程繼兵，劉耀民，趙福本，王 健

（中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

0 前 言

鋼管防腐涂層局部厚度不足的問(wèn)題一直存在于直焊縫鋼管的防腐生產(chǎn)過(guò)程中。在3LPE防腐過(guò)程中，約200℃的聚乙烯膜片經(jīng)過(guò)壓輥碾壓后涂敷在鋼管表面，由于直焊縫的存在，高溫聚乙烯膜片在經(jīng)過(guò)碾壓后涂敷在脊?fàn)詈缚p上時(shí)，減薄量較為明顯，因此，焊縫處涂層的厚度總是低于管體涂層厚度。國(guó)外一些管線對(duì)焊縫與管體涂層厚度的比例要求嚴(yán)格，一般要求減薄量不低于90%。而為保證焊縫處涂層的厚度，只有增加擠出量，加大膜片厚度才能滿足質(zhì)量要求。筆者研究開(kāi)發(fā)了一種涂層厚度補(bǔ)償裝置，以期對(duì)直縫焊管的防腐生產(chǎn)提供參考。

1 焊縫補(bǔ)償裝置的基本原理

焊縫涂層補(bǔ)償裝置原理如圖1所示。焊縫涂層補(bǔ)償裝置由步進(jìn)電機(jī)、牽引輥、壓輥、1#超越離合器、2#超越離合器和鏈條等幾部分組成，步進(jìn)電機(jī)由1臺(tái)PLC控制，提供牽引輥動(dòng)力。由于步進(jìn)電機(jī)與牽引輥之間（1#離合器）及牽引輥與壓輥之間（2#離合器）采用超越離合器聯(lián)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較膜片速度低或不旋轉(zhuǎn)時(shí)，1#超越離合器處于分離狀態(tài)，2#離合器閉合，牽引輥由與壓輥連接的鏈條帶動(dòng)，隨膜片同速轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，膜片厚度無(wú)較大變化。當(dāng)電機(jī)速度超過(guò)膜片速度時(shí)，牽引輥與電機(jī)之間的1#離合器閉合，電機(jī)帶動(dòng)牽引輥高速旋轉(zhuǎn)，而此時(shí)牽引輥與壓輥之間的2#離合器分離，脫離壓輥牽引。步進(jìn)電機(jī)以鏈傳動(dòng)方式帶動(dòng)涂層牽引輥高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)牽引輥與涂層膜片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而改變牽引輥與壓輥之間膜片的張緊力，張緊力減小后膜片厚度隨之增加，再經(jīng)壓輥碾壓涂敷在焊縫上達(dá)到提高焊縫處涂層厚度的作用。

圖1 焊縫涂層補(bǔ)償裝置原理圖

從圖1可以看出，牽引輥的轉(zhuǎn)速是影響膜片厚度的關(guān)鍵。當(dāng)牽引輥與膜片同速時(shí)，牽引輥與膜片之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)膜片的厚度無(wú)影響。當(dāng)牽引輥速度大于膜片速度時(shí)，牽引輥與膜片之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，速度越大，產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越大。由于摩擦力的存在，膜片與壓輥之間的張緊力減小，幅寬加大，進(jìn)而厚度產(chǎn)生變化。

2 PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制

在電機(jī)的選擇上，由于該裝置采用三相混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。在力矩的選擇上，通過(guò)對(duì)單位膜片拉力的測(cè)算，得出膜片的拉力，圓整后選擇了該范圍的靜力矩，靜力矩即保持力矩，指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。步進(jìn)電機(jī)在極低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，所產(chǎn)生的力矩近似等于保持力矩，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減。

直焊縫涂層厚度控制裝置對(duì)精度有一定的要求，如以步矩角整步運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)震動(dòng)較大，對(duì)涂層會(huì)有影響，因此增加了脈沖分配器來(lái)細(xì)分步矩角，從而提高電機(jī)運(yùn)行精度。采用3M2080型脈沖分配器，設(shè)計(jì)調(diào)整細(xì)分值使步距角達(dá)到0.36°，初步試驗(yàn)表明，該步距角度可滿足精度要求。

電機(jī)的控制和脈沖周期決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)量決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間，控制好上述兩個(gè)參數(shù)即可控制膜片厚度的變化。對(duì)于判斷超越離合器的離合與非離合狀態(tài)是控制焊縫涂層厚度的關(guān)鍵點(diǎn)。采用測(cè)速比較的方法來(lái)判斷離合器的狀態(tài)。在牽引輥的軸端裝1臺(tái)高精度編碼器，通過(guò)編碼器測(cè)得牽引輥的實(shí)際轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速以及設(shè)定的補(bǔ)償量計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需轉(zhuǎn)速。

