螺旋焊管內防腐涂覆設備的設計

張賀，葛云*,,，孫超，蔡文軍，吳清明，楊成

螺旋焊管內防腐涂覆設備的設計

張賀1，葛云*,1,2，孫超1，蔡文軍2，吳清明2，楊成2

（1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.石河子開發區天浩管業有限責任公司，新疆 石河子 832014）

為提高焊管內防腐作業過程中涂塑粉末附著率，降低粉塵飛濺，設計一種螺旋焊管內防腐涂覆設備。該設備由軌道傳動系統、撒涂槍等部分組成，對涂塑原料供給量及涂覆位置的控制更為精準。現場使用效果表明，該設備能夠實現不同直徑焊管的內防腐涂覆，管徑范圍為219～3220 mm，并且可同時涂覆多根焊管。撒涂槍移動速度與涂塑原料供給速度相匹配便可實現涂塑原料的均勻涂覆，涂層壁厚差小于0.2 mm，防腐焊管人眼外觀平整度不合格率小于1%，設備能夠滿足生產需求。

焊管；內防腐；環氧粉末；撒涂槍

焊管內防腐方法主要有熱軋不銹鋼復合管、電弧噴焊不銹鋼防腐層、3層結構聚乙烯（3 polyethylene，3PE）的防腐形式和熔融結合環氧樹脂粉末涂層（Fusion Bonded Epoxy，FBE）等方案[1]。熱軋不銹鋼復合鋼板是使用中厚板軋機或熱連軋機軋制生產而成，具有不可剝離性，而且復合組坯及軋制工藝很大程度上影響熱軋不銹鋼復合鋼板的綜合性能[2]。電弧噴焊不銹鋼防腐層能提高表面耐磨性，但金屬防腐層的抗荷能力以及其與主體之間結合力都比較低[3-4]。3PE涂層由于涂層粘接結構的復雜性等原因，多應用于管道外防腐方面，管道內防腐應用較少[5]。美國氣體協會對多種防腐原料進行了研究，認為FBE具有良好的抗氧滲透性和防腐特性，是最適合管道內防腐的涂料[6]。FBE粉末主要由較為活潑的極性集團組成[7]，具有優異的附著力。如果固化溫度達到230℃，則FBE涂層可能與鋼鐵表面形成化合鍵，附著力進一步提高[8]。

現階段熱固性環氧樹脂粉末涂塑工藝主要采用壓縮空氣進行噴涂作業，要求壓縮空氣必須干燥。若含有水分，則會造成熔融后的FBE涂層中產生因水分揮發生成的氣泡，從而降低FBE與鋼管之間的附著力[9]。而且由于采用高壓氣流帶動粉末進入鋼管內部，所產生的粉塵飛濺比較大，粉末附著率很難控制，造成涂覆產品表面不光滑、原料浪費比較大、對環境污染比較嚴重等一系列問題，對操作工人身體健康也會造成一定影響。

因此，本文旨在研發一種能夠提高熱固性環氧樹脂涂塑粉末附著率、降低粉塵飛濺、更為環保的螺旋焊管內防腐涂覆設備。

1 內防腐涂覆設備結構與工作過程

1.1 總體結構與工作過程

內防腐涂覆設備如圖1所示，主要由管道加熱系統、軌道傳動系統、撒涂槍、自動上料系統、滾涂轉管平臺等部分組成。內防腐涂覆設備工作過程為，首先由管道運移設備將待涂覆的螺旋焊管運輸至流化床，啟動管道加熱系統加熱螺旋焊管達到工藝要求的指定溫度，使FBE粉末與鋼管一接觸就熔化，余熱使FBE涂料進一步流動并完整覆蓋待涂覆鋼管內表面。然后伺服控制系統控制軌道傳動系統進行前后運動，繼而將撒涂槍平行插入螺旋焊管內部。驅動電機帶動撒涂槍內部絞龍旋轉將防腐涂料輸送至撒涂槍頭部，啟動多功能滾涂轉管平臺使焊管沿軸向做旋轉運動[10]，同時軌道傳動系統帶動撒涂槍在鋼管內移動，即可將防腐粉末均勻地涂敷到焊管的內壁上。

