環(huán)保型全自動(dòng)管道噴砂除銹機(jī)的研制及應(yīng)用

龍 斌，呂喜軍，唐德渝，劉海超，張建護(hù)，王克寬，劉明珠

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國(guó)海洋石油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452）

環(huán)保型全自動(dòng)管道噴砂除銹機(jī)的研制及應(yīng)用

龍 斌1，呂喜軍2，唐德渝1，劉海超2，張建護(hù)1，王克寬1，劉明珠1

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國(guó)海洋石油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452）

文章介紹了一種環(huán)保型全自動(dòng)管道噴砂除銹機(jī)的組成、工作原理及其應(yīng)用效果。該設(shè)備由空氣壓縮機(jī)、噴砂機(jī)、行走機(jī)架和控制系統(tǒng)組成。采用雙噴頭形式，利用真空負(fù)壓原理對(duì)鋼砂及除銹粉塵進(jìn)行回收，能夠快速完成管道補(bǔ)口的噴砂除銹作業(yè)。應(yīng)用表明，該設(shè)備性能可靠，操作簡(jiǎn)單，鋼砂及粉塵回收率高，安全環(huán)保，除銹效果達(dá)到Sa2.5級(jí)以上。

管道；噴砂除銹；設(shè)備；全自動(dòng)；環(huán)保；應(yīng)用

國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有既符合環(huán)保要求又能達(dá)到管道除銹要求的自動(dòng)噴砂除銹裝置，而多年來(lái)，管道自動(dòng)噴砂除銹技術(shù)和產(chǎn)品一直被國(guó)外專業(yè)公司壟斷。為此，針對(duì)管道除銹清理作業(yè)的特殊環(huán)境要求，研制了既可改善作業(yè)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證除銹質(zhì)量、提高除銹作業(yè)效率，同時(shí)又能降低原材料成本的環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置。

1 環(huán)保型噴砂除銹機(jī)的工作原理

1.1 噴砂除銹機(jī)工作原理

在噴砂除銹過(guò)程中，空氣通過(guò)壓縮機(jī)加壓至0.4～0.8 MPa后儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣罐中，開啟閥門，儲(chǔ)氣罐中排出的高壓氣體吹向車載式砂罐，將砂罐中流出的磨料形成高壓粒子流，經(jīng)高壓軟管和噴槍不斷地噴射，依靠磨料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。

1.2 環(huán)保型噴砂除銹機(jī)的工作原理

環(huán)保型噴砂除銹機(jī)采用特殊的噴頭設(shè)計(jì)，如圖1所示，在噴砂槍頭外加上一個(gè)半封閉腔體，在腔體上套上硬毛刷，工作時(shí)毛刷緊貼工件表面，負(fù)壓回收口連接真空泵回抽空氣，在腔體內(nèi)形成負(fù)壓，噴射出的鋼砂在高速撞擊工件表面后，在負(fù)壓的作用下通過(guò)回收口回到儲(chǔ)砂罐。在噴砂機(jī)內(nèi)部對(duì)回收的鋼砂進(jìn)行粉塵分離，見(jiàn)圖2，鋼砂由于重力作用落入儲(chǔ)砂罐中，而粉塵和污垢在高壓下被吸入專用的處理裝置，通過(guò)濾芯進(jìn)行過(guò)濾，排放出干凈的空氣。

2 全自動(dòng)管道噴砂除銹機(jī)

2.1 成套設(shè)備的主要組成

APB-D-I環(huán)保型全自動(dòng)管道噴砂除銹機(jī)由空壓機(jī)、噴砂機(jī)、行走機(jī)架和控制系統(tǒng)組成?？諌簷C(jī)（見(jiàn)圖3）為噴砂作業(yè)提供動(dòng)力源，一般工作壓力0.4～0.8 MPa，能夠提供10 m3/min流量的壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷卻裝置及油水分離器處理，以保證壓縮空氣的干燥、無(wú)油。

