帶加勁環(huán)及注漿孔大直徑鋼管自動補溫工藝應用效果分析

李世增，柳 志，吳海宏，林江濤，黎卓豪

(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研究中心，廣東 廣州 511340；3.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣東 廣州 511340)

1 概述

珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目輸水管道內(nèi)徑為4 800 mm的大直徑鋼管，鋼板厚度為14～22 mm。加勁環(huán)高為120 mm，寬為24 mm，間距為1.5 m，內(nèi)壁要求采用FBE防腐工藝進行保護。目前大直徑鋼管FBE防腐工藝對鋼管是利用中頻感應內(nèi)壁加熱方式對鋼管進行加熱，在鋼管表面處理和涂敷預熱溫度對3PE防腐層性能指標的影響中提出，鋼管的預熱一般需旋轉一個恰當?shù)臏囟炔艜乖牧媳舜碎g達到最好的防腐效果，鋼管加熱溫度控制在210℃時，環(huán)氧粉末固化度為最佳。

鋼管加熱的厚度不變且無其他特殊結構時，利用中頻加熱可以很方便的實現(xiàn)溫度均勻度控制，但遇到設有加勁環(huán)、注漿孔的特殊鋼管，僅利用中頻感應內(nèi)壁加熱由于結構發(fā)生突變會使加勁環(huán)、注漿孔處和鋼管其他部位將出現(xiàn)較大溫差，其溫差大于±35℃甚至更高，溫度未達到或超出的部位防腐材料容易從管壁脫落或顏色發(fā)黑，影響鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了解決特殊鋼管加熱時的溫差控制，通過對粉末固化溫度和粉末涂料與涂裝的技術要求的分析，提出在外壁增設一套自動補溫裝置，該裝置將待加熱鋼管通過運動模塊軸向運動，中頻加熱模塊對內(nèi)管壁進行加熱，同時待加熱鋼管通過旋轉組件繞自身軸線旋轉，待加熱鋼管的外側設置應用于檢測加勁環(huán)位置并針對加勁環(huán)部分進行加熱的補溫加熱模塊，通過多組中頻加熱模塊與補溫加熱模塊工藝試驗應用與效果分析，實現(xiàn)了加勁環(huán)處內(nèi)壁、注漿孔周邊與管內(nèi)壁其他正常部位的溫差控制在±10%以內(nèi)。該工藝已經(jīng)在珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目內(nèi)得到了推廣應用，效果良好。

2 自動補溫系統(tǒng)工藝介紹

該工藝由運動模塊、中頻加熱模塊、補溫加熱模塊以及中控系統(tǒng)模塊四大部分來組成(如圖1所示)。

圖1 各模塊示意

2.1 運動模塊

運動模塊利用防腐專用滾輪架實現(xiàn)鋼管軸向螺旋前進，利用布置在滾輪架兩邊的導軌實現(xiàn)補溫裝置的軸向與徑向的位置調(diào)節(jié)(如圖2所示)。其中滾輪架的主動輪、被動輪分別設置在待加熱鋼管的軸向兩端，主動輪支架與被動輪與支架底座相連，防腐滾輪架置于地面導軌上；加勁環(huán)補溫與漿孔補溫裝置分兩側布置在防腐滾輪架上，由控制單元電驅動控制運動。

圖2 中頻加熱模塊與補溫加熱示意

2.2 中頻加熱模塊

中頻加熱模塊采用1臺1 500 kW可控硅中頻電源(見圖2)，加熱方式為管道內(nèi)壁加熱，感應器采用扇形交叉陣列結構，分為4片。感應器通過控制線路與中控系統(tǒng)模塊連接，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、固化時間由中控系統(tǒng)設定進行自動調(diào)整。

2.3 補溫加熱模塊

2臺高頻感應加勁環(huán)補溫與漿孔補溫裝置分兩側布置在防腐滾輪架上，圖3是由加熱設備對加勁環(huán)和注漿孔進行補溫，功率分別為60 kW，120 kW，電源采用IGBT形式，補溫電源技術參數(shù)見表1。包括軸向直線導軌、與直線導軌配合設置的直線電機、檢測元件(光電測距感應器)、外部高頻感應加熱器以及單片機。其中直線導軌設置在滾輪架上；軸向電機上設置有朝向待加熱鋼管的光電測距感應器、徑向移動單元和高頻感應加熱器。中頻加熱模塊與補溫加熱模塊工藝試驗流程如圖4所示，圖5～7為補溫裝置實物示意。

圖3 加勁環(huán)補溫與漿孔補溫裝置示意

表1 60 kW/120 kW補溫電源技術參數(shù)

圖4 中頻加熱模塊與補溫加熱模塊工藝流程

圖5 注漿孔補溫裝置實物示意

圖6 控制單元示意

圖7 加勁環(huán)補溫裝置實物示意

在加熱待噴涂鋼管時，控制光電測距感應器采集待加熱鋼管與其距離，并將該距離數(shù)值發(fā)送至單片機中；當上述距離值發(fā)生變化時，通過單片機中預載的程序判斷該距離數(shù)值是變大還是變小，如果距離值變小，則該處為加勁環(huán)位置，此時，單片機控制高頻感應加熱器開始工作；在高頻感應加熱器工作2～5 min后，利用高頻感應加熱器將鋼管加勁環(huán)補溫至110℃并保溫。噴涂完成后，單片機控制直線電機沿直線導軌運動，此時，上述的距離數(shù)值從小變大，并持續(xù)保持；直到該距離數(shù)值再次變小，重復上述步驟。

