管道涂敷3LPE工藝參數(shù)研究與計(jì)算

徐昌學(xué)，馬厚逢

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000）

管道涂敷3LPE工藝參數(shù)研究與計(jì)算

徐昌學(xué)，馬厚逢

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000）

管道涂敷3LPE工藝參數(shù)直接影響到防腐層質(zhì)量、防腐材料的消耗和生產(chǎn)速度，涂敷3LPE工藝參數(shù)的確定是涂敷生產(chǎn)的核心工作。基于最常用的管道涂敷作業(yè)線結(jié)構(gòu)，就管道涂敷3LPE中的FBE噴涂參數(shù)、聚乙烯擠出機(jī)組參數(shù)、內(nèi)涂敷參數(shù)的調(diào)試以及計(jì)算方法進(jìn)行了研究和實(shí)際驗(yàn)證，總結(jié)出了各參數(shù)的計(jì)算公式，對(duì)管道涂敷3LPE可起到指導(dǎo)作用。

管道；3LPE防腐涂層；涂敷；工藝參數(shù)；計(jì)算公式

0 引言

3LPE防腐層是現(xiàn)階段應(yīng)用最普遍的防腐層之一。管道涂敷3LPE是管道防腐施工的主要方法，涂敷3LPE工藝參數(shù)直接影響到防腐層質(zhì)量、防腐材料的消耗和生產(chǎn)速度，涂敷3LPE工藝參數(shù)的確定是涂敷生產(chǎn)的核心工作。目前管道涂敷3LPE工藝參數(shù)的確定基本停留在憑經(jīng)驗(yàn)試調(diào)、修正、再調(diào)試、再修正的狀況，既影響到調(diào)試的準(zhǔn)確性，也耗費(fèi)了大量時(shí)間、人工和涂敷材料。本文基于國內(nèi)最常用的涂敷生產(chǎn)作業(yè)線結(jié)構(gòu)，在確定輪胎中心距、輪胎偏轉(zhuǎn)角度和輪胎轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，就FBE噴涂參數(shù)、聚乙烯擠出機(jī)組參數(shù)、內(nèi)涂敷參數(shù)的調(diào)試以及計(jì)算方法進(jìn)行了研究和實(shí)踐驗(yàn)證，推算總結(jié)出了計(jì)算公式，以期對(duì)管道涂敷3LPE起到指導(dǎo)作用。

1 FBE噴涂參數(shù)的研究

FBE噴涂要建立點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)成線，線的運(yùn)動(dòng)成面的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)點(diǎn)的影響就會(huì)帶來面的變化。因此中頻電源輸出功率的控制、噴粉量與噴槍支數(shù)的設(shè)計(jì)、噴粉壓力與靜電電壓的確定都關(guān)系到FBE的噴涂效果。

1.1 中頻電源輸出功率的計(jì)算與調(diào)試

1.1.1中頻電源輸出功率的計(jì)算

中頻電源是將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備，其輸出功率為：

式中P——中頻電源輸出功率/kW；

d——鋼管直徑/mm；

Vs——生產(chǎn)速度/（m/min）；

δ——鋼管壁厚/mm；

ρ——鋼材密度/（g/cm3），取7.85；

c——鋼材比熱容/（J/（kg·K）），取493；

T2——預(yù)定鋼管加熱后的溫度/K；

T1——鋼管加熱前溫度（環(huán)境溫度）/K；

η——總熱效率（可取80%）。

1.1.2中頻電源輸出功率的調(diào)試

按確定的值在中頻電源柜上調(diào)節(jié)，試運(yùn)行鋼管時(shí)用測(cè)溫筆實(shí)測(cè)鋼管加熱后的溫度，如有不符再進(jìn)行修正。

