油氣管道防腐補口裝備集成化研究*

王長江 張鋒 張華偉 劉然 徐淼

(1.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司 2.油氣管道輸送安全國家工程實驗室 3.中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司 4.中國石油管道局工程有限公司)

0 引 言

以中俄東線管道工程為標志，我國油氣管道開啟了“智能管道”建設時代，對整個施工過程提出了機械化作業要求[1-2]。在防腐補口領域，以自動除銹設備、中頻加熱設備及紅外加熱設備為基礎的機械化防腐補口方式取代了傳統手工防腐補口方式，實現了管道工程現場防腐補口的機械化流水作業，有效提升了防腐補口質量及施工效率[3-8]。然而，現有以單功能防腐補口設備簡單組合構成的防腐補口機組相對龐大、人員配置較多、施工組織困難及施工成本難以降低等問題日益突顯，嚴重制約了機械化補口技術與裝備的進一步推廣應用。

為解決單體組合式防腐補口模式存在的問題并為應用單位創造更大的經濟價值，本文結合熱收縮帶防腐補口施工工序特點，成功研發了基于除銹&中頻一體式設備與中頻&紅外一體式設備的集成化防腐補口裝備，同時制定了與之配套的補口工藝，實現了現有機械化補口裝備四工位施工方式向集成化補口裝備三工位施工方式的轉變，以及針對管道工程連續口、連頭口與返修口的不同集成化防腐補口裝備優化組合方式。針對智能管道與智慧管網建設的數字化移交要求，集成化防腐補口裝備控制系統融入了自主開發的數據采集與無線傳輸功能模塊，實現了防腐補口各工序中與需控制指標參數相關的關鍵施工數據的實時采集、存儲及與數據終端的無線傳輸。

1 集成化防腐補口裝備

集成化防腐補口裝備主要包含除銹&中頻系統與中頻&紅外系統，如圖1所示。除銹&中頻系統用于管道待補口區域除潮、除銹與預熱的同工位同步作業，主要由除銹&中頻一體式設備、控制系統(含中頻電源)、噴砂系統、液壓系統、空壓機和發電機等組成，如圖1a所示。中頻&紅外系統用于管道待補口區域底漆加熱與熱收縮帶收縮熔膠等工序的同工位同步作業，主要由中頻&紅外一體式設備、控制系統(含中頻電源)、液壓系統和發電機等組成，如圖1b所示。

圖1 集成化防腐補口裝備組成示意圖Fig.1 Schematic composition of the integrated jointcoating equipment

發電機為所有用電設備提供動力，液壓系統用于設備的開合，控制系統用于控制一體化設備的各項動作，空氣壓縮機為噴砂系統提供氣源，噴砂系統為除銹&中頻一體式設備提供高速磨料且實現磨料的循環利用與粉塵的分離回收。除銹&中頻一體式設備及中頻&紅外一體式設備為兩個系統的核心組成部分。

1.1 結構與工作原理

1.1.1 除銹&中頻一體式設備

除銹&中頻一體式設備主要由旋轉機構、除銹執行機構、弧形中頻機構、液壓開合機構、鏈式傳動組件、旋轉驅動機構、從動定位輪、分線盒、分液塊、支撐桿和限位開關等組成，如圖2所示。其布局方式與運行軌跡為：除銹執行機構采用電機驅動軸向移動，水平位置對稱布局；4塊弧形中頻機構的弧度與鋼管外圓弧面吻合，360°對稱布局，采用回字形線纜布局方式，中頻線纜首尾相接；采用周向旋轉與軸向移動相結合的往復循環運行軌跡，實現了對管道待補口區域的無遺漏除銹與全覆蓋加熱，如圖3所示。

1—旋轉機構；2—分線盒；3—分液塊；4—旋轉驅動機構；5—鏈式傳動組件；6—弧形中頻機構；7—從動定位輪；8—支撐桿；9—限位開關；10—除銹執行機構；11—旋轉軸；12—液壓開合機構。圖2 除銹&中頻一體式設備Fig.2 Rust removal & intermediate frequencyintegrated equipment

1—旋轉機構；2—弧形中頻機構；3—除銹執行機構。圖3 除銹與中頻布局方式Fig.3 Layout of rust removal and intermediatefrequency equipment

噴砂除銹是以壓縮空氣為動力，催動非金屬或金屬磨料高速噴射到需處理的工件表面，清除銹蝕和污物等，并產生一定的表面粗糙度[9-14]。中頻加熱是以中頻交流電產生的交變磁場對處于其中的工件通過感應電流加熱[15-20]。除銹&中頻一體式設備應用時，根據具體施工環境及除銹質量檢測用時對溫降的影響，預先設定高于底漆涂刷要求的合適溫度。噴砂除銹動作與中頻加熱同時開啟，當溫度達到預設溫度時停止中頻加熱，當噴砂除銹與指標檢測完成時，預熱溫度剛好滿足底漆涂刷的溫度要求，實現了待補口區域除銹與預熱的同工位同步作業。