2.4 中控系統(tǒng)模塊

中央控制系統(tǒng)包括實時畫面顯示、數(shù)據(jù)采集處理兩部分組成。實時畫面系統(tǒng)包括在噴槍位置，待噴粉鋼管表面位置，加熱位置各設置1套在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，中控室操作者可以及時跟進噴粉區(qū)域的工作情況。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可對各主要設備自動采集、記錄、報警等功能，整個控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)化，可視化。

在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中設置了1臺高精度熱成像儀，對鋼管內(nèi)壁溫度進行檢測，圖8為高精度熱成像儀工作截圖，設備性能如下：

1) 可以實時在線監(jiān)測，多點測溫，最多可以設置100個以上溫度監(jiān)測點；

2) 對整個加熱周期過程控制，報警并記錄；

3) 熱成像儀(1 024×768分辨率)溫度精度為±1.5℃；

4) 空間分辨率：0.49 mRa，熱敏度：30℃目標溫度時，≤0.05℃。

圖8 高精度熱成像儀工作示意

3 工藝性能對比

針對不同鋼管壁厚、加勁環(huán)不同焊法和不同厚度、注漿孔不同厚度的情況對噴涂區(qū)域溫度均勻性的影響，經(jīng)多次試驗驗證，噴粉區(qū)域的最佳溫度點為210℃～230℃，溫差控制在±10℃，采用加勁環(huán)加熱補溫的方式，可以滿足溫度均勻性要求。

3.1 加勁環(huán)區(qū)域

由圖9可見，未經(jīng)加勁環(huán)補溫時，加勁環(huán)區(qū)域外的點4(Point 4)溫度為184.3℃，而位于加勁環(huán)區(qū)域中心的點1(Point 1)僅為145.4℃，加勁環(huán)相鄰區(qū)域鋼管內(nèi)壁溫差在29℃～40℃，遠超±10℃的技術要求。

圖9 加勁環(huán)補溫前熱成像示意

經(jīng)過加勁環(huán)補溫之后(加勁環(huán)補溫至110℃)，Line 4為圖9中點1和點7加勁環(huán)相同測溫點位(如圖10所示)，補溫前的溫度范圍在145.4℃～160.4℃之間，通過補溫，使得加勁環(huán)位置溫度升至209～216℃之間，且與相鄰區(qū)域溫差控制在3℃～15℃(Line 1～Line 4)?？梢娂觿怒h(huán)溫差問題通過加勁環(huán)補溫，得到了良好的解決，可以滿足±10℃的溫差要求。

圖10 加勁環(huán)補溫后熱成像示意

3.2 注漿孔區(qū)域

由圖11可見，環(huán)線范圍以外未噴涂區(qū)域，環(huán)線內(nèi)因鋼管圓內(nèi)現(xiàn)場需要補焊注漿孔，故對注漿孔區(qū)域直徑300 mm范圍貼鋁箔紙，不做噴涂。環(huán)線部位最低溫P3處僅為162.4℃，最高溫C1處可達231.2℃，注漿孔未補溫相鄰區(qū)域的溫差為70℃，采用補溫功能后(如圖12所示)，環(huán)線部位溫度得到了改善，最低溫度P11處為189.7℃，最高溫度P6處為201.9℃，噴涂區(qū)域溫差降為12.2℃，滿足±10℃的技術要求，注漿孔溫差問題得到較好解決。

圖11 補溫前注漿孔區(qū)域熱成像示意

圖12 補溫后注漿孔區(qū)域熱成像示意

通過先進的熱成像技術，對鋼管的加勁環(huán)、注漿孔等處進行分析，可以得出自動補溫工藝與傳統(tǒng)工藝的技術優(yōu)勢：鋼管采用外補溫可以有效縮小鋼管常規(guī)內(nèi)壁與加勁環(huán)處鋼管內(nèi)壁的溫差。

4 結語

1) 帶加勁環(huán)及注漿孔大直徑鋼管自動補溫工藝

該工藝是一套適合帶加勁環(huán)及注漿孔大直徑鋼管的自動補溫工藝，該工藝由鋼管運動模塊、中頻加熱模塊、補溫加熱模塊以及中控系統(tǒng)模塊四大部分組成。其中運動模塊負責帶動鋼管旋轉移動，中頻加熱模塊用于加熱待防腐鋼管；補溫加熱模塊用于加勁環(huán)、灌漿孔等不易加熱的部位補溫加熱；中控系統(tǒng)模塊用于終端控制。

2) 傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代工藝對比改進及效果

加勁環(huán)區(qū)域：與傳統(tǒng)無補溫工序的FBE防腐工藝相比，該工藝在加勁環(huán)區(qū)域內(nèi)壁實現(xiàn)了鋼管內(nèi)壁的溫差減少到3℃～15℃，內(nèi)壁溫度差控制在技術要求允許的范圍內(nèi)，即210℃±10℃。

灌漿孔區(qū)域：與傳統(tǒng)無補溫工序的FBE防腐工藝相比，該工藝在灌漿孔區(qū)域也達到了良好效果，將其溫度差由70℃減少到了20℃以內(nèi)，處于壁溫度差控制在技術要求允許的范圍內(nèi)，補溫效果良好。

3) 工藝應用效果

目前，該工藝已經(jīng)在珠三角水資源配置工程試驗段項目中試制了幾節(jié)12 m鋼管，并取得了理想效果，解決了中頻感應加熱粉末噴涂工藝中加勁環(huán)、注漿孔受熱不均勻而導致鋼管溫差過大的問題。通過“中頻加熱+加勁環(huán)補溫”的方式，使鋼管內(nèi)外部均勻受熱升溫，減少溫差，最終達到噴粉區(qū)域溫差為±10℃的技術要求。該工藝具有裝置結構簡單，工作效率高，噴涂區(qū)域溫差小的優(yōu)點，適合在相類似的大直徑鋼管或其他水工金屬結構推廣使用。