1.2 噴粉量的計(jì)算

W1＝10-6πdVsδ1ρ1/η1

式中W1——噴粉量/（kg/min）；

δ1——粉末層厚度/μm；

ρ1——粉末密度/（g/cm3）；

η1——著粉率（按90%或?qū)崪y(cè)值）。

此處以粉末密度代替涂層密度，數(shù)值偏小，粉末密度各廠家不同，可按標(biāo)準(zhǔn)取上限1.5。

1.3 噴槍支數(shù)的計(jì)算

式中N1——噴槍支數(shù)；

M——單槍額定噴粉量，根據(jù)廠家說明或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)/（kg/min）。

1.4 噴粉壓力的確定

總氣壓：（0.4±0.02）MPa，單槍一次氣壓：（0.1±0.01）MPa，單槍二次氣壓：（0.04±0.01）MPa，流化床氣壓：（0.04±0.005）MPa。

1.5 靜電電壓的確定

靜電電壓宜為60 kV。

2 聚乙烯擠出機(jī)組參數(shù)的研究

聚乙烯擠出機(jī)組包括膠粘劑擠出機(jī)和聚乙烯擠出機(jī)。擠出機(jī)的過濾系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、混煉系統(tǒng)、密封系統(tǒng)要有品質(zhì)保證。更直觀反映的是擠出量、擠出電機(jī)轉(zhuǎn)速、膜片寬度和厚度的穩(wěn)定性和可調(diào)性。

2.1 膠粘劑擠出機(jī)參數(shù)的計(jì)算與調(diào)試

2.1.1膠粘劑擠出量的計(jì)算

式中W2——膠粘劑實(shí)際擠出量/（kg/h）；

δ2——膠粘劑層厚度，按標(biāo)準(zhǔn)取值/mm；

ρ2——膠粘劑密度/（g/cm3），參考值為0.931。

2.1.2膠粘劑擠出機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

以擠出機(jī)標(biāo)定的某一轉(zhuǎn)速下的擠出量或?qū)崪y(cè)得到的數(shù)據(jù)為額定擠出量，推算出需要的擠出量時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。擠出量與電機(jī)轉(zhuǎn)速基本為線性關(guān)系，但機(jī)筒溫度、模口阻力等因素均會(huì)影響實(shí)際值，經(jīng)多次測(cè)定后可引入一個(gè)修正系數(shù)。

式中We膠——膠粘劑額定擠出量/（kg/h）；

n膠——膠粘劑擠出機(jī)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速/（r/min）；

ne膠——額定擠出量時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速/（r/min）；

k——修正系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)。

2.1.3膠粘劑膜片纏繞寬度的計(jì)算

如前分析，膜片纏繞螺距就是鋼管前進(jìn)的螺距，當(dāng)膜片寬度等于螺距時(shí)，是一圈挨一圈的纏繞，既不搭接也無縫隙。所以：

式中b膠——膠粘劑膜片纏繞寬度/mm；

θ——輪胎偏轉(zhuǎn)角度。

纏繞時(shí)圈與圈之間應(yīng)有適當(dāng)搭接，所以實(shí)際膜片寬度應(yīng)略大于以上計(jì)算值。

2.1.4膠粘劑膜片寬度的調(diào)整

膜片從擠出到纏繞因拉伸而變窄，因此，膜片寬度系指膜片纏繞寬度。通過調(diào)整模頭位置，可使纏繞寬度恰好達(dá)到要求的值。如無法調(diào)到此值，則需要重新調(diào)整輪胎偏轉(zhuǎn)角度θ。