1.1.2 中頻&紅外一體式設備

中頻&紅外一體式設備主要由骨架、中頻加熱機構、紅外加熱機構、液壓開合機構、快速入位機構、支撐輪、線液分輸盒、加強架、遮熱板和擋風板等組成，如圖4所示。紅外加熱機構由7組紅外輻射板組成，與中頻加熱機構的中頻線纜采用間隔布局，實現了中頻與紅外的內、外協同加熱，如圖5所示。

1—骨架；2—支撐輪；3—線液分輸盒；4—加強架；5—中頻加熱機構；6—紅外加熱機構；7—遮熱板；8—快速入位機構；9—擋風板；10—液壓開合機構。圖4 中頻&紅外一體式設備Fig.4 Intermediate frequency & infrared integrated equipment

紅外加熱是一種輻射傳熱的過程，利用紅外輻射板發射出來的紅外線照射被加熱物料，使物料吸收紅外線后內部分子和原子“共振”產生熱能，達到加熱目的[21-25]。紅外加熱機構由7組紅外輻射板組成三個獨立功能區，中間組為一區、緊挨中間組的兩組為二區、剩余組為三區。綜合考慮發電機功率和加熱效率等因素，在中頻電源的額定功率內合理選擇中頻加熱機構所用的具體功率。根據底漆加熱與熱收縮帶收縮、熔膠等施工工序的具體要求，可選擇中頻定功率分時段加熱與紅外分區加熱的協同加熱方式，以達到最佳的加熱效果，繼而實現以上工序的同工位同步作業。

1.2 關鍵技術

1.2.1 待補口區域表面處理與預熱同步作業

通過噴槍橫向行走機構與弧形中頻加熱機構的分角度對稱布局、中頻線纜回字形繞線與圈數選定、運行軌跡的設定與優化，實現了自動除銹與中頻加熱的一體化設計、沿軌跡運行時的管口表面無遺漏自動除銹及全覆蓋中頻加熱的同步作業，保證了除銹質量與預熱溫度同時達到管道工程防腐補口施工要求，有效提高了施工效率。

1.2.2 底漆加熱固化與熱收縮帶安裝同工位施工

通過多覆層耐高溫中頻線纜與條形紅外輻射板的間隔循環布局、中頻加熱功率的合理選定、紅外加熱機構的合理分區，實現了中頻加熱與紅外加熱的一體化設計以及底漆加熱固化與熱收縮帶安裝工序的同工位施工。

1.2.3 熱收縮帶收縮與熔膠的協同加熱

通過定功率分時段中頻加熱與分區紅外加熱的疊加效果研究，確定了紅外分區加熱與中頻計時加熱進行熔膠的內外協同加熱組合方式，提高了加熱效率，保證了熱收縮帶安裝質量。

2 補口工藝

管道工程現場熱收縮帶補口施工主要采用干膜施工，結合一體式設備特點與試驗效果，確定集成化防腐補口裝備的施工工序如下：

待補口區域預處理、除銹(含搭接區PE處理)與預熱→底漆涂刷→熱收縮帶安裝→底漆加熱與熱收縮帶收縮→熱收縮帶熔膠→排氣泡→封膠條，并確定具體補口工藝要求(見表1)。

表1 補口工藝要求Table 1 Technical requirements for joint coating process

3 模擬試驗與工程測試

本文針對管徑1 219 mm鋼管，結合制定的補口工藝進行了集成化防腐補口裝備的模擬試驗，優化了施工方式，并在中俄東線天然氣管道工程南段五標段進行了工程測試，模擬試驗與工程測試分別如圖6和圖7所示。試驗結果表明，集成化防腐補口裝備與補口工藝實現了機械化防腐補口流水作業，簡化了機組設備構成和人員配置，提高了施工效率，降低了施工成本。

圖6 模擬試驗Fig.6 Simulation tests

圖7 工程測試Fig.7 Operation tests

3.1 施工方式

集成化防腐補口裝備實現了現有熱收縮帶機械化補口施工形式由基于除銹、中頻、紅外的“三車四工位”與“四車四工位”及基于除銹與中頻的“三車四工位”向“二車三工位”的轉變，如圖8所示。

圖8 施工組織方式示意圖Fig.8 Schematic diagram of construction organization

基于除銹/中頻/紅外的“三車四工位”與“四車四工位”是指3臺或4臺單功能作業車完成四個補口工位的全部補口工序而實現機械化流水作業的施工形式。該方式的工位一和工位四分別由自動除銹作業車和紅外加熱作業車獨立完成。工位二與工位三的區別在于“三車四工位”的中頻加熱作業車需要反復進退完成工位二與工位三的作業，而“四車四工位”的兩臺中頻加熱作業車分別獨立完成工位二與工位三的作業，如圖8a所示。