1.2 軌道傳動系統設計

軌道傳動系統負責撒涂槍沿焊管軸向方向的進給，由伺服電機、傳動鏈條、軌道等部分組成，如圖2所示。撒涂槍通過支撐架平行置于導軌上方，從而實現水平往復運動。撒涂槍位移的進給量與進給速度由伺服電機控制，根據焊管長度調節撒涂槍位移的進給量，同時根據鋼管管徑與噴涂厚度要求調節進給速度，確保涂塑原料的均勻噴涂。傳動系統由伺服電機搭配二級鏈條鏈輪傳動。鏈傳動是一種通過鏈條的鏈節與具有特殊齒形鏈輪的輪齒相嚙合將主動鏈輪的運動和動力傳遞給從動鏈輪的傳動方式。鏈條傳動可用于長距離動力傳遞，容許張力高，可用于重物傳送，過載能力大，與帶傳動相比，幾乎不存在彈性滑動和打滑現象，需要的鏈間張緊力小，作用于軸上的壓力小。而二級傳動的優勢在于，減小轉速的同時提高轉矩，可以調節輸出的性能，而且運行更加平穩可靠，使用壽命長。

1.機架；2.傳動軸；3.軌道；4.支撐架；5.主動鏈條；6.從動鏈條；7.支撐板；8.撒涂槍驅動電機；9.滑輪； 10.伺服電機；11.主動鏈輪；12.從動鏈輪1；13.咬合滑塊；14.撒涂槍；15.從動鏈輪2。

軌道傳動系統是將伺服電機的旋轉運動轉變成軌道的直線位移運動。進行傳動工作時，伺服電機帶動主傳動鏈條做回轉運動，所以伺服電機轉速即為主動鏈輪轉速。主動鏈條帶動傳動軸作同一方向旋轉運動，繼而帶動與傳動軸連接的從動鏈條做回轉運動。電機滑臺下方的滑塊與從動鏈條相嚙合，通過從動鏈條回轉運動，實現滑臺沿軌道進行直線往復運動。該二級鏈傳動方法運動過程中不存在彈性滑動和滑差，得到的平均傳動比準確。

當鏈條與相應的鏈輪嚙合時，嚙合的鏈條將彎折成正多邊形中的一部分。多邊形的邊長為，邊數為1，主動輪鏈傳動的速度分析如圖3所示。根據圖3，有：

為剛與鏈輪嚙合的鏈節；1為鏈條在處的瞬時線速度；v1為1在水平方向的分量，牽引鏈條水平轉動；v1為1在垂直方向的分量，帶動鏈條上下運動；為1與水平方向的夾角；1為主動鏈輪圓心；1為主動鏈輪瞬時角速度；1為主動鏈輪的分度圓半徑；1為與后一個鏈節及主動鏈輪圓心形成的夾角。

圖3 主動輪鏈傳動的速度分析

同理，對于從動鏈輪1有：

因為主動鏈輪與從動鏈輪1的水平線速度一致，所以有：

鏈傳動平均傳動比為：

鏈條的平均線速度為：

在本系統中，從電機主動鏈輪到從動鏈輪2的總傳動比等于各級齒輪傳動比之積，即：

則有：

將式（8）代入式（9），得：

1.3 撒涂槍的設計

撒涂槍是整個設備的關鍵。該撒涂槍設計的目的是提高防腐原料附著率及涂塑原料利用率。此機構需要完成進料→送料→噴涂至鋼管內壁等系列動作，同時確保鋼管的準確定位及噴涂質量。撒涂槍由殼體、絞龍、上料斗及驅動電機等部分組成[11]，如圖4所示。

1.電機；2.絞龍；3.上料斗；4.旋轉輥；5.支撐座；6.底輪 7.外殼。

撒涂槍的外殼為內部空心的圓柱形薄壁，采用隔熱材料制作，能夠保證涂塑原料在通過絞龍供給出料口的過程中，不會造成涂塑原料化學性質發生變化，進一步提高防腐效果。絞龍平行于中空圓柱形外殼的軸向方向安裝在殼體內，驅動電機的輸出軸連接絞龍，帶動絞龍轉動繼而運輸涂塑原料。安裝于殼體外部的旋轉輥起到支撐鋼管的作用，并且在滾涂轉管平臺力的作用下使得鋼管能沿軸向順滑旋轉，底輪可使撒涂槍在鋼管內部平穩進行前后運動，并減少撒涂槍與鋼管之間的摩擦。針對不同管徑的焊管，只需更換相應尺寸的旋轉輥，即可保證撒涂槍軸向與焊管軸向重合。

撒涂槍的工作流程為：首先將螺旋焊管加熱達到工藝要求的溫度，向上料斗內加入涂塑原料。然后輸送軌道將撒涂槍伸入到鋼管內，開啟驅動電機帶動絞龍旋轉，進而將放置在上料斗內的涂塑原料輸送至出料斗處。涂塑原料經由撒涂槍出料斗噴涂至鋼管的內壁上，而后軌道傳動系統帶動撒涂槍在鋼管內前后移動，同時轉管平臺帶動鋼管沿軸向轉動。撒涂槍相對于鋼管的移動速度適配于涂料的供給速度便可將涂料均勻地涂覆于鋼管內壁。

