X80管線鋼內(nèi)壁旋杯噴涂涂層厚度均勻性研究

趙冬梅，李建軍，孫均友

（新疆大學工程訓練中心，新疆 烏魯木齊 830047）

1 前言

管道運輸作為一種經(jīng)濟清潔的運輸方式，在石油天然氣運輸中發(fā)揮了重要作用。截至2017年底，中國在役成品油管道長達27900公里，國內(nèi)石油行業(yè)每年消耗的輸油管道價值約100億元，其中大部分由于腐蝕而報廢［1］。

管道輸送的油氣中存在溶解氧、二氧化碳、硫化氫等組分會導(dǎo)致管道內(nèi)壁發(fā)生電化學以及化學腐蝕［2］，進而使管道內(nèi)壁腐蝕穿孔，這占到總腐蝕穿孔量的90%，由此造成的損失高達行業(yè)總產(chǎn)值的6%［3］。目前應(yīng)對管道內(nèi)腐蝕的措施包括在輸送介質(zhì)中添加緩蝕劑、在管道內(nèi)涂層和內(nèi)襯里技術(shù)，出于成本、效率等方面的考慮，國內(nèi)管道防腐以內(nèi)涂層技術(shù)為主［4］。高速離心旋杯噴涂結(jié)構(gòu)簡單、可操作性強、涂料霧化顆粒均勻、噴涂后涂層均勻光滑、附著力好、施工效率高，非常適合管道內(nèi)壁高粘度涂料噴涂。

文獻［5］設(shè)計出雙層復(fù)合式霧化器，通過數(shù)值模擬與實驗驗證對霧化器結(jié)構(gòu)和噴涂工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。文獻［6］使用可視化的水壓實驗系統(tǒng)，對離心霧化特性進行了實驗研究，為噴嘴霧化性能優(yōu)化設(shè)計提供了重要支撐。文獻［7］對超聲霧化噴嘴進行了研究，結(jié)合仿真與實驗分析了霧化噴涂工藝參數(shù)對超聲霧化噴嘴霧場的影響。文獻［8］利用流體連續(xù)性和運動方程，研究了涂料在旋杯內(nèi)的運動，建立了旋杯式高速噴涂中涂料在旋杯內(nèi)運動的數(shù)學模型。文獻［9］對石油管道內(nèi)涂層離心噴涂工藝進行了研究，得出噴涂霧化頭類型、霧化頭轉(zhuǎn)速、流量、涂料粘度是影響噴涂效果的主要因素。文獻［10］通過分析轉(zhuǎn)盤離心噴涂霧滴的受力情況獲得其運動物理方程，采用4階RungeKutta算法求解得到了霧滴水平速度、垂直速度的變化曲線及霧滴的運動軌跡。而后對離心噴涂中關(guān)鍵參數(shù)對霧滴體積中徑、噴幅的影響規(guī)律進行研究，基于橢球基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱式代理數(shù)學模型實現(xiàn)了噴霧參數(shù)影響下的霧滴和噴幅的預(yù)測［11］。文獻［12］通過建立雙偏置β模型并結(jié)合實驗建立了符合實際情況的正態(tài)分布曲線投射模型，為噴涂機器人的離線編程軌跡規(guī)劃提供了技術(shù)支持。前期的研究在離心霧化噴涂研究取得了很多成果，近年來的研究多集中于數(shù)值模擬的方式。然而，針對管道內(nèi)壁這類曲面旋杯噴涂后表面漆膜厚度及其均勻性的研究很少涉及，尤其是對于特定材料和管徑的X80管線鋼。該材料焊接性和延展性良好、強度高，被首選用于埋地天然氣或煤制天然氣管道［13］。

針對運輸管道內(nèi)壁腐蝕問題，使用環(huán)氧樹脂涂料結(jié)合離心式旋杯霧化噴涂工藝對管道內(nèi)壁進行噴涂。從研究離心霧化機理入手，通過試驗研究關(guān)鍵工藝參數(shù)對噴涂效果的影響規(guī)律，并對噴涂工藝參數(shù)進行系統(tǒng)優(yōu)化，獲得涂層厚度與噴涂均勻性俱佳的噴涂效果，為X80管道鋼內(nèi)壁旋杯式離心噴涂制定作業(yè)方案提供有力支撐。

2 離心式旋杯霧化機理

離心式旋杯高速噴涂時，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力是液膜形成的主要動力。液體與周圍氣體之間的空氣動力相互作用會產(chǎn)生液面不穩(wěn)定，并導(dǎo)致液面不穩(wěn)定波迅速增長，從而使液面霧化。在旋杯式霧化過程中，液流在高速旋轉(zhuǎn)的作用下主要受到三種力的作用而分散霧化［8］。第一種為氣體-液體相對運動產(chǎn)生的摩擦力引起的霧化，也就是速度霧化。另一種為旋杯產(chǎn)生的離心力與供料壓力引起的霧化，稱為離心霧化。在離心霧化過程中，液流通過供料管流向高速旋杯，在離心力的作用下，液流從旋杯的小孔中流出，其霧化過程是在離心力、氣體-液體相對運動產(chǎn)生的摩擦力與供料壓力共同作用下完成的［11］。離心霧化示意圖，如圖1所示。

