鋼管樁自動噴漆系統設計

劉健旺

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300459）

1 涂料損耗的相關定義

理論涂布率是一個理論計算值，是對配方的固體含量進行計算，并經過試驗驗證獲得的理想數據，即1 L 涂料在施工中完全涂覆在完全平整的表面上并獲得一定漆膜厚度時所能覆蓋的物體表面面積。這個數值是涂料產品本身的一個固定特征數據，與涂料本身以外的任何因素無關。

實際涂布率是指在施工過程中通過涂裝施工將涂料按規定要求涂覆于指定表面，在實際各種主客觀環境條件下，每升涂料實際所能涂覆的面積。實際涂布率的大小除了受到各種外部條件的影響和制約，施工控制和個人操作也會對其產生影響。也就是說，它是可以在實際施工中加以控制的。

涂料損耗（損耗系數）和用量系數的換算關系，是指在計算給定油漆的覆蓋率（涂布率）（單位為m2·L-1）時，即固體含量為100%的液體漆施工干膜厚度為1 μm，能覆蓋1 000 m2。即理論涂布率與實際涂布率間的差數，用理論涂布率的百分數表示[1]。

式中：c為損耗系數；a為實際用量；b為理論用量；d為實際涂布率；f為理論涂布率。

2 涂裝時影響涂料損耗的因素

2.1 對膜厚控制的要求

一方面，要求漆膜厚度完全均勻是不可能達到的。施工中，通常規定總干膜厚度的最低值或范圍。涂裝工為達到規定的最低膜厚要求而不可避免產生的損耗（因為人工操作不可能恰好達到要求的標準膜厚），稱為涂料的分布損失。另一方面，在一些施工難度大的部位，過量涂裝（超厚）不可避免，如工件靠近地面仰臉側涂裝。縱向、環向的焊縫處，將加大涂料的消耗量。

2.2 表面粗糙度

要達到涂料的良好附著力，要求對被涂表面進行噴砂處理。被涂表面越粗糙，涂料的損耗越大。因為有相當一部分涂料陷入噴砂處理而產生的凹陷處，而此部分在測量膜厚時是不能反映出來的。對于多道涂層施工，每道涂層表面的平滑程度和施工后表面的砂紙打磨效果，將直接決定后道涂料的損耗[2]。

2.3 待涂構件的形狀/大小

待涂構件的形狀/大小將直接影響施工過程中涂料的損耗。一般情況下，復雜結構的涂裝施工，涂料損耗比較簡單且結構大。結構尺寸較小時，損耗也會遠遠大于面積較大的結構。

2.4 施工方法

涂料的涂裝方法有刷涂、輥涂、傳統空氣噴涂和高壓無氣噴涂等。涂料中，對于大面積施工的涂料，一般要求采用高壓無氣噴涂。這種方式雖然比較快，但涂料的耗損會遠遠大于傳統的空氣噴涂、刷涂和輥涂。

2.5 施涂設備選用

選用不同的涂裝設備，很大程度上會影響涂料的損耗。例如，用高壓無氣噴涂涂裝小尺寸的構件，采用較小噴幅的槍嘴時損耗會較低。往往施工方為滿足緊張的施工進度要求，達到較高的噴涂效率，會采用較大噴幅的槍嘴，增加了涂料的損耗。此外，不同品牌的無氣噴涂設備在噴涂時可能形成不同的噴涂霧化效果，因此損耗也各不相同。

2.6 外界的環境條件

施工周圍各種環境也會不同程度地影響涂料損耗。有風的戶外場所施工，相對于通風良好而相對封閉的車間而言，涂料損耗更高。

2.7 施工工藝及施工過程管理

不同的施工工藝和施工管理，會顯著影響涂料損耗。例如，待涂構件的擺放、操作者和被涂物件的相對位置等，都可能直接決定了操作者不同的噴涂姿勢和角度，且涂料損耗各不相同。因此，合理設計施工流程，有利于合理控制涂料損耗。

2.8 不可避免的浪費涂料

涂料浪費不可避免，通常包括包裝桶上的殘留、涂漆設備上的粘附（如泵內與管路損失、輥子和刷子的殘留等）。對于雙組分涂料，混合后的涂料可能會因超過使用壽命時間而造成浪費。

2.9 施工者的操作水平

不同的施工操作者由于其個人操作水平的不同，在大量施工中可能會產生完全不同的施工損耗。

3 案例

唐山液化天然氣項目一階段配套碼頭工程鋼管樁共計714 根，直徑分為1.4 m 和1.6 m 兩種。由于工期任務緊張，為了不耽誤用戶生產安排，沒有在前期采用自動噴漆施工方法，而是均采用傳統手工噴漆方式。在項目快結束的時候，采用鋼管樁自動噴漆施工工法完成最后7 根鋼管樁的防腐。所提的涂覆基材選擇鋼管、涂覆材料參數如表1 所示。

