3D 打印技術(shù)在天然氣輸氣站線纜接頭保護(hù)中的應(yīng)用

劉雪丹(山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

目前，隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，天然氣輸氣站設(shè)備更新?lián)Q代頻繁，且設(shè)備儀表種類繁多。很多電器儀表設(shè)備需要定期拆卸之后進(jìn)行離線檢定，因此使得送檢設(shè)備的電纜接頭處于長(zhǎng)期裸露狀態(tài)。而現(xiàn)有的接頭保護(hù)措施不足以使接頭處于密封保護(hù)狀態(tài)，在長(zhǎng)期接觸空氣以及水汽的情況下，容易造成設(shè)備儀表接線的加速銹蝕和老化，引起設(shè)備的短路和損壞。因此，使用完全匹配每種設(shè)備儀表線纜接頭的保護(hù)盒是避免設(shè)備儀表接線頭短接和銹蝕老化的重要手段。

1 設(shè)備接線頭保護(hù)方法現(xiàn)狀調(diào)研與分析

通過對(duì)某長(zhǎng)輸天然氣管道公司進(jìn)行調(diào)研與分析，目前對(duì)儀表拆除后的線纜接頭通常采用的保護(hù)方式是在線纜接頭處纏繞絕緣膠帶后進(jìn)行塑封保護(hù)[1]。針對(duì)使用該種方法的送檢儀表信號(hào)線接頭銹蝕老化現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果如表1 所示。

表1 信號(hào)線銹蝕老化率統(tǒng)計(jì)表

從表1 可知，送檢后壓力變送器與溫度變送器信號(hào)線接頭銹蝕老化速率基本相同，綜合銹蝕老化率為19.11%。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)銹蝕老化的信號(hào)線接頭處均有水汽。對(duì)多條相同材質(zhì)的信號(hào)線接頭，采用兩種方式測(cè)試其銹蝕老化率：一種是使用現(xiàn)有保護(hù)方式；一種是不采取任何保護(hù)措施。長(zhǎng)時(shí)間放置室外后，發(fā)現(xiàn)均有銹蝕老化現(xiàn)象。通過使用因果圖進(jìn)行原因分析，對(duì)比多項(xiàng)末端因素后發(fā)現(xiàn)銹蝕老化的主因是該種保護(hù)方式效果不佳。特別是處于空氣濕度大的環(huán)境中，電纜接頭銹蝕老化率更高。

2 線纜接頭保護(hù)盒的設(shè)計(jì)制作

因各類設(shè)備儀表電纜、信號(hào)線接頭種類繁多，而且各類電纜、信號(hào)線接頭并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)工具，本文使用Solidworks完成各類電纜、信號(hào)線接頭保護(hù)盒三維模型的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。并轉(zhuǎn)換成適配于3D 打印機(jī)的STL 格式圖紙，采用3D 打印機(jī)打印出線纜接頭保護(hù)盒。這種方式可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表的螺紋接口參數(shù)設(shè)計(jì)出完全匹配的接頭保護(hù)裝置，并且具有良好的防水效果，并且可以根據(jù)實(shí)際需要增設(shè)接線端子排，完全避免接頭短路。

2.1 線纜接頭保護(hù)盒的設(shè)計(jì)

2.1.1 線纜接頭保護(hù)盒的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線纜接頭保護(hù)盒外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮兩種外殼造型：一是長(zhǎng)方形；二是圓柱形。對(duì)比兩種設(shè)計(jì)的優(yōu)劣發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)方形設(shè)計(jì)，其端蓋需用螺絲固定，且密封性較差；圓柱形設(shè)計(jì)，其端蓋可采用螺紋連接結(jié)構(gòu)，且密封性好。因此，保護(hù)盒外殼選用圓柱形設(shè)計(jì)。

2.1.2 線纜接頭保護(hù)盒的螺紋接頭設(shè)計(jì)

電纜、信號(hào)線接頭種類繁多，且非標(biāo)準(zhǔn)件占比較多，常見的線纜接頭保護(hù)盒不能完全匹配現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表的接口，無法實(shí)現(xiàn)完全密封效果，因此需要采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)的方式，使用3D打印技術(shù)自行設(shè)計(jì)和制作完全匹配各設(shè)備儀表的螺紋接頭類型線纜接頭保護(hù)盒[2]。