圖1 離心式霧化示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Centrifugal Atomization

2.1 直接分裂為霧滴

當供料壓力與旋杯轉(zhuǎn)速較小時，液流受到的離心力、液流壓力與氣體-液體相對運動產(chǎn)生的摩擦力等促進液流分裂的合力作用大于液體表面張力作用時，旋杯邊緣上的少量大液滴在合力的作用下被迅速甩出，破碎成小液滴進而分裂霧化，此時液流直接被分裂成霧滴。

2.2 液絲分裂為霧滴

當供料壓力與旋杯轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加時，液流會以絲狀高速流出旋杯，且極不穩(wěn)定，絲狀液流運動的波動性和不均勻性會促使液流在與周圍空氣生摩擦時迅速分裂為很小的液滴，此時液流形成霧滴的方式為液絲分裂為霧滴，且霧滴尺寸較均勻。

2.3 膜狀分裂為霧滴

當供料壓力與旋杯轉(zhuǎn)速進一步增加時，液流流出旋杯后迅速由液柱變?yōu)檠匾欢ǖ腻F角擴散的液膜液絲間互相合并成液膜［14］，液膜中包括不均勻的孔洞，在離心力和表面張力的共同作用下孔洞不斷擴展，并與空氣接觸高速摩擦，進而分離霧化，由液膜分裂成霧滴。此時液流形成霧滴的方式為膜狀分裂為霧滴，當供料量較大時，液滴均勻性隨旋杯轉(zhuǎn)速的增高而增大。

3 旋杯噴涂試驗

3.1 離心式旋杯霧化試驗平臺

離心式旋杯霧化噴涂試驗平臺由機械結(jié)構(gòu)和控制部分組成，其中機械結(jié)構(gòu)部分包括離心霧化機構(gòu)、行走機構(gòu)、供料機構(gòu)，控制部分主要用來實現(xiàn)對旋杯轉(zhuǎn)速控制、行走機構(gòu)速度控制、供料壓力精確控制。

離心霧化機構(gòu)主要由旋杯、涂料輸送管、高壓空氣輸送管、氣動馬達等組成。在噴涂的過程中，高壓空氣驅(qū)動氣動馬達高速旋轉(zhuǎn)，氣動馬達帶動旋杯將涂料高速甩出，均勻噴涂在管線鋼內(nèi)壁上，離心霧化裝置是試驗平臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。行走機構(gòu)主要由伺服電機、傳動裝置、行走軌道、機構(gòu)支架所組成。在噴涂的過程中，行走機構(gòu)作直線運動，帶動離心霧化機構(gòu)在管道內(nèi)穩(wěn)定行走，實現(xiàn)對其行走速度的準確控制。

供料機構(gòu)主要由壓力閥、傳輸管路、涂料盛放裝置所組成。通過PLC控制器對供料壓力進行控制，以實現(xiàn)涂料流量的穩(wěn)定控制。噴涂試驗所用旋杯采用六種外徑尺寸，分別為20mm、24mm、28mm、32mm、36mm以及40mm，旋杯上小孔均勻分布，孔徑均為0.4mm，旋杯的三維模型以及實際工作圖，如圖2所示。

圖2 旋杯的三維模型及工作照片F(xiàn)ig.2 3D Model and Working Photos of Rotating Cup

3.2 試驗材料

試驗前用細砂紙對管線鋼內(nèi)壁進行打磨，直至內(nèi)壁表面光滑無銹，并使內(nèi)壁保持清潔干燥，處理后的管線鋼尺寸為外徑89mm、壁厚5mm、長度100mm。噴涂材料為新型環(huán)氧樹脂、活性增韌稀釋劑、功能性填充料及進口固化劑等組成的雙組份無溶劑常溫固化涂料。X80管線鋼的成份組成，如表1所示。噴涂材料的主要性能參數(shù)，如表2所示。

表1 X80管線鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Tab.1 Chemical Composition of X80 Pipeline Steel（Mass Fraction，%）