在編寫(xiě)程序中，對(duì)于測(cè)速的算法采用捕捉系統(tǒng)時(shí)間的方法，脈沖計(jì)數(shù)采用固定脈沖數(shù)中斷的方式，充分利用了PLC的內(nèi)部功能，使測(cè)速更加準(zhǔn)確，經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)儀器的校對(duì)，誤差在1%之內(nèi)。

3 工控機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)使用了組態(tài)王軟件，采用昆侖通態(tài)TPC1063E型觸摸顯示屏，如圖2所示。觸摸屏顯示牽引轉(zhuǎn)速及電機(jī)的相關(guān)參數(shù)并可設(shè)定手動(dòng)和自動(dòng)補(bǔ)償模式。工控機(jī)可接收焊縫自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)，并計(jì)算2次檢測(cè)的時(shí)間間隔、焊縫高度及焊縫檢測(cè)數(shù)量。

圖2 焊縫涂層補(bǔ)償裝置工控機(jī)界面

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

焊縫涂層補(bǔ)償裝置在3LPE防腐生產(chǎn)線上分別進(jìn)行了工藝可行性分析試驗(yàn)、不同牽引輥轉(zhuǎn)速下對(duì)涂層厚度的影響等試驗(yàn)。

4.1 工藝可行性分析試驗(yàn)

試驗(yàn)沒(méi)有針對(duì)焊縫進(jìn)行直接補(bǔ)償，電機(jī)以約100 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對(duì)管體使用易高456型在線測(cè)厚儀，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1可以看出，補(bǔ)償后的管體涂層厚度明顯大于未補(bǔ)償?shù)暮穸取?/p>

表1 管體涂層厚度數(shù)據(jù)表mm

4.2 焊縫涂層厚度補(bǔ)償試驗(yàn)

采用φ711 mm×16 mm規(guī)格鋼管進(jìn)行焊縫厚度補(bǔ)償試驗(yàn)，防腐級(jí)別為加強(qiáng)級(jí)。根據(jù)檢驗(yàn)工藝卡的內(nèi)容，焊縫處涂層厚度不得小于2.24 mm，管體處涂層厚度不得小于3.2 mm。取樣在正常的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行，僅停止FBE及AD涂敷，其他工藝參數(shù)與工藝卡相符。試樣點(diǎn)厚度的測(cè)試使用千分尺，精度為0.01。補(bǔ)償后焊縫處涂層的平均厚度為 3.148 mm；在未補(bǔ)償?shù)脑嚇又泻缚p處涂層的平均厚度為 2.722 mm。焊縫涂層厚度補(bǔ)償數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可以看出，涂層厚度的最薄處在焊縫，最厚處在焊縫的兩側(cè)約2 cm處。

表2 焊縫涂層厚度補(bǔ)償數(shù)據(jù)表 mm

4.3 不同牽引輥轉(zhuǎn)速對(duì)涂層厚度的影響

不同牽引輥轉(zhuǎn)速下的涂層厚度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出，在傳動(dòng)線頻率和擠出量一定的情況下，改變牽引輥的旋轉(zhuǎn)速度，可以發(fā)現(xiàn)焊縫處涂層的厚度會(huì)發(fā)生明顯的變化。

表3 不同牽引輥轉(zhuǎn)速下涂層厚度數(shù)據(jù)表

5 焊縫自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

焊縫自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)采用了Meta最新的VistaWeld SLS激光傳感器。該系統(tǒng)曾用于焊管工藝中對(duì)焊縫的焊接跟蹤，而應(yīng)用于焊管防腐尚屬首次。在此應(yīng)用中，激光傳感器固定在鋼管的側(cè)面，如圖3所示。當(dāng)鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)，其表面的外焊焊縫將快速地從傳感器100 mm的視場(chǎng)中通過(guò)，系統(tǒng)軟件將能夠檢測(cè)到幾幅連續(xù)的焊縫圖像并發(fā)出數(shù)字信號(hào)用于控制補(bǔ)償控制器。系統(tǒng)在準(zhǔn)確識(shí)別焊縫的同時(shí)，能夠顯示出焊縫的形貌，通過(guò)焊縫形貌測(cè)量出焊縫高度并在端子上輸出1個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬量信號(hào)給補(bǔ)償控制器，補(bǔ)償控制器根據(jù)模擬量調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)涂層的補(bǔ)償厚度。

圖3 焊縫自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)激光傳感器

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在生產(chǎn)線上的試運(yùn)行，焊縫涂層補(bǔ)償裝置的使用得到很好的驗(yàn)證。對(duì)同種規(guī)格鋼管涂層厚度的測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知，使用焊縫涂層補(bǔ)償裝置后，鋼管平均涂層厚度可減少0.23～0.32 mm，焊縫處涂層厚度質(zhì)量良好。

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