2.2 聚乙烯擠出機(jī)參數(shù)計(jì)算與調(diào)試

2.2.1聚乙烯擠出量的計(jì)算

式中W3——聚乙烯實(shí)際擠出量/（kg/h）；

δ3——聚乙烯層厚度/mm；

ρ3——聚乙烯密度/（g/cm3），參考值為0.944。

2.2.2聚乙烯擠出機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定

式中We聚——聚乙烯額定擠出量/（kg/h）；

n聚——聚乙烯擠出機(jī)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速/（r/min）；

ne聚——額定擠出量時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速/（r/min）；

k′——修正系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)。

2.2.3聚乙烯膜片纏繞寬度的確定

由于聚乙烯纏繞一層達(dá)不到要求的厚度，一般需要纏繞3～5層，所以：

式中b聚——聚乙烯膜片纏繞寬度/mm；

N——聚乙烯膜片纏繞層數(shù)（取一個(gè)適當(dāng)?shù)恼麛?shù)，如3、4、5）。

同樣，由于圈之間的適當(dāng)搭接，實(shí)際膜片寬度應(yīng)略大于以上計(jì)算值。

2.2.4聚乙烯膜片寬度的調(diào)試

聚乙烯膜片從擠出到纏繞因拉伸而變窄，因此，膜片寬度系指膜片纏繞寬度。調(diào)整模頭前后位置，使纏繞寬度恰好為要求的值。如無法調(diào)到此值，說明N取值不當(dāng)，應(yīng)換一相鄰值再試。如仍不滿足要求，則需要重新調(diào)整輪胎偏轉(zhuǎn)角度θ。

根據(jù)需要，還可通過調(diào)整擠出機(jī)模口開口度對(duì)膜片厚度進(jìn)行調(diào)整。

2.2.5機(jī)筒各段加熱溫度的調(diào)整

根據(jù)不同廠家的原料，按廠家推薦的數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定各段溫度，但進(jìn)料段溫度不宜過高。

3 內(nèi)涂敷參數(shù)的研究

內(nèi)涂敷參數(shù)的調(diào)整主要是確定噴涂速度和噴涂機(jī)流量的關(guān)系，噴涂機(jī)流量是較客觀的參數(shù)，因此需要調(diào)整的是噴涂速度，實(shí)際上就是調(diào)整噴涂小車電機(jī)的頻率。

3.1 噴涂機(jī)噴涂流量的測(cè)定

噴涂機(jī)流量不是定值，噴嘴型號(hào)、涂料黏度、噴涂機(jī)的空氣壓力對(duì)其都有影響，確切的噴涂流量應(yīng)通過實(shí)測(cè)得到。具體實(shí)測(cè)方法是：在實(shí)際工況下，用秒表計(jì)時(shí)，用容器接取從噴嘴噴出的涂料后稱重（同時(shí)使用兩只噴槍應(yīng)是兩槍之和），計(jì)算出實(shí)際噴涂流量。可實(shí)測(cè)三次，求得其平均值，單位為g/min。

3.2 涂料密度的測(cè)定

由于雙組分涂料的配比各廠家不盡相同，必要時(shí)還需要添加稀釋劑，應(yīng)按實(shí)際工況實(shí)測(cè)混合后的涂料密度。具體方法可用密度計(jì)或量杯天平測(cè)量。

3.3 涂料干濕膜厚度比的測(cè)定

業(yè)主或標(biāo)準(zhǔn)要求的是干膜厚度，但調(diào)試或計(jì)算時(shí)需要濕膜厚度。

按實(shí)際工況配制混合涂料，在幾塊試片上制作涂層，分別量出濕膜厚度，自然干燥或烘干后測(cè)得干膜厚度，干膜厚度與對(duì)應(yīng)濕膜厚度之比即為干濕膜厚度比，為準(zhǔn)確起見應(yīng)取幾塊試件的平均值。

3.4 流量公式

類似于擠出量公式，針對(duì)鋼管內(nèi)壁的流量公式為：

L=10-3π(d-2δ)Vpδ4ρ4/λλ′

式中L——噴涂機(jī)噴涂流量/（g/min）；

Vp——噴涂速度/（m/min）；

δ4——要求的干膜厚度/μm；

ρ4——兩組分（及稀料）混合后的涂料密度/（g/cm3）；

λ——涂料干濕膜厚度比；

λ′——考慮涂料噴涂損耗和涂層收縮的修正系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)。

與外防腐不同的是，噴涂流量一般不太變化也不易控制，而容易實(shí)測(cè)獲得；實(shí)際應(yīng)用中往往根據(jù)流量反求噴涂速度，然后通過控制小車電機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)這一速度。

