螺旋埋弧焊管內壁焊渣自動清理和防護裝置設計

吳成武， 王海生， 婁 剛， 王 磊， 李 斌

（1. 中國石油集團濟柴動力有限公司， 濟南 250300；2. 渤海裝備華油鋼管有限公司， 河北青縣 062658）

螺旋埋弧焊管是以帶鋼卷板為原材料， 經常溫輥彎成型， 以自動雙絲雙面埋弧焊工藝焊接而成的螺旋縫焊管。 該制造工藝能用較窄的坯料生產管徑較大的焊管， 還可以用同樣寬度的坯料生產管徑不同的焊管， 生產成本較低，工藝簡單[1-2]。 目前， 我國大直徑螺旋埋弧焊管已經實現了從原材料（板卷） 到成品管的全面國產化[3-4]， X80 高鋼級、 大壁厚、 大直徑鋼管已經廣泛應用于西氣東輸、 川氣東送、 中俄東線等重大油氣長輸管線中， 其用量已經進入全球領跑者行列[5-6]。 同時， 產品理化性能也獲得大幅度提升， 可滿足苛刻工況下的應用[7-9]。 在常用的鋼管訂貨技術標準中， 除了要求產品符合化學成分、力學性能、 尺寸等規定外， 還對鋼管表面質量提出了一定要求。 如GB/T 9711 對鋼管表面缺陷和缺欠做出了相關要求和處理規則[10]。 鋼管表面質量會影響鋼管的服役性能， 嚴重缺陷會影響鋼管生產效率和成品率， 增加企業成本。 本研究針對螺旋埋弧焊管內焊縫殘留焊渣和鋼管在線切割時產生的飛濺金屬所帶來的鋼管表面質量問題， 研制了一種鋼管內壁自動清理和防護設備， 以降低人工作業強度， 實現安全生產， 保證鋼管表面質量。

1 存在的問題和設計思路

1.1 存在的問題

在長期生產實踐中， 螺旋埋弧焊管內壁表面質量控制存在兩個問題： 一是殘余的焊渣皮會附著在內焊縫表面， 形成條帶狀粘接物， 影響內壁成型質量， 如圖1 （a） 所示； 二是采用空氣等離子切割機將鋼管切成規定長度的成品管時， 熔融的金屬液滴濺落到鋼管內壁形成焊瘤， 擴徑時形成壓坑， 嚴重影響表面質量， 如圖1 （b） 所示。

圖1 生產過程中的殘留焊渣和飛濺金屬污染

針對以上問題， 多年以來的解決辦法是人工清理打磨， 但耗時長、 勞動強度大、 清理質量一致性差、 存在安全隱患， 既影響了整體產品外觀質量， 也限制了制造成本的壓降空間。

1.2 設計思路

為解決以上問題， 設計了一種鋼管內壁自動清理和防護設備， 整體結構如圖2 所示。 該設備通過設計的弧形工作車承接鋼管切割時飛濺到管道內壁上的金屬液滴， 避免濺落到管壁上形成金屬凸起物， 保證鋼管表面光潔度。 工作車依靠重力作用、 萬向支撐輪結構及自動定位拖拽機構，可始終保持在管道底部、 焊縫上方進行焊渣皮清除作業， 清理和防護過程無需人工操作干預， 可實現自動化作業。

圖2 鋼管內壁自動清理防護裝置整體結構設計示意圖

2 關鍵結構設計

2.1 工作車

工作車采用三塊弧形鋼板鉸接而成， 可以根據鋼管直徑自適應調整整體曲率， 邊緣自帶拓展接口， 可以增加更多的防護板數量， 從而可以進一步拓展防護面積， 適應多種規格鋼管的生產需求。 底部安裝有多個萬向腳輪， 如圖3 所示， 腳輪自帶減震結構， 可以抵消焊縫凸起引起的周期性有害震動， 提高裝備使用壽命和工作穩定性。管道旋轉過程中， 在多組腳輪共同支撐作用下，工作車被平穩托舉， 并始終保持在管道底部預設高度位置。

圖3 清理防護工作車結構示意圖

工作車底部安裝有焊渣皮刮除機構， 通過調整刮鏟刃部與管壁距離， 可以保證焊渣皮刮除作業的力度、 角度和線速度協調一致， 使得焊縫表面質量得到有效控制。 工作車端部通過鋼絲繩與拖拽機構連接， 拖拽機構通過收、 放鋼絲繩調整工作車的軸向位置， 并使其底部安裝的焊渣皮刮鏟始終位于待清理焊縫的正上方。

