螺旋縫埋弧焊鋼管全外焊縫磨削機設計

朱 賀，田巖平，王樹祥，王鐵民，李繼平

（遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽 111003）

對螺旋縫埋弧焊鋼管進行3PE（三層結構聚乙烯防腐層）外防腐時，外焊縫會導致焊縫處防腐層厚度減薄，而外焊縫高度是一項重要的影響因素，外焊縫高度越高，防腐層所受張力越大，減薄越多［1-5］。GB/T 23257—2017《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層》中規定，焊縫部位的防腐層厚度不應小于規定值的80%，比GB/T 23257—2009標準要求的70%提高了10%。由此可見，國內鋼管防腐標準對焊縫部位防腐層厚度要求越來越嚴格，而在國際鋼管防腐項目中，往往要求焊縫部位防腐層厚度按照相關標準規定值執行，即按照管體最小防腐層厚度執行。實際生產中，為了保證外焊縫處防腐層厚度，一般通過增加聚乙烯涂層的整體厚度，使焊縫處涂層減薄后厚度仍能達到標準要求，這導致管體防腐層厚度整體超出標準要求很多，大量增加了聚乙烯的消耗。特別是在鋼管外焊縫高度較高時，會大大增加鋼管3PE外防腐的生產成本。

為了降低螺旋縫埋弧焊鋼管3PE外防腐生產成本，有效控制外焊縫高度就非常關鍵。API Spec 5L—2018《管線鋼管規范》和GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》中對埋弧焊接鋼管外焊縫高度的規定為：由制造商選擇，高于允許值的焊縫可修磨至可接收高度。在螺旋縫焊管生產過程中，通過對焊接工藝和焊接參數的調整可以在一定程度上降低外焊縫高度，實現對外焊縫形貌的優化，但其中影響因素較多，實施起來比較復雜，為避免因焊縫高度過度降低帶來的質量風險，外焊縫高度對3PE外防腐而言仍然偏高。因此，在螺旋縫焊管制造過程中，可采取修磨鋼管全外焊縫的方式進一步降低焊縫高度。但采用人工修磨方式時，不僅勞動強度大，而且難以保證焊縫修磨的均勻性。

基于以上考慮，結合對螺旋縫焊管生產制造工藝和鋼管焊縫修磨技術的研究，設計出一種能夠在線對螺旋縫埋弧焊鋼管的全外焊縫進行連續磨削的機械裝置——全外焊縫磨削機。該全外焊縫磨削機由砂帶磨削機構、位移機構和機架3部分組成。全外焊縫磨削機結構如圖1所示。

圖1 全外焊縫磨削機結構示意

1 全外焊縫磨削機設計思路

螺旋縫焊管的外焊縫在管體上呈等距螺旋分布，如果通過移動磨削設備來尋找鋼管外焊縫并對其進行磨削，不僅需要占用較大生產空間，而且項目投入大，實施起來比較復雜。結合螺旋縫焊管生產制造特點，設計制作出一臺焊縫磨削設備，將其固定安裝在螺旋縫焊管焊接生產線上，在鋼管沿著傳輸輥道螺旋行進的過程中對其外焊縫進行定點連續磨削。這種設備布置方式不僅節省了空間，而且項目基礎投資較少，實現了對鋼管全外焊縫進行修磨的目的。

在磨削機結構設計過程中，首先考慮設備磨削方式的選擇，砂帶和砂輪在磨削工藝上的應用最廣泛。通過對比可以發現，砂帶磨削作為一種彈性磨削，具有磨削、研磨、拋光等多種作用效果，在對鋼管焊縫的磨削中具有磨削效率高、磨削噪音小、磨削效果好等諸多優勢；因此，選擇砂帶磨削［6-7］。

在對焊縫磨削方向和磨削角度的選擇中，試驗發現砂帶在鋼管6點鐘位置，垂直于鋼管軸線并逆著焊縫行進方向進行磨削時，焊縫磨削效率更高，磨削質量更好。

在對鋼管外焊縫連續磨削過程中，為了避免砂帶局部寬度位置磨損過度而影響焊縫磨削質量，在磨削過程中設計位移機構來驅動磨削機頭做左右往復移動，使砂帶整個磨削面循環打磨焊縫，這極大地提高了砂帶的使用壽命。

