劉明珠 （中國石油集團工程技術研究院 天津300451）

0 引言

隨著我國管道建設的迅速發(fā)展，管道施工技術取得了日新月異的進步，除銹方式逐漸由傳統(tǒng)的鋼絲刷除銹、電動鋼絲刷除銹轉變?yōu)閲娚俺P。多年來，管道鋪設過程中外壁防腐作業(yè)前的表面除銹清理一直采用人工開放式的噴砂除銹作業(yè)。這種方法雖然能夠滿足管道表面清理質量的要求，但是施工效率極低，且由于砂料噴向管道表面后不回收，現(xiàn)場砂料消耗量很大，造成原料的較大浪費。更為嚴重的是，在噴砂過程中現(xiàn)場粉塵彌漫，環(huán)境污染非常嚴重，對操作工人的生命安全和身體健康都造成極大威脅，同時會對周圍其他作業(yè)工種的正常施工帶來不利影響。

隨著我國管道建設步伐的加快，越來越多的管道需要進行現(xiàn)場除銹清理工作。而多年來，管道自動噴砂除銹技術和產(chǎn)品一直被國外專業(yè)公司壟斷，國內(nèi)在這方面起步較晚，基本處于空白狀態(tài)。針對管道除銹清理作業(yè)的特殊環(huán)境要求，研制了既可改善噴砂作業(yè)環(huán)境、減輕勞動強度、提高噴砂除銹作業(yè)效率，又能降低原材料成本的環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置。

1 噴砂除銹的工作原理及存在問題

1.1 噴砂除銹工作原理

管道噴砂除銹是以壓縮空氣為動力，將磨料（噴丸玻璃珠、鋼丸、鋼砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂）高速噴射到需要處理的管道表面。由于磨料的沖擊和切削作用，管道表面的機械性能得到了改善，管道的抗疲勞性提高，增加了管道表面和涂層之間的附著力，延長了涂膜的耐久性，也有利于涂料的平和裝飾。在清除掉表面的雜質、雜色及氧化層的同時，使介質表面粗化，減少基材表面的殘余應力，提高基材表面硬度。圖1給出了常規(guī)噴砂除銹設備各部分的組成，在噴砂除銹過程中，空氣通過車載式壓縮機加壓至0.4～0.6 MPa后儲存于儲氣罐中，開啟閥門，儲氣罐中排出的高壓氣體吹動車載式砂罐，從車載式砂罐中流出的石英砂形成高壓粒子流，經(jīng)高壓軟管和噴槍不斷地噴射，依靠石英砂的沖擊和摩擦作用除去鋼管表面的污垢、氧化皮、鐵銹、油漆涂層和泥土等附著物，使金屬表面重現(xiàn)光澤，并具有一定的粗糙度。

圖1 管道野外噴砂除銹示意圖

1.2 噴砂除銹作業(yè)中存在的問題

噴砂除銹作業(yè)處5～10 m的范圍內(nèi)布滿了石英砂粉塵，影響了莊稼的生長，造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。噪音約有100 dB，造成作業(yè)人員的聽力受到損害。作業(yè)人員在施工時完全被粉塵包裹，尤其是在夏季施工，厚重的防護服會使作業(yè)人員嚴重失水，而發(fā)生中暑。常規(guī)噴砂除銹是開放式施工作業(yè)，石英砂一般不回收。以一條直徑為813 mm，長為360 km的管道為例，全線焊口數(shù)約為30 000個，每個焊口消耗石英砂120 kg，全線共需石英砂3 600 t，以500元/t計算，僅購買石英砂材料就需要花費180萬元。

2 環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置的結構原理

針對常規(guī)噴砂除銹中存在的問題，設計了環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置。該裝置采用了直插式快速裝卡機構和數(shù)字驅動控制技術，以及雙噴頭采用渦流負壓回收技術同時作業(yè)，實現(xiàn)了高效環(huán)保的噴砂除銹，鐵砂與粉塵等清理物的自動回收分選分離，鐵砂的循環(huán)使用，銹污、毒害油漆的徹底清理等功能。

如圖2所示，環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置由外框機構、旋轉機構和擺動機構組成。其中，外框機構起到整體的定位和支撐作用，兩個外框機構之間通過旋轉機構相連接。旋轉機構安裝在外框機構的導向輪槽中，通過其上的驅動電機作用可使旋轉機構繞管道中心軸線進行240°旋轉，以此來實現(xiàn)裝置對管道周圍的噴砂除銹功能。擺動機構固定在旋轉機構的導軌上，其上安裝有噴砂槍。在擺動電機的驅動下，可沿導軌軸向運動，實現(xiàn)裝置對管道軸向的噴砂除銹功能。

圖2 環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置結構圖

2.1 外框機構

外框機構如圖3所示，它是由外框板、齒圈、導向輪和定位支撐組成的。外框機構是整個裝置的支撐體，其主要功能是支撐和聯(lián)接各個部件，確保各部件間及各部件與管道的相對位置精度。其中，齒圈通過螺栓連接固定在外框板上。每個外框板上均布了14個導向輪，內(nèi)圈均布5個導向輪，外圈均布9個導向輪。其通過軸套安裝在外框板上的安裝孔內(nèi)，軸套通過螺栓與外框板連接。同時，導向輪內(nèi)部采用了偏心軸的結構設計，通過調整偏心可以調節(jié)導向輪與旋轉機構的相對位置，確保其相切。兩個定位支撐分別通過螺栓連接安裝在外框板上的安裝孔內(nèi)，起到整體定位與支撐的作用。

