超大直徑鋼制彎管3PE全自動防腐設備的開發

高欣蕊， 黃流群， 何 清， 張付峰，袁希海， 肖松節， 白 楊， 丁維婭

（1. 鄭州萬達重工股份有限公司， 鄭州450000；2. 中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊065000）

0 前 言

隨著石油天然氣的廣泛應用及使用量快速增長， 管道的管徑也在逐步增大。 目前超大直徑彎管的防腐作業主要采用手工操作， 不僅效率低，生產成本高， 而且生產過程對環境污染大。 本研開發了一條超大直徑鋼制彎管自動化防腐生產線， 把噴涂及自動纏帶設計在一條生產線上， 同時利用噴涂余熱進行自動纏帶， 不但可以提高生產效率， 還能降低生產成本， 減少環境污染。

1 超大直徑鋼制彎管3PE 自動防腐設備設計

超大直徑鋼制彎管自動防腐設備由托輥系統、 中心回轉驅動、 中頻加熱系統熔結環氧粉末涂覆系統、 纏繞機、 二次加熱及碾壓機及冷卻系統中央控制系統組成。

1.1 托輥系統

固定托輥排布如圖1 所示， 圖1 中同心圓中心線為各管徑和鋼管理論中心線投影。 托輥下面布有預埋件， 不同曲率半徑 （不同管徑） 布置時， 需確定曲率半徑并根據曲率半徑焊接托輥兩端的固定塊。 每組托輥在不同曲率半徑時根據排布數量各焊有2 個固定塊， 這樣在調整不同曲率半徑時， 只需拆下固定塊上的緊固螺栓， 便可將托輥安裝到另一種曲率半徑的固定塊上， 即實現不同管徑的使用（進行大管徑小角度彎管防腐時應適當增加中間托輥， 增加托輥密度）。 立輥可拆卸， 在不需要3PE 防腐帶纏繞時， 可單獨進行雙環氧噴涂。 平托輥帶有離合器， 在使用中心回轉驅動時斷開離合器， 防腐彎管由推進臂驅動做回轉運動， 當不需要中心驅動時， 閉合離合器由減速電機帶動平托輥轉動， 從而帶動防腐彎管做回轉運動。

圖1 固定托輥排布示意圖

1.2 中心回轉驅動系統

中心回轉驅動系統如圖2 所示， 該系統由直臂、 彎臂和工藝彎臂等組成復合扇形環， 以一定的速度依次進行中頻加熱、 環氧噴涂、 纏繞、 二次加熱、 碾壓、 冷卻等。

圖2 中心回轉驅動系統現場照片

中心回轉通過減速機驅動小齒輪帶動回轉支承上的內齒， 使直臂接管及上蓋板沿回轉中心做圓周運動， 為直臂接管上連接的彎臂提供推進的驅動力。 直臂采用中心驅動， 由變頻電機通過中間回轉支承驅動直臂， 進而推動彎臂、 纏繞彎管、 工藝彎管所組成的圓環做回轉運動。 推進過程中， 采用固定通長結構， 端面布置好螺栓孔， 用來與推進彎臂進行連接。 更換不同管徑的產品只需更換相應的彎臂即可， 推進系統示意如圖3 所示。

圖3 推進系統示意圖

1.3 纏繞機

纏繞機 （如圖4 所示） 與中心回轉驅動裝置配合， 使防腐帶按一定螺旋角度并保持一定張緊力纏繞在彎管上， 并壓緊， 在彎管外形成防腐層。

圖4 纏繞機照片

在自動纏帶作業時， 主纏繞減速機通過鏈條傳動驅動主纏繞大鏈輪， 帶動托帶輥， 將預先纏在帶槽中的防腐帶纏到彎管上。 旋轉部分與機架通過主回轉支承隔離。 副纏繞減速機通過鏈條驅動副纏繞大鏈輪， 帶動帶槽作同一方向回轉運動，但回轉速度與主纏繞不一致。 副纏繞的回轉速度控制是根據防腐帶的張緊力， 通過變頻器的恒扭矩控制功能調節變頻電機轉速來實現的。 在試運轉期間， 需要確定管徑、 主纏繞轉速和副纏繞轉速以及推進機構間的參數關系， 從而設置變頻器參數。

2 自動化防腐生產

2.1 拋丸除銹

圖5 按照Sa2.5 級中不同級別進行自動噴射清理后彎管表面形貌

彎管表面涂敷之前應采用適當的方法將附著在彎管表面的油脂及其他雜質清除干凈， 彎管表面溫度應高于露點溫度3 ℃以上， 然后進行噴（拋） 射除銹。 通過自動化調整彎曲半徑運行裝置、 噴砂及回砂裝置的設計， 除銹質量等級應達到GB/T 8923.1 中Sa2.5 級的要求。