上料口位于絞龍上方，方便防腐涂料的填加與控制。通過上料口的設置，可控制涂塑原料的排放量，為：

2 應用結果與分析

試驗采用本文螺旋焊管內防腐涂覆設備對Q235B鋼管進行自動化防腐生產，采用環氧樹脂粉末做為內防腐涂覆原料。涂覆效率是評定螺旋焊管內防腐涂覆設備工作能力的重要指標，所以選取不同直徑焊管進行單位時間內防腐涂覆效率檢測。防腐涂層厚度和平整度是衡量涂層質量的重要標志，通過對涂層厚度和平整度的檢測，除了可以認定有尺寸要求的管件是否合理外，還能直接或間接的評估涂層的耐蝕性、耐磨性等性能，所以對防腐涂層進行性能檢測。同時為了驗證螺旋焊管內防腐涂覆設備工作時是否會對環境造成污染，對環氧樹脂粉末涂覆環境進行粉塵檢測。焊管防腐外觀檢測和涂層厚度檢驗參照SY/T 0442－1997[12]，粉塵檢測參考GBZ 1－2010[13]。不同直徑焊管涂覆效率如表1所示。環氧粉末涂層的性能檢測數據如表2所示。

檢測結果表明，螺旋焊管內防腐涂覆設備能夠實現不同直徑焊管的防腐材料涂覆，焊管直徑范圍為219～3220 mm。

加工出來的防腐焊管人眼外觀平整度不合格率＜1%。并且降低了涂覆過程中的揚塵率，減少對環境的影響，提高生態效益。焊管內防腐效果如圖5所示。

表1 不同直徑焊管的涂覆效率

表2 環氧粉末涂層的性能檢測數據

圖5 焊管內防腐效果圖

3 結論

焊接加固技術能夠確保用于遠距離油氣運輸的專用焊管整體結構穩定，而采用防腐蝕技術能夠直接讓用于遠距離油氣運輸的專用管道產品使用壽命大大增加。本文提出的螺旋焊管內防腐涂覆設備，撒涂槍采用旋轉輥加底座的獨特設計，能滿足不同直徑焊管的防腐材料涂覆，直徑范圍為219 mm～3220 mm，并且可同時涂覆多根焊管。設備通過調整軌道傳動系統速度繼而調整撒涂槍移動速度，通過調整驅動電機轉速，即可調整涂塑原料的供給速度，鋼管相對于撒涂槍移動的速度適配于涂塑原料的供給速度即可確保涂塑原料均勻地供給到鋼管內壁上，涂層壁厚差＜0.2 mm，防腐焊管人眼外觀平整度不合格率＜1%。此方法代替傳統的高壓氣體供給方式，對涂塑原料供給量的控制更為精準，能夠提高涂塑粉末附著率，降低粉塵飛濺，更為環保，避免涂塑粉末原料的浪費，提高產品質量。

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Design of Anti-Corrosion Coating Equipment in Spiral Welding Tube

ZHANG He1，GE Yun1,2，SUN Chao1，CAI Wenjun2，WU Qingming2，YANG Cheng2

( 1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China; 2.Shihezi Development Zone Tianhao Pipe Industry Co., Ltd., Shihezi 832014, China )

In order to improve the adhesion rate of epoxy powder and dust control, an anti-corrosion coating equipment in spiral welding tube was designed. The equipment is composed of track transmission system, spray gun and other parts. The supply of coating materials and the control of coating position is more accurate. Field application results show that the equipment can achieve the internal anti-corrosion coating of welded pipes with different diameters ranging from219 mm to3220 mm. Multiple welded pipes coated at the same time can be realized. The uniform coating of epoxy powder can be realized when the moving speed of spray gun matches the supply speed of coating materials. The thickness difference of coating wall is less than 0.2 mm, and the unqualified rate of the appearance and flatness of anti-corrosion welded pipe is less than 1%. The equipment can meet the production requirements.

welded pipe；internal anti-corrosion；epoxy powder；spray gun

TE973

A

0.3969/j.issn.1006-0316.2023.09.003

1006-0316 (2023) 09-0016-06

2022-10-08

兵團“兩區”建設計劃——螺旋焊管防腐蝕工藝優化及配套設備研發與示范（2021BB034）

張賀（1993－），女，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要研究方向為機械工程，E-mail：1373921863@qq.com。

葛云（1974－），女，新疆石河子人，博士，教授，主要研究方向為農業機械，E-mail：gy_shz@163.com。