2 全外焊縫磨削機結構組成

全外焊縫磨削機的主要技術參數為：磨削線速度30 m/s，磨削效率425 mm3/s，適用管徑406~2 438 mm，適用焊縫寬度≤30 mm，適用焊縫高度≤6 mm，適用焊接速度≤3.0 m/min。

2.1 砂帶磨削機構

砂帶磨削機構由電動機拖板、電動機、砂帶輪、砂帶、張緊機構、磨削輪支架、磨削輪、頂輪等部分組成［8-10］。砂帶磨削機構如圖2所示。

圖2 砂帶磨削機構示意

（1）電動機選擇。參照螺旋縫埋弧焊鋼管生產線上管端外焊縫磨削機的電動機型號，結合全外焊縫磨削機工況特點和全外焊縫磨削技術要求，磨削機磨削電機初步選擇Y系列三相異步電動機YX3-112M-2型，電機轉速為2 890 r/min，電機額定功率為4 kW。磨削電動機選擇安裝后，經現場試用驗證滿足實際使用要求，選型合適。

（2）砂帶選擇。綜合考慮砂帶使用性能和磨削效果等因素，磨削砂帶選用鋯剛玉砂布環帶。

（3）磨削輪設計。為了加強砂帶與焊縫的接觸性能，提高砂帶傳動效果，磨削輪采用橡膠輪。

（4）頂輪設計。頂輪位于磨削輪兩側，采用萬向球軸承安裝在軸承座中制作而成，軸承座高度可根據需要通過下部的螺紋結構進行調整。磨削機工作時頂輪上的萬向球軸承與鋼管表面相對滾動接觸，通過調整頂輪高度來控制鋼管外焊縫磨削量，同時也避免了在焊縫磨削過程中傷及母材。

（5）磨削輪支架設計。磨削輪支架采用鉸鏈與機架連接，在磨削輪兩側頂輪機構受到管體不均衡作用力時，支架可控制磨削輪實現左右浮動控制，可有效降低焊縫兩側錯邊等鋼管幾何尺寸缺陷對外焊縫磨削的影響。磨削輪支架裝配如圖3所示。

圖3 磨削輪支架裝配示意

（6）張緊機構設計。張緊機構由張緊輪、張緊輪支架、拉力彈簧等幾部分組成。張緊機構采用杠桿原理，砂帶工作時對砂帶起張緊作用，避免砂帶出現較大振動，影響磨削效果［11］。

（7）電動機托板。電動機托板采用燕尾滑臺結構，通過搖動手桿調整電動機位置，從而實現砂帶張緊程度的調整。

2.2 位移機構

位移機構由齒輪減速電機、凸輪機構及直線導軌組成，凸輪機構如圖4所示。齒輪減速電機輸出轉速為6 r/min，通過增加電子調速器調整減速機輸出轉速，工作中齒輪減速電機實際輸出轉速為4 r/min，位移轉盤偏心距設計為45 mm。磨削機工作時，由齒輪減速電機帶動凸輪機構，從而使設備整體在直線導軌內做往復移動，每15 s完成一次往復運動，運動位移量為90 mm。

圖4 凸輪機構示意

2.3 機 架

機架由頂板、氣缸、支架、底板、軌道等組成，結構如圖5所示。氣缸在設備工作時控制磨削機頭的升降，氣缸桿上設有雙頭螺母，通過對氣缸桿長度的調整來控制磨削輪對鋼管外焊縫的壓力。

圖5 機架結構示意

3 全外焊縫磨削機工作原理

磨削機工作時，由電動機帶動環形砂帶高速運動，同時在氣缸推力的推動下磨削機頭上升，磨削砂帶在磨削輪的作用下接觸鋼管外焊縫，并對焊縫進行磨削加工。在磨削過程中，通過調整磨削輪兩側的頂輪高度來控制外焊縫磨削量，通過調整氣桿伸長量來控制磨削輪對外焊縫的作用力。磨削機在磨削焊縫時，由位移機構驅動磨削機構做往復橫向運動，使整個砂帶磨削面循環打磨外焊縫，確保外焊縫磨削量的穩定和砂帶使用壽命的延長。

