在役管線大修自動噴涂設備的設計與實現

(中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，廊坊 065000)

油氣管道埋地使用多年后，由于防腐蝕層自身的壽命、質量以及外部環境的影響，會遭受不同程度的老化、破壞，從而嚴重影響管道的運行安全，因此防腐蝕層大修工作具有很重要的意義[1-3]。然而，當前國內外無論使用何種防腐蝕材料和防腐蝕技術，大都采用人工作業模式，不僅效率低下，在管道不停輸運行狀態下，還會帶來很大的安全隱患[4-7]。基于此，本工作以液體聚氨酯防腐蝕技術為切入點，研究設計了一套自動噴涂設備，以期為管道大修實現機械化作業奠定基礎。

1 國內外管道防腐蝕層大修的作業方式

在國內，根據不同的施工要求，管道防腐蝕層大修會采用人工作業模式的各種防腐蝕技術。比如：采用石油瀝青進行大修，一般采用人工澆涂；使用熱收縮帶[8-10]一般先通過除銹，利用中頻進行預熱，最后進行人工纏繞和紅外收縮回火[11-12](見圖1)；而利用液體涂料大修，則由人工涂刷或手持噴槍進行。

圖1 人工纏繞收縮帶作業Fig.1 The operation of contraction belt with manual winding

在國外，防腐蝕層大修主要是使用液體涂料噴涂技術，采用人工涂刷或無氣噴涂裝備[13-15]。而這種無氣噴涂裝備只能應用于小處修補，無法持續爬行于管道進行大面積長段大修(見圖2)。

圖2 無氣噴涂設備作業Fig.2 The operation of airless spraying equipment

2 設備的機械設計

噴涂設備的組成包括：機架、回轉圈、回轉支撐裝置、輔助支撐裝置、開合機構、回轉驅動裝置、鞭管跟隨裝置、機架鎖緊裝置、噴槍、噴槍角度調整器、清洗回收器、涂料匯集單元、雙組份無氣供料系統等機構(見圖3)。

(a)三維圖

(b)實物圖圖3 自動噴涂設備三維模型和實物圖Fig.3 The 3D model (a)and physical drawing (b)of automatic spraying equipment

具體機械原理為：先將回轉圈用回轉支撐裝置和輔助支撐裝置安裝在機架上；回轉支撐裝置和輔助支撐裝置由支架、滾輪和靠輪組成，可通過簡便調節來達到支撐和導向的目的，并可調節回轉圈與管道的同軸度；輔助支撐裝置可以手動離合，實現與回轉圈的接合與脫離；打開開合機構使回轉圈下部張開，將整個裝置套在鋼管起始位置；通過機架鎖緊裝置將整個裝置固定在管道上(水平管道可省略此步驟，傾斜管道必須鎖緊)；回轉驅動裝置固定在機架上，并通過驅動鏈輪與回轉圈嚙合；回轉圈由回轉支撐裝置和輔助支撐裝置引導，在回轉驅動裝置的驅動下沿鋼管周向進行390°往復旋轉運動，運動的同時帶動噴槍在涂料匯集單元和雙組份無氣供料系統的作用下實現噴涂。

3 設備的控制系統設計

設備控制系統流程示意如圖4所示。

圖4 控制流程示意圖Fig.4 Control flow diagram

整個設備的控制系統特點為：

(1)用PLC作為控制核心，取代傳統硬接線模式，便于隨時根據工藝要求編寫修改程序，大大降低故障率，增強抗干擾能力[16]；

(2)引入遙控遠程控制，實現本地、遠程控制雙保險，同時，讓作業人員遠離污染嚴重的作業區，最大程度地保障作業人員的勞動衛生和人身安全；

(3)引入變頻控制，使得噴槍的行進速率實現可控，根據噴涂工藝參數要求，通過調整噴射速率來滿足噴涂厚度要求；

(4)本地采用觸摸屏控制取代原來的按鈕、開關方式的本地控制，一方面可以消除按鈕、開關長期暴露在外所帶來的失靈隱患，另一方面通過觸摸屏可以對設備參數進行監控并報警，比如過流、過壓等，最后，可以利用觸摸屏上的人性化界面，修改變頻器、PLC等參數，既保護了PLC的程序，又能使操作人員在沒有設計開發人員的情況下，也能根據工藝要求修改相關數據，見圖5。

圖5 觸摸屏控制界面Fig.5 The control interface of touch screen

4 設備試驗驗證

4.1 防腐蝕層噴涂

設備設計加工后，采用液體聚氨酯涂料進行了廠內管道大修噴涂試驗，過程如下。

(1)循環：噴涂前，啟動設備控制系統，按下遙控中的“循環”按鍵，通過PLC程序開啟“循環”電磁閥，將整個涂料罐中的料進行循環加熱，當達到設定溫度時(根據工藝要求來定)，按下“停止”，循環電磁閥停止；

(2)清洗；按下遙控器的“清洗”鍵，開啟“清洗料”電磁閥，從而使得料管中積存的舊涂料被排出；

(3)排料：按下遙控器的“排料”鍵，開啟兩個“A料”、“B料”電磁閥，同時關閉“清洗料”電磁閥，將上一步清洗過程中積存在料管中的清洗料排出；

(4)噴涂：按下遙控器的“噴涂”鍵，保持“A料”、“B料”電磁閥開啟狀態，回轉圈在回轉電機的帶動下，開始進行噴涂，噴完一圈后，在行走電機的驅動下，噴涂設備前進預設的距離，如此循環，完成噴涂。

通過調整變頻器的頻率改變回轉速率或者通過PLC程序改變噴涂時間，都可以使得最終的噴涂厚度滿足工藝要求，此外，利用觸摸屏可以調節搭接參數，使得在管道最低端的搭接面，能有一個最好的噴涂效果，這是手工噴涂無法實現的。

4.2 防腐蝕層性能

以傳統手工作業中最具代表性的熱收縮帶防腐蝕技術為例，在DN711管徑的管道上進行試驗，結果見表1。

表1 機械化作業和傳統手工作業的對比Tab.1 Comparison of mechanized and traditional manual overhaul

有表1可見：利用無溶劑液體聚氨酯涂料進行自動噴涂滿足工藝要求，無論是厚度、漏點、硬度還是附著力等都能體現很好的性能；自動噴涂設備在作業流程上，只需要除銹、中頻預熱和噴涂，而熱收縮帶技術除了除銹、中頻預熱，還需要人工涂刷底漆、人工纏繞收縮帶以及紅外加熱回火，在操作上比自動噴涂法繁瑣很多，工序越多出現問題的概率越大、工效越低；大管徑或小管徑管道，自動噴涂設備都可以進行同效率的作業，而手工纏繞方式的熱收縮帶技術，人工作業勞動強度大并不能保持效率的連貫性，在大管徑上作業還帶有很高的安全風險；自動噴涂設備在管道上噴完一圈后，可自動向前爬行，因此可真正應用在大修中，而傳統手工作業只能進行補口和對管道進行小修小補。

同時，機械化大修也有其弊端，自動噴涂設備離地高度須大于600 mm，如果焊口離地面高度不足，需要進行作業點的局部開挖。此外，該設備適用于平緩地帶及淺丘地帶的連續性大修作業，不適合小修小補的離散作業模式，且施工管道坡度應不大于15 °。

5 結論

通過對管道防腐蝕層大修自動噴涂設備的研發，解決了傳統手工作業效率低下、安全風險大的問題，尤其對于長段管道，可以大大降低施工人員的勞動強度，保證噴涂質量，對管道大修的機械化發展具有里程碑的意義。