3.5 小車電機(jī)頻率的調(diào)整

3.5.1噴涂小車行走速度

Vp=n實(shí)πd車/1 000

式中n實(shí)——小車車輪實(shí)際轉(zhuǎn)速/（r/min）；

d車——小車車輪直徑/mm。

3.5.2小車電機(jī)頻率的調(diào)整

噴涂小車由變頻電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)測(cè)獲得50 Hz時(shí)車輪轉(zhuǎn)速是n50。

50/n50=f/n實(shí)

即n實(shí)＝n50f/50

式中f——小車電機(jī)需要調(diào)定的頻率/Hz。

式中n50——50 Hz時(shí)小車車輪轉(zhuǎn)速。

由于涂料的性能參數(shù)可能不穩(wěn)定，環(huán)境因素對(duì)涂料性能和噴涂工藝都有影響，因此實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)在條件發(fā)生變化時(shí)對(duì)噴涂流量和干濕膜厚度比再次進(jìn)行實(shí)測(cè)。

3.6 其他參數(shù)調(diào)整

由于噴槍在直線移動(dòng)時(shí)鋼管作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以噴涂軌跡是螺旋線，有一個(gè)螺距T內(nèi)。類似于聚乙烯纏繞，噴嘴距噴涂面一定距離時(shí)沿鋼管軸向的噴型寬度b內(nèi)就相當(dāng)于膜片寬度。

原則上講，轉(zhuǎn)速越高，螺距越小，涂層越容易達(dá)到均勻，最好的狀況是滿足：

式中b內(nèi)——噴型寬度；

N內(nèi)——液態(tài)涂料的噴涂層數(shù)，為整數(shù)；

T內(nèi)——內(nèi)噴涂螺距。

即噴型寬度是螺距的整數(shù)倍，這樣，既不會(huì)造成局部涂層厚度不夠影響質(zhì)量，也不會(huì)造成局部厚度過大浪費(fèi)材料。噴型寬度b內(nèi)可通過實(shí)測(cè)獲得。

從上式求得螺距T內(nèi)后，再通過與噴涂速度Vp的簡單換算并調(diào)整旋轉(zhuǎn)電機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)。實(shí)際螺距應(yīng)略小于計(jì)算值以使每圈涂層得到適當(dāng)搭接。如計(jì)算螺距無法實(shí)現(xiàn)，可換一個(gè)N內(nèi)值；如還不滿足要求，說明需要調(diào)整噴涂速度或噴嘴安裝位置（噴嘴距噴涂面距離）。

4 結(jié)束語

管道涂敷3LPE工藝參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)總結(jié)上升到理論公式計(jì)算，提升了生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制的水平，避免了操作的盲目性和隨意性。精準(zhǔn)控制工藝參數(shù)是消除防腐層質(zhì)量隱患的有效保證。做到理論指導(dǎo)實(shí)踐對(duì)于提高管道涂敷水平將起到積極的示范作用。

Abstract:Process parameters of pipe 3PE coating affect directly the anticorrosion coating quality,anticorrosion material consumption and production speed,so the determination of process parameters is the kernel work of coating operation.Based on the structure of the most commonly used coating operation line,the adjustment and calculation methods of FBE spray parameters,polyethylene extruding machine parameters and internal coating parameters are studied and tested in practical application,then the calculation formulas of those parameters are deduced and summarized.It will guide pipe 3PE coating operation.

Key words:pipeline;3PE anticorrosion coating;coating;process parameter;calculation formula

（47）Study and Calculation of Pipe 3LPE Coating Process Parameters

XU Chang-xue（China Petroleum Natural Gas Pipeline Scientific Research Academy，Langfang 065000,China），MA Hou-feng

TE988.2

B

1001－2206（2011）02－0047－03

徐昌學(xué)（1964-），男，重慶人，高級(jí)工程師，2002年博士畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油天然氣工程專業(yè)，主要從事管道防腐工程及管理工作。

2010-07-19