表1 涂覆基材選擇鋼管、涂覆材料參數

3.1 自動噴漆系統組成

自動噴漆系統由可行走滾輪架、自動噴漆小車及相應的軌道等組成。噴漆小車帶可上下、左右調節的固定架體。架體根據需要配不同數量的噴槍。噴漆小車配漆管、氣管、電纜線及相應的隨動裝置。

3.2 基本參數

滾輪架旋轉線速度為5 ～50 m·min-1（變頻調速），滾輪架行走速度為1 ～10 m·min-1（變頻調速），噴漆小車行走速度為2 ～20 m·min-1（變頻調速）。

3.3 工作原理

本項目為鋼管外表面防腐層施工，采用鋼管原地勻速旋轉和噴槍直線勻速行走相組合的方式。在鋼管外表面覆蓋等寬螺旋漆面，在兩端保持噴槍不動，形成圓周覆蓋面。

漆霧扇面由手工方式的垂直于鋼管軸線改為與鋼管軸線在同一水平面上，使得漆霧與鋼管表面距離基本相同，通過鋼管原地勻速旋轉和帶壓力的噴槍勻速直線行走兩種動作組合形成均勻螺旋漆面。由于運動穩定，距離、壓力、位置相對穩定，可實現漆膜厚度的精準控制。

4 工作流程及操作要點

4.1 工作流程

工作流程圖如圖1 所示，具體流程：鋼管吊運至可行走滾輪架上實現工件就位，同時調整管與滾輪的縱向位置使噴涂面積滿足既定要求；由滾輪架帶動需噴涂鋼管運行至噴漆車間內的既定位置，開啟滾輪架轉動電機，使電機帶動鋼管做圓周運動；噴漆小車就位開始橫向噴涂；過程中不斷檢測噴涂表面質量等施工信息，直至完成全部噴涂施工；噴漆小車停在工件一側，隨即噴頭停止噴霧；滾輪架圓周運動使電機停機、行走電機啟動，帶動工件被運出噴漆車間吊裝下一節鋼管，從而實現工件的連續噴涂作業。

4.2 操作要點

4.2.1 始發處與終止處的處理

在始發處，噴漆小車在原地噴漆，鋼管樁旋轉滿一圈后，開始啟動噴漆小車的行走。在終止處，噴漆小車原地靜止直至鋼管樁旋轉滿一圈后，開始往回運動或者停止噴漆。

4.2.2 鋼管樁不防腐段處的處理

每根鋼管樁兩端都存在工藝和設計需要的不防腐段。為防止漆霧污染不防腐段，在可行走滾輪架上安裝擋板。噴漆小車在起始處與終止處噴漆時，將油漆噴到擋板上。擋板表面貼塑料膜，可根據需要揭除塑料膜。

4.2.3 鋼管樁與可行走滾輪架的相對固定

運送鋼管樁時，鋼管樁與滾輪架之間可能產生相對運動，需要將主動滾輪架和從動滾輪架用連桿連接，使其保持行走方向相對靜止，確保鋼管樁在運送時不會掉落。

5 質量控制

5.1 鋼管樁軸向竄動控制

鋼管樁旋轉時會往一端竄動，如果不采取措施控制，鋼管樁表面剛噴完的防腐面會被破壞甚至整根鋼管樁掉落。為此在鋼管樁端部下方設置擋輪，擋輪圍繞豎直方向軸線轉動，與鋼管樁旋轉保持隨動，不會與鋼管樁端部干磨。

5.2 漆面均勻度控制

為使漆面均勻，需要保證鋼管樁勻速旋轉和噴槍勻速直線運動，且噴幅大小、噴槍移動速度與鋼管樁旋轉速度匹配。為此在滿足噴射壓力大小與穩定的前提下，噴槍的安裝與固定要牢固可靠。安裝架的剛度大，盡量減少噴槍晃動。噴漆小車的移動軌道要與可行走滾輪架的軌道平行。可行走滾輪架的主動滾輪軸線、從動滾輪軸線應在同一軸線上，并與可行走滾輪架的軌道平行[3]。

漆霧扇面由手工方式垂直于鋼管樁軸線改為與鋼管樁軸線在同一水平面上。

6 噴漆效果

由于運動非常穩定，油漆噴到鋼管樁表面的距離、速度、角度都很穩定，保證了漆膜質量，使得噴漆表面外觀大大好于傳統方法，完全消除了流掛現象，最終的成型面更加光滑、更加均勻、更加致密，大大改善了手工噴漆形成的橘皮現象，同時達到3 450 N 拉拔力所需的時間僅為相同情況下手工噴漆方法的一半（設計拉拔力不小于2 510 N）。作業前，清理車間內的雜物，檢查車間內是否有易燃易爆物品。作業期間關閉車間大門，周圍人員不得吸煙。防腐車間內擺放2 個以上滅火器。

噴漆作業時，防腐車間的門關閉，噴漆產生的VOC 氣體通過防腐車間內的上排風、下吸風管路通往VOC 處理設備（活性炭吸附+催化燃燒），經處理合格后排放到大氣中[4]。

