程序、 電磁閥控制程序、 初始化程序、 清洗程序、 排料程序和噴涂程序， 程序流程如圖6 所示， 部分程序如圖7 所示。

圖6 控制系統程序流程

圖7 控制系統部分程序示例

3 設備運行試驗

采用設計的管道自動除銹設備對Φ711 mm管道進行了大修除銹試驗驗證， 現場照片如圖8所示。

圖8 管道大修自動除銹試驗現場照片

將設計的自動除銹設備和傳統手工噴砂作業進行了對比， 結果見表1。 由表1 可以看出， 自動除銹設備相比人工除銹有以下優勢：①作業人數少， 人力成本低； ②作業效率高，勞動強度小； ③除銹效果一致性很好， 并不會因為人的體力限制， 而降低除銹質量。 同時，自動除銹設備也有其應用的局限性。 該設備適用于平緩或淺丘地帶的連續性大修作業， 不適合小修小補的離散作業模式， 且施工管道坡度不能大于15°。

表1 自動除銹設備與傳統手工噴砂作業對比

4 結束語

管道大修自動除銹設備的開發解決了傳統手工作業效率低下、 安全風險大的問題， 尤其對于在役長輸管道， 可以大大降低施工人員的勞動強度， 減小用工成本， 保證除銹質量， 對我國管道大修的機械化發展具有重要的意義。