2.2 拖拽機構

拖拽機構主要包括電控絞盤、 轉接支架和絞盤鋼絲繩， 如圖4 所示。 轉接支架通過連接螺栓安裝在鋼管焊接成型設備機架立柱側面， 電控絞盤安裝在支架水平面上， 鋼絲繩通過絞盤滾筒的旋轉收放帶動工作車沿著鋼管軸線前后移動。 電控絞盤既可以接收控制系統信號自動操作， 也可以接收遙控器信號實現手動操作， 便于在更換產品時進行工作車位置的手動微調。

圖4 拖拽機構和控制系統組成

2.3 控制系統

控制系統主要包括工作車位移傳感器和微電腦控制電箱 （圖4）， 采用拉繩式位移傳感器， 其工作原理是把拉繩伸縮的機械運動轉換成電信號。 拉繩位移傳感器內部是由可拉伸的不銹鋼繩繞在一個有螺紋的輪轂上， 此輪轂與一個精密旋轉感應器連接在一起， 傳感器外殼安裝在轉接支架底面固定位置上， 拉繩另一端連接在絞盤鋼絲繩中間的轉接器上， 工作車位置變化帶動拉繩伸展和收縮。 一個內部彈簧保證拉繩的張緊度不變。 帶螺紋的輪轂帶動精密旋轉感應器旋轉， 輸出一個與拉繩移動距離成比例的電信號。 測量輸出信號可以得出運動物體的位移、 方向或速率。

微電腦控制電箱內安裝有控制組件和存儲組件， 通過預先輸入不同規格鋼管產品對應的工作車位置數據， 可以通過數據調取與自動控制實現工作車位置的自動化調整， 省去了人工對正的復雜工序， 可有效提高工作效率和對正精度。 當工作車位置發生偏移時， 或者檢測到的位置數據與控制系統預設的數據不同時， 會反饋數據給控制系統進行實時調整。

3 運行過程

控制系統主機內可預先輸入并存儲不同規格鋼管對應的工作車位置數據信息， 生產過程中，根據生產訂單輸入產品型號， 顯示屏會顯示切割長度、 位置數據和實時偏差。 確認型號信息后，絞盤控制器接收位置調整信號， 控制電動絞盤順時針或逆時針旋轉， 實現絞盤鋼絲繩的延長或收縮， 將工作車位置自動調整至切割點下方， 用于承接鋼管切割時向內部濺落的熔融金屬。 工作過程中， 工作車底部安裝的焊渣皮刮鏟可一直保持在管道底部待處理焊縫的上方， 保證焊渣皮刮鏟可準確、 均勻地將殘余焊渣皮去除干凈。 如果運行期間工作車位置發生微小偏差， 位移傳感器會及時偵測出位移偏差數值， 并將調整信號實時傳送給控制器， 然后通過電控絞盤動作補償， 將工作車位置重新拉回正確位置。

4 應用效果

所研制的焊渣清理和防護設備在螺旋埋弧焊管生產線上進行了應用， 經處理后的鋼管內焊縫表面如圖5 所示。 使用本設備之前， 鋼管端部和內壁清理至少需要兩人共同作業， 使用多種工具去除飛濺鋼渣和焊渣皮， 操作繁瑣， 工作量大。部分粘接物由于面積大、 瞬間高溫形成半熔狀凸起金屬顆粒， 清理起來更加費時費力， 處理一根鋼管至少需要30 min 以上。 該裝置投入生產應用以后， 可在鋼管旋轉焊接過程中直接將焊渣皮清除干凈， 而且通過防護結構直接避免了鋼渣飛濺污染管壁， 因此無需再進行清渣和管端表面清理操作， 管壁表面質量得到提升， 降本增效作用顯著。

圖5 處理后的鋼管內焊縫表面

5 結束語

研制的螺旋埋弧焊管內焊縫焊渣自動清除和切割飛濺金屬防護裝備， 徹底解決了螺旋埋弧焊管生產過程中鋼管內壁焊渣清理困難、 表面質量控制不穩定的問題， 實現了自動化清理和防護。實際使用效果良好， 既省去了人工打磨清理工序， 又節省了成本， 提高了焊管生產效率和產品表面質量。