GB/T 8923.1 中Sa2.5 級為非常徹底的噴射清理， 在不放大的情況下觀察， 表面應無可見的油脂和污物， 并且沒有氧化皮、 鐵銹、 涂層和外來雜質。 任何污染物的殘留痕跡僅呈現為點狀或條紋狀的輕微著色， 按照Sa2.5 級中不同級別進行自動噴射清理后彎管表面形貌如圖5 所示。

傳統手工或動力工具清理后， 表面無可見的油脂和污物， 表面應具有金屬光澤， 按照St3 級中不同級別進行傳統手工清理后的彎管表面形貌如圖6 所示。

圖6 按照St3 級中不同級別進行傳統手工清理后的彎管表面形貌

對比圖5 和圖6 的表面形貌可以看出， 自動化拋丸除銹對彎管表面進行了非常徹底的噴射清理， 而傳統手工清理依然有污染物的殘留痕跡。

2.2 自動化噴粉

噴 （拋） 射除銹處理表面錨紋深度必須達到50～90 μm。 表面預處理完后， 所有的鐵銹、油污、 氧化皮等應清除干凈， 并應在4 h 內進行涂料的涂敷， 當表面返銹或污染時， 必須重新進行表面處理。 自動化噴粉設備現場照片如圖7 所示， 采用雙排多頭噴槍設計和靜電智能化吸附噴粉工藝， 其中涂料為環氧粉末， 環氧粉末厚度120～1 200 μm， 聚乙烯復合帶厚度2.8 mm。 彎管涂敷加熱溫度可調控， 但最高不得超過275 ℃（推薦溫度90～240 ℃）， 每小時應至少記錄1 次溫度。

圖7 自動化噴粉試驗現場照片

2.3 自動化纏帶

防腐帶纏繞系統設計了自動識別功能， 能夠根據彎管的長度和半徑按照軌跡進行作業， 纏繞速度與行進速度能夠進行多模式調整， 完全實現了自動化防腐生產。 同時， 該系統利用彎制余熱纏繞復合帶， 復合帶為輻射交聯聚乙烯。 自動化纏帶現場照片如8 所示。 自動化纏帶技術與傳統手工相比提高了效率， 利用彎制余熱節約了資源， 降低了生產成本。

圖8 自動化纏帶現場照片

3 應用結果與分析

試驗采用超大直徑Φ1 219 mm 彎管， 對彎管表面環氧層進行檢測。 環氧粉末涂料膠化時間和固化時間的測試溫度參照GB/T 23257―2017， 環氧粉末涂層的性能檢測數據見表1。 其中FBE涂層固化度檢測參照GB/T 23257―2017 附錄B， FBE 涂層附著力檢測參照GB/T 23257―2017 附錄G， 陰極剝離檢測參照GB/T 23257―2017 附錄C， 斷面孔隙率、 粘面孔隙率和界面雜質污染百分率檢測參照GB/T 23257―2017附錄F。

表1 環氧粉末涂層的性能檢測數據

在同一工藝條件下涂敷的試驗管端上截取試樣， 參照GB/T 23257―2017 附錄K 對防腐層整體性能進行檢測， 推進速度為10 mm/min，彎制角度為90°， 檢測結果見表2。

采用Φ1 219 mm 鋼制彎管進行自動化防腐生產， 并對彎管進行了防腐性能檢測， 檢測結果見表3。 由表3 可知， 彎管剝離強度高于標準要求，電火花檢測無漏點； 繞帶斜向指邊搭接寬度滿足標準要求； 防腐外觀無碳化、 無氣泡、 顏色均勻。

表2 防腐層性能測試結果

表3 Φ1 219 mm 鋼制彎管防腐性能檢測結果

4 結 論

（1） 環氧和噴砂設備采用自動化環形導軌輸送系統的獨特設計， 能方便、 快速地滿足各種規格彎管傳動時自動運行的需求。

（2） 自動化噴涂設備噴槍沿圓周方向雙排布局設計， 采用先進的靜電吸附技術， 大大降低了環氧粉末的浪費； 涂層的均勻性、 致密性及強度符合相關標準要求， 節約了生產成本。

（3） 防腐帶纏繞系統完全實現了自動化生產， 并充分利用彎制余熱進行纏帶作業， 替代原有預熱工序， 節約能源， 提高了勞動效率。