表2 噴涂材料的主要性能參數(shù)Tab.2 Main Performance Parameters of Spraying Materials

3.3 涂層均勻性評價

根據(jù)國家行業(yè)標準SH∕T 3022-2019（石油化工設(shè)備和管道涂料防腐蝕設(shè)計標準），無溶劑環(huán)氧樹脂常溫固化涂料，涂層干膜厚度需大于400μm［15］。為了更好地評價管道內(nèi)壁離心霧化噴涂涂層均勻性，采用涂層標準差作為均勻性評價方法，通過在管道內(nèi)壁進行多處取點，各點涂層厚度測量值采用多次測量取平均值的方式，再結(jié)合各點涂層厚度測量值計算其標準差，以標準差的結(jié)果作為評價標準依據(jù)［16-17］。管道內(nèi)壁采用螺旋式取點，相鄰點與點之間的垂直距離為10mm，角度相差60°，整個一圈取6個點，采集點的位置示意圖，如圖3所示。

圖3 采集點的位置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Location of the Collection Point

在測量出各個采集點的圖層厚度值之后，計算出涂層標準差，計算公式如下：

式中：xi—各采集點涂層的厚度值；—涂層厚度的平均值；n—采集點的個數(shù)。

3.4 試驗工況

在本次噴涂工藝試驗研究中，分別研究了旋杯轉(zhuǎn)速、行進速度、旋杯口徑、噴涂壓力對涂層平均厚度及涂層均勻性的影響規(guī)律。針對旋杯離心噴涂的工藝特點，有針對性的進行了相關(guān)工藝參數(shù)的研究。試驗采用的工藝參數(shù)及其變化范圍，如表3所示。在某參數(shù)不進行具體討論時，采用固定值以保證工藝研究的統(tǒng)一性。

表3 旋杯噴涂采用的工藝參數(shù)范圍Tab.3 Process Parameters of Rotary Cup Spraying

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 旋杯轉(zhuǎn)速的影響

如圖4（a）所示：隨著旋杯轉(zhuǎn)速的增加，涂層平均厚度呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢。當轉(zhuǎn)速為25000r∕min 時，涂層平均厚度達到最大值420μm，當轉(zhuǎn)速進一步增加至35000r∕min時，涂層平均厚度下降至386μm。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的增加，液滴霧化由液絲分裂變?yōu)槟罘至眩罘至训撵F滴重量更小，部分霧滴容易在空氣中懸浮，沒有噴涂到管道內(nèi)壁。如圖4（b）所示：隨著旋杯轉(zhuǎn)速的增加，涂層厚度標準差值逐漸變小，在轉(zhuǎn)速為35000r∕min時取得最小值4.2，此時涂層均勻性最好。旋杯轉(zhuǎn)速越高，液滴由膜狀分裂為霧滴，霧滴的尺寸更小，霧滴的空間分布更均勻，因而涂層均勻性越好。從實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，旋杯轉(zhuǎn)速對噴涂涂層平均厚度和涂層均勻性有較大影響，同時可以得到最佳轉(zhuǎn)速范圍為（25000～35000）r∕min。

圖4 旋杯轉(zhuǎn)速對涂層平均厚度及均勻性的影響Fig.4 Effect of Rotating Speed on Average Thickness and Uniformity of Coating

4.2 噴涂壓力的影響

隨著噴涂壓力的增加，涂層平均厚度呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢，且前期增加速度較快，如圖5（a）所示。當噴涂壓力為0.18MPa時，涂層平均厚度達到最大值445μm，而后涂層平均厚度逐漸變小。隨著噴涂壓力逐漸增大，單位時間噴涂的量將增加，涂層厚度增加。當噴涂壓力增加到一定值之后，增加的噴涂量會使得旋杯電機的負載增大，將會降低旋杯轉(zhuǎn)速，進而減少涂層厚度。隨著噴涂壓力的增加，涂層厚度標準差值表現(xiàn)出先快速減少后逐漸平穩(wěn)的趨勢，如圖5（b）所示。當噴涂壓力在（0.12～0.18）MPa之間時，涂層厚度標準差值快速減少。在噴涂壓力為0.2MPa 時，涂層厚度標準差值為7.5，均勻性較好。噴涂壓力增加，會促進液滴由液絲分裂向膜狀分裂過渡，減少霧滴尺寸，增加均勻性。如前所述，噴涂壓力對噴涂涂層平均厚度和涂層均勻性有較大影響，同時可以得到最佳噴涂壓力范圍為（0.18～0.22）MPa。

圖5 噴涂壓力對涂層平均厚度及均勻性的影響Fig.5 Effect of Spraying Pressure on Average Thickness and Uniformity of Coating

4.3 行進速度的影響

隨著行進速度的增加，涂層平均厚度呈現(xiàn)出先相對緩慢減少后快速減少的變化趨勢，如圖6（a）所示。當行進速度為0.5m∕min時，涂層平均厚度達到最大值465μm。當行進速度為1.5m∕min時，涂層平均厚度為360μm。行進速度增加，單位長度噴涂的時間減少，噴涂的量減少，涂層厚度也將減少。隨著行進速度的增加，如圖6（b）所示。涂層厚度標準差值表現(xiàn)出整體平穩(wěn)的趨勢，且涂層厚度標準差值均在6以下，行進速度對涂層均勻性影響較小。如前所述，行進速度對噴涂涂層厚度有較大影響，同時可以得到最佳行進速度范圍為（0.7～1.1）m∕min。