基于除銹/中頻的“三車四工位”是指3臺單功能作業車完成4個補口工位的全部補口工序而實現機械化流水作業的施工形式。該方式的前3個工位由相關設備完成，而熱收縮帶安裝工位需要火把完成熱收縮帶的收縮，而后由中頻加熱作業車完成熱收縮帶的熔膠，最后由火把進行PE搭接區的補償熔膠，以保證熱收縮帶安裝質量，如圖8a所示。

集成化補口裝備的“二車三工位”是指2臺雙功能作業車完成3個補口工位的全部補口工序而實現機械化流水作業的施工形式，如圖8b所示。除銹&中頻作業車同工位同步完成待補口區域表面處理與預熱兩種工序，中頻&紅外作業車同工位協同完成底漆加熱與熱收縮帶安裝兩種工序。

3.2 對比分析

結合機組設備構成、人員配置、施工效率、機械化程度和施工成本等因素，進行不同形式的機械化防腐補口對比分析，結果如下。

3.2.1 設備構成與人員配置

集成式機械化防腐補口二車三工位的基本配置為2輛工程作業車與7名工人；基于除銹/中頻/紅外的機械化防腐補口三車四工位與四車四工位的基本配置分別為3輛工程作業車與9名工人、4輛工程作業車與11名工人；基于除銹/中頻的機械化補口三車四工位的基本配置為3輛工程作業車與13名工人。

3.2.2 施工效率

機械化防腐補口流水作業施工效率取決于用時最長的工序，集成式機械化防腐補口二車三工位與基于除銹/中頻/紅外的機械化防腐補口四車四工位的整體效率相當，但熱收縮帶安裝效率更高；基于除銹/中頻/紅外的機械化防腐補口三車四工位次之，整體效率取決于中頻作業車反復移位用時；基于除銹/中頻的機械化補口三車四工位熱收縮帶安裝用時最長，施工效率最低，尤其是在低溫環境下。

開放創新是“地平線歐洲”為以更大的力度支持突破性創新，加速知識資本向適應市場的產品、服務和商業模式轉化而在其研發計劃下新設立的支柱領域，目標在于扶持各種以市場為導向的創新活動，支持面向市場的創新和成果轉化。

3.2.3 機械化程度

集成式機械化防腐補口二車三工位與基于除銹/中頻/紅外的機械化防腐補口的三車四工位與四車四工位除底漆涂刷外均實現了機械作業，機械化程度相當，但集成式防腐補口裝備實現了多功能化，可一機多用；基于除銹/中頻的機械化補口三車四工位的底漆涂刷、熱收縮帶收縮與補償熔膠均采用人工操作方式，機械化程度最低。

3.2.4 施工成本

本文主要從車輛油耗、用電設備功率、人員費用與液化氣消耗等方面進行比較。集成式機械化防腐補口二車三工位施工成本最低；基于除銹/中頻/紅外的機械化防腐補口三車四工位施工成本次之；基于除銹/中頻的機械化補口三車四工位的施工成本再次之；基于除銹/中頻/紅外的機械化防腐補口四車四工位的施工成本最高。

綜上，集成式機械化防腐補口的設備構成與人員配置最少，施工效率及機械化程度最高，施工成本最低。

3.3 數據采集與無線傳輸

智能管道與智慧管網的建設要求管道施工時對影響施工質量的關鍵數據進行全數字化移交[26-29]。集成化防腐補口裝備通過將自主研發的數據采集與無線傳輸模塊融入控制系統，實現了待補口區域表面處理、預熱及熱收縮帶收縮與熔膠等工序的關鍵施工數據的實時采集與存儲，與焊口二維碼、施工人員編碼關聯整合后無線傳輸至數據接收終端。

4 集成化補口裝備優化組合建議

5 結 論

(1)集成化防腐補口裝備的一體化設計，實現了管道待補口區域除銹與預熱工序的同工位同步作業，以及底漆加熱與熱收縮帶收縮熔膠的同工位協同作業。

(2)集成化防腐補口裝備與工藝實現了“二車三工位”的機械化防腐補口流水作業，簡化了機組施工方式、設備構成與人員配置，提高了施工效率，降低了施工成本。

(3)自主開發的數據采集與無線傳輸功能模塊的融入，實現了集成化防腐補口裝備關鍵施工數據的實時采集、存儲及與數據終端平臺間的無線傳輸，為數字化移交與完整性管理提供了數據支撐。

(4)針對不同類型焊口提出的優化組合方式，為工程單位合理選擇與優化配置集成化防腐補口裝備提供了參考依據。