作業完成后的油漆桶、雜物，需要按照危化品處置要求進行集中處置，不得隨意丟棄。

7 經濟效益

7.1 原材料節約

試驗鋼管直徑1.4 m、長12 m、干膜厚度800 μm（理論濕膜厚度1 050 μm），實際噴到鋼管外表面的油漆量是42.2 L（計算方式為π×1.4×12×1 050÷1 000）。原用漆74.8 L，利用率為56.45%；現用漆54.0 L，利用率為78.20%。可見，噴漆環節油漆利用率提高21.75%。公司年度油漆消耗量20 萬L 約1 000 萬元，噴漆環節用量占90%，每年可減少油漆浪費198 萬元（計算方式為1 000×90%×22%）。

7.2 人工成本節約

按一天噴20 根樁算，采用手工方法噴漆需要12個工日，用自動噴漆系統需要8 個工日，用工量減少1/3。年度油漆消耗量20 萬L，大約用工1 200 個工日，用自動噴漆系統可減少用工量400 個工日（計算方式為1 200×1/3）。按每個工日300 元計算，每年可減少人工成本12 萬元（計算方式為300×400）。

7.3 節能和環保效益

提高油漆利用率，一定程度上減少了相同工程需要的油漆量和產生的VOC 氣體，起到了較好的環保效果。同時，由于基本沒有油漆滴淌，VOC 氣體可集中處理，基本避免了非工作時間VOC 氣體的排放。

鋼管樁的待噴面是弧形的，而噴嘴是由一個點噴射出去的。用傳統方法噴漆時，槍嘴始終無法與鋼管樁外圓面保持等距，存在同一時間油漆噴射距離不均、壓力不等的情況。一方面，采用傳統方法會產生漆霧飛揚的情況，造成浪費；另一方面，由于附著厚度不均，本著全面滿足用戶厚度要求的原則，只能多噴漆，再次造成浪費。因此，傳統手工噴涂環節的油漆利用率一般不到60%，浪費嚴重。

采用鋼管樁自動噴漆施工工法時，噴幅范圍內帶均衡壓力噴射在鋼管樁圓周象限點處，始終保持直線接觸，基本沒有肉眼可見的漆霧，且噴射均勻，厚度均勻，大大提高了油漆利用率，實際的油漆利用率可以達到80%。

7.4 工作效率

手工噴一根試驗樁大約需要50 min，自動噴漆配一個噴槍只需要25 min，配兩個噴槍估計需要15 min。若配4 個噴槍同時噴兩根平行布置的鋼管樁，平均下來噴一根試驗樁只需要7.5 min，為手工噴一根試驗樁時間的0.15 倍。

7.5 勞動強度

手工噴漆時，作業人員需要一直與鋼管樁外圓面保持等距離移動噴槍，勞動強度大，工作時間久容易出現質量問題。自動噴漆時，作業人員只要在開機前夾持好噴槍，作業時操作控制啟停即可，勞動強度低。

7.6 作業環境

手工噴漆時會形成較多流掛、滴淌等，地面上、車體上都是厚厚的干漆，既影響美觀又容易造成滾輪阻塞。自動噴漆杜絕了流掛、滴淌等現象的出現，噴漆車間內地面上、車體上基本沒有油漆痕跡，且配上噴漆車間內的進、出風系統，可打造精品工程，給客戶留下良好印象[5]。

8 噴漆產能對比

8.1 自動噴漆產能

自動噴漆時，在不加大噴漆泵和噴槍流量的前提下，由一位工作人員控制。按一個噴槍考慮，單樁實際噴涂時間為25 min，進出噴漆房時間共10 min，吊裝時間共4 min，一個作業周期共計39 min。如果放兩套行走滾輪架，配一臺噴漆小車，兩根樁同時噴，相當于43 min 噴2 根（吊裝時間翻倍），一天有效工作時間8 h，扣除非正常作業（包括調漆、洗槍等）時間1 h，7 h 內完成噴漆19 根（計算方式為7×60÷（43÷2））。

以上體現單遍漆作業時間計算過程，實際按照不同情況，理論計算結果如表2 所示。

表2 自動噴漆能力匯總表

8.2 手工噴漆產能

手工噴漆時，大約50 min 噴一根試驗樁，一位工作人員一天最多能噴6根（計算方式為7×60÷（50+10+4））。

9 結語

鋼管樁自動噴漆系統充分體現了現代化快速、經濟、高效、健康作業的理念。采用鋼管樁自動噴漆系統，各項指標平穩，在經濟性、質量、工作周期、作業環境、勞動強度、用工量以及職業健康等各方面，相比于手工噴漆方式均有顯著提高，得到了業主單位的高度認可。該系統可廣泛運用于各類中、大直徑鋼管的噴涂，尤其適用于對噴漆成本控制較嚴、噴漆速度要求較快、持續性流水作業以及作業環境對人體傷害性較強的領域。此外，鋼管樁自動噴漆系統極大增強了公司在鋼管樁防腐領域的產能、影響力及核心競爭力，為日后相似工程的承攬奠定了技術基礎。