4.4 旋杯外徑的影響

隨著旋杯外徑的增加，涂層平均厚度呈現(xiàn)出先快速增長后減少的變化趨勢，如圖7（a）所示。當旋杯外徑為36mm時，涂層平均厚度達到最大值445μm。旋杯外徑增加，單位時間內(nèi)將使得更多的液滴從小孔中噴出，增加涂層厚度。同時外徑增加到一定尺寸后，旋杯電機的負載增大，將會降低旋杯轉(zhuǎn)速，進而減少涂層厚度。隨著旋杯外徑的增加，涂層厚度標準差值表現(xiàn)為先緩慢下降后逐漸上升的變化趨勢，整體趨勢較為平穩(wěn)，如圖7（b）所示。當旋杯外徑為32mm 時，涂層厚度標準差取得最小值7.3。如前所述，旋杯外徑對噴涂涂層厚度有較大影響，同時可以得到最佳旋杯外徑范圍為（28～36）mm。

圖7 旋杯外徑對涂層平均厚度及均勻性的影響Fig.7 Effect of External Diameter of Rotating Cup on Average Thickness and Uniformity of Coating

4.5 工藝參數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化

本實驗采用正交實驗法，以單因素實驗結(jié)果作為主要參考，實驗設(shè)計以旋杯轉(zhuǎn)速、噴涂壓力、行進速度、旋杯外徑等4個噴涂參數(shù)作為試驗因素，以參數(shù)的高中低值作為水平，設(shè)計了一組4因素3水平的正交試驗。具體所用的工藝參數(shù)，如表4所示。旋杯離心霧化噴涂工藝試驗結(jié)果，如表5所示。

表4 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案Tab.4 Optimization Scheme of System Parameters

表6 涂層平均厚度直觀分析結(jié)果Tab.6 Visual Analysis Results of Average Coating Thickness

從試驗結(jié)果數(shù)據(jù)中，可以看出第二組的試驗結(jié)果值最佳，當旋杯轉(zhuǎn)速為25000r∕min、噴涂壓力為0.2MPa、行進速度為0.9m∕min、旋杯外徑為32mm時，涂層平均厚度為450.3μm，涂層標準差值為3.3μm，噴涂均勻性最好，噴涂效果，如圖8所示。

圖8 X80管道鋼噴涂后效果照片F(xiàn)ig.8 Effect Photos of X80 Pipeline Steel After Spraying

圖9 涂層平均厚度直觀分析圖Fig.9 Visual Analysis Diagram of Average Coating Thickness

圖10 涂層厚度標準差直觀分析圖Fig.10 Visual Analysis Diagram of Standard Deviation of Coating Thickness

由涂層平均厚度直觀分析結(jié)果可知，旋杯轉(zhuǎn)速對涂層的厚度影響最大，行進速度對涂層厚度影響次之，噴涂壓力的影響稍小，旋杯外徑的影響最小，涂層厚度最大的工藝參數(shù)組合為A1B2C2D2。

由涂層厚度標準差直觀分析結(jié)果可知，噴涂壓力旋杯外徑對涂層的均勻性影響最大，旋杯轉(zhuǎn)速對涂層均勻性的影響次之，行進速度的影響稍小，旋杯外徑的影響不顯著，涂層均勻性最好的工藝參數(shù)組合為A1B2C2D2。

5 結(jié)論

采用高速旋杯離心噴涂環(huán)氧樹脂來解決X80管線鋼管道內(nèi)壁腐蝕問題。通過離心式旋杯霧化噴涂工藝試驗，研究了旋杯轉(zhuǎn)速、行進速度、旋杯外徑、噴涂壓力對涂層平均厚度及涂層均勻性的影響規(guī)律，最后對整體系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，獲得了最佳的工藝參數(shù)組合。

（1）涂層平均厚度主要由旋杯轉(zhuǎn)速、噴涂壓力、行進速度以及旋杯外徑?jīng)Q定。

（2）涂層的均勻性主要由噴涂壓力旋杯轉(zhuǎn)速以及旋杯轉(zhuǎn)速決定，合適的供料壓力和旋杯轉(zhuǎn)速會促進液滴由液絲分裂向膜狀分裂過渡，減少霧滴尺寸，增加噴涂的均勻性。

（3）當旋杯轉(zhuǎn)速為25000r∕min、噴涂壓力為0.2MPa、行進速度為0.9m∕min、旋杯外徑為32mm時，涂層平均厚度450.3μm，涂層標準差值為3.3μm，噴涂均勻性好。