圖3 外框機構結構圖

2.2 旋轉機構

旋轉機構如圖4所示，它是由旋轉板、導軌軸套、大齒輪、驅動齒輪、傳動軸、導軌、齒條、聯(lián)桿和聯(lián)桿墊片等組成的。其中，兩個旋轉板通過10根聯(lián)桿固定連接在一起，聯(lián)桿兩端分別插入旋轉板上的安裝孔，并在聯(lián)桿端部通過聯(lián)桿墊片與旋轉板螺栓連接。行走電機通過連接板安裝在旋轉板上部，其輸出軸通過平鍵與小齒輪連接，通過驅動小齒輪的轉動，帶動與其嚙合的大齒輪。同時，大齒輪安裝在傳動軸上，傳動軸通過軸承安裝在兩個旋轉板之間，大齒輪的轉動帶動傳動軸的旋轉。驅動齒輪通過平鍵與傳動軸相連接，傳動軸的旋轉同時帶動驅動齒輪的旋轉，其與外框機構中固定在外框板上的齒圈相嚙合，由此來實現(xiàn)整體旋轉機構繞管道中心軸線的旋轉。導軌通過兩端的導軌軸套安裝在旋轉板的安裝孔內(nèi)，導軌軸套與旋轉板通過螺栓相連接。同時，齒條也通過兩端的軸套安裝在旋轉板的安裝孔內(nèi)，軸套與旋轉板通過螺栓相連接。旋轉機構通過兩個旋轉板安裝在外框機構的導向輪槽中，其上的驅動齒輪與外框機構的齒圈相嚙合，以此來實現(xiàn)旋轉機構繞管道中心軸線的旋轉運動。

圖4 旋轉機構結構圖

2.3 擺動機構

圖5 擺動機構結構圖

擺動機構如圖5所示，它是由噴砂槍、擺動電機、連接板、行程開關、限位板、防護罩、擺動齒輪、直線軸承、支撐板、夾板和夾持座等組成的。其中，擺動電機安裝在支撐板上，其輸出軸與擺動齒輪通過平鍵連接。4個直線軸承通過螺栓連接固定在支撐板上，通過直線軸承將擺動機構安裝在旋轉機構的導軌上，由擺動電機驅動擺動齒輪的轉動。由于擺動齒輪與旋轉機構中的齒條相嚙合，以此實現(xiàn)擺動機構沿管道軸線方向的運動。限位板通過螺栓連接固定在支撐板上，起到機械限位的作用。行程開關安裝在限位板上，通過調節(jié)其行程來實現(xiàn)對管道噴砂范圍的調節(jié)功能。連接板通過夾板與支撐板下端的矩形槽進行螺栓連接，通過矩形槽的結構可以調節(jié)安裝在連接板上的噴砂槍沿管道徑向的距離，夾持座通過螺栓連接固定在連接板的末端，起到支撐夾持噴砂槍的作用。

3 中試應用

2011年3月在中海油施工現(xiàn)場進行了環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置的中試應用。

3.1 試驗過程

3.1.1 將足量的石英砂加入砂罐中，在空壓機未加壓的情況下進行裝置的旋轉、擺動等空載運行試驗。在正常的工作狀態(tài)下運行一段時間，不存在不穩(wěn)定因素，運行也很平穩(wěn)，驗證無誤后，達到載荷運行條件。

3.1.2 裝置停止運行，啟動空壓機，待壓力達到試驗要求，打開空壓機閥門，進行噴砂試驗，檢查噴砂氣管路是否暢通，并驗證除塵器的除塵效果。

3.1.3 將裝置安裝到管道的適當位置，啟動空壓機，同時啟動自動噴砂除銹裝置進行管道補口的除銹作業(yè)。

3.1.4 運行過程中記錄運行參數(shù)，工作一段時間后，停止除銹作業(yè)。檢測除銹質量，計算除銹效率。

重復以上試驗過程至少3次，以保證檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 測試結果

試驗測試數(shù)據(jù)：空壓機功率為38 kW，氣源壓力為0.8 MPa，工作時氣源壓力為0.6 MPa，排氣量為5.0 m3/min。旋轉機構速度為0～17.8 cm/s可調，除銹錨紋深度為50～75 μm，除銹質量達到Sa 3.0級，最大工作效率為18 m2/h。

環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置運行平穩(wěn)，旋轉靈活，工作安全可靠。噴砂密封性良好，回收凈化充分。

3.3 試驗結論

環(huán)保型管道自動噴砂除銹裝置的各項技術指標均達到了設計要求，實現(xiàn)了管道補口的自動噴砂除銹，同時可對砂粒進行自動回收，改善了管道噴砂作業(yè)的工作環(huán)境，減少了對周圍環(huán)境的污染程度，且減輕了施工人員的勞動強度，提高了管道噴砂除銹的工作效率，節(jié)省了大量的原材料，有很好的推廣應用前景?！?/p>

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