在使用全外焊縫磨削機的過程中，需要適時更換砂帶，根據不同規格螺旋縫焊管外焊縫形貌尺寸和焊縫磨削量要求，一條砂帶可磨削的外焊縫長度為80~100 m。更換砂帶時，先要停止電動機，將氣缸縮回，磨削機頭下降，通過搖動磨削電動機托板搖桿，使砂帶處于松弛狀態，然后再取下砂帶并進行更換；砂帶更換完畢后，反向搖動搖桿使砂帶輪歸位，此時砂帶處于張緊工作狀態，重新啟動電動機并控制氣缸伸出，然后繼續進行焊縫磨削作業。砂帶更換一般在30 s內即可完成。為了保持焊管生產和外焊縫磨削的連續性，砂帶更換一般在鋼帶對頭焊縫通過磨削機工位時進行。

4 實際應用

在全外焊縫磨削機的實際應用中，為了防止對螺旋縫焊管外焊縫過度磨削傷及母材，一般將磨削后的外焊縫高度控制在0.30 mm以上，使用深度游標卡尺進行外焊縫高度測量，深度游標卡尺的測量精度為0.02 mm。筆者隨機抽測Φ508 mm×8.8 mm和Φ1 016 mm×20.62 mm規格螺旋縫焊管各50根，隨機抽測磨削前、后每根焊管外焊縫的高度，記錄數據并繪制外焊縫高度曲線。兩種規格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度曲線如圖6所示。

從圖6可以看出：經全外焊縫磨削機磨削后，兩種規格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度明顯降低，且鋼管外焊縫高度的均勻性明顯提高，Φ508 mm×8.8 mm規格焊管的外焊縫高度在0.3~0.6 mm；Φ1 016 mm×20.62 mm規格焊管的外焊縫高度在0.3~0.7 mm。除此之外，經磨削后的外焊縫頂端過渡角均大于130°，焊縫表面粗糙度可達0.1μm［12］。焊管外焊縫頂端過渡角α如圖7所示。磨削前、后的焊管外焊縫如圖8所示。

圖6 兩種規格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度曲線

圖7 焊管外焊縫頂端過渡角示意

圖8 磨削前、后的焊管外焊縫

在對不同規格螺旋縫焊管進行全外焊縫磨削前，需要對磨削機做出相應調整。首先根據不同規格焊管螺距確定好磨削機磨削工位，然后根據外焊縫磨削量和磨削效率要求調整磨削機頂輪機構、氣缸桿的伸長量和砂帶張緊度，如果調整不合適容易出現焊縫磨削不均勻、砂帶跑偏和磨削電機故障等問題。當然，對螺旋縫焊管外焊縫的磨削效果很大程度上還取決于焊管外焊縫質量，焊縫存在2.0 mm以上“錯邊”“噘嘴”等缺陷時［13］，外焊縫磨削很難獲得較理想的磨削效果。除此之外，砂帶磨削焊管外焊縫時產生的灰塵和飛濺物也會對現場作業環境造成一定影響。

5 結 語

在螺旋縫焊管加工制造過程中，對管端焊縫的修磨有非常成熟的磨削工藝和明確的標準要求，而對全外焊縫進行磨削的實例還很少，這當中有較多的影響因素，需進一步地加以考慮和分析。全外焊縫磨削機的設計，為螺旋縫焊管在全外焊縫磨削方面提供了一個新的思路，目前已取得實用新型專利，專利號ZL201820185908.8。全外焊縫磨削機的制造成本較低，設備操作簡單，實用性強，但該設備在砂帶使用壽命、磨削機構調整和磨削精度控制等方面還有較大的改進空間。下一步，將在延長砂帶使用壽命、簡化磨削機構調整、加強磨削飛濺物處理等方面進行改進和完善，使其磨削效率更高，適用性更廣，以期更好地服務于生產實際。