2.1.3 線纜接頭保護(hù)盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于線纜接頭保護(hù)盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，考慮在內(nèi)部添加接線端子排，對(duì)各接線之間進(jìn)行物理隔離和絕緣，而且可以使內(nèi)部接線排列有序。設(shè)計(jì)上考慮水汽遺留導(dǎo)致接線頭產(chǎn)生銹蝕的因素，因此在保護(hù)盒內(nèi)部預(yù)留了干燥劑的放置空間，可以極大降低水汽對(duì)接頭的銹蝕。

2.2 線纜接頭保護(hù)盒的制作

2.2.1 線纜接頭保護(hù)盒制作材料的選擇

輸氣場(chǎng)站因其特殊性，要求線纜接頭保護(hù)盒的材質(zhì)同時(shí)具備絕緣、防爆和防水的特性。經(jīng)過對(duì)多種3D 打印材料特性的對(duì)比，本文最終選定了以PLA 材料作為線纜接頭保護(hù)盒的制作材料。經(jīng)過500 次以上拆卸安裝測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該種材質(zhì)輕便且耐磨損具有防水、防爆、絕緣的特點(diǎn)。且PLA 材料造價(jià)低廉，其特性完全滿足線纜接頭保護(hù)盒所需條件[3]。

2.2.2 數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪

數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪主要采用三種方式相結(jié)合：一是使用游標(biāo)卡尺以及螺紋規(guī)，對(duì)輸氣場(chǎng)站送檢的設(shè)備儀表拆卸口處的電纜、信號(hào)線連接處的螺紋進(jìn)行測(cè)量，收集詳細(xì)參數(shù)數(shù)據(jù)；二是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件接口，查閱相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立標(biāo)準(zhǔn)件模型庫；三是將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)與國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照分析，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行修正及補(bǔ)完，確保所有數(shù)據(jù)與實(shí)際相符合、精確可用。

2.2.3 使用Solidworks 進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)

運(yùn)用Solidworks 進(jìn)行線纜接頭保護(hù)盒實(shí)體建模的基本步驟為：使用AutoCAD 繪制零件平面圖紙，然后根據(jù)零件圖設(shè)計(jì)保護(hù)盒的裝配圖。在前步驟的基礎(chǔ)上，使用Solidworks 繪制保護(hù)盒的三維模型圖紙[4]。某個(gè)線纜接頭保護(hù)盒三維實(shí)體繪制效果如圖1 所示。

3 3D 打印應(yīng)用

在使用Solidworks 建立線纜接頭保護(hù)盒的三維模型之后，導(dǎo)出每個(gè)零件的STL 格式圖紙，并將圖紙輸入3D 打印設(shè)備模擬軟件，之后調(diào)整打印比例，打印比例調(diào)整完畢后進(jìn)行打印預(yù)覽，確定打印效果合格后進(jìn)行3D 打印，如圖2～圖5 所示。

圖2 線纜接頭保護(hù)盒3D打印過程

圖3 3D打印零配件圖

圖4 3D打印線纜接頭保護(hù)盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 3D打印線纜接頭保護(hù)盒裝配效果圖

4 結(jié)語

(1)3D 打印的線纜接頭保護(hù)盒投入現(xiàn)場(chǎng)使用后，經(jīng)3 個(gè)月實(shí)際使用效果檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有線纜接頭均未產(chǎn)生銹蝕老化現(xiàn)象，極大降低了裸露環(huán)境下電纜、信號(hào)線接頭的銹蝕老化率，同時(shí)也降低了各類設(shè)備儀表的損壞率，節(jié)約了大量設(shè)備儀表的維修及更換成本。

(2)輸氣場(chǎng)站中使用3D 打印技術(shù)，可以自行設(shè)計(jì)各類非標(biāo)準(zhǔn)尺寸零部件，且使用方便、成本低廉，3D 打印技術(shù)可以擴(kuò)展到更多應(yīng)用場(chǎng)景中。