噴砂機(jī)由儲(chǔ)砂罐、2臺(tái)真空泵、控制系統(tǒng)、粉塵過(guò)濾系統(tǒng)、2個(gè)噴嘴、噴砂管和回砂管組成 （見(jiàn)圖4）。儲(chǔ)砂罐能夠裝載300 kg的鋼砂，工作時(shí)鋼砂由儲(chǔ)砂罐底部的2個(gè)砂閥流入噴嘴，砂閥可以根據(jù)除銹效果調(diào)節(jié)出砂量，在高壓空氣流的作業(yè)下，鋼砂獲得了動(dòng)能，形成了高速的鋼砂流，通過(guò)噴砂管噴在管道表面，除掉了管道表面的污垢和銹蝕，由特殊的噴頭對(duì)鋼砂和粉塵進(jìn)行回收，鋼砂進(jìn)入儲(chǔ)砂罐回收再利用，粉塵被濾芯過(guò)濾，因此過(guò)濾濾芯需要定期清理和更換，以保證粉塵回收的效率。

行走機(jī)架由吊裝架、外框機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)組成 （見(jiàn)圖5）。其中，外框機(jī)構(gòu)起到整體的定位和支撐作用，兩個(gè)外框機(jī)構(gòu)之間通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在外框機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪槽中，通過(guò)其上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用可使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞管道中心軸線進(jìn)行240°旋轉(zhuǎn)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)管道周向的噴砂除銹功能。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌上，其上安裝有噴砂槍，在擺動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，可沿導(dǎo)軌軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)管道的噴砂除銹功能。

控制系統(tǒng)采用可編程控制器作為控制核心，驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)、擺動(dòng)電機(jī)和噴砂機(jī)，實(shí)現(xiàn)噴砂機(jī)和行走機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作 （見(jiàn)圖6）。控制系統(tǒng)具有環(huán)向行走速度、軸向行走速度、軸向幅度和步進(jìn)幅度的調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)不同作業(yè)要求進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，得到滿意的除銹效果。工作模式分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，在自動(dòng)模式下無(wú)需人工干預(yù)，一鍵操作即可完成全部工作；在手動(dòng)模式下，可以對(duì)環(huán)向行走進(jìn)行人工干預(yù)，可以靈活應(yīng)對(duì)工程施工中可能出現(xiàn)的異常情況。

2.2 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

2.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）軸向行走速度：0～4 000 mm/min連續(xù)可調(diào)。

（2）環(huán)向行走速度：0～2 000 mm/min連續(xù)可調(diào)。

（3）除銹幅度：0～400 mm連續(xù)可調(diào)。

（4）適用管徑：D 168～1 219 mm。

（5） 氣源壓力： 0.4～ 0.8 MPa。

（6） 耗氣量： 10～15 m3/min。

（7） 適用磨料： G18～G25。

（8）步進(jìn)幅度：20～70 mm連續(xù)可調(diào)。

2.2.2 設(shè)備特點(diǎn)

APB-D-I型自動(dòng)噴砂除銹設(shè)備為長(zhǎng)輸管道、海洋油氣管道專用設(shè)備，專門用于管道外環(huán)焊縫補(bǔ)口的自動(dòng)噴砂除銹。主要性能特點(diǎn)如下：

（1）采用雙槍頭結(jié)構(gòu)同時(shí)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)快速高效的噴砂除銹。

（2）智能化軟件控制，一鍵式操作，簡(jiǎn)單易用。

（3）參數(shù)輸入、工作模式可調(diào)，靈活便捷。

（4）采用負(fù)壓回收，粉塵回收率達(dá)100%，安全環(huán)保。

（5）鋼砂回收循環(huán)使用，降低工程成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

（6）除銹效果好，達(dá)到Sa2.5級(jí)以上。

3 自動(dòng)噴砂除銹試驗(yàn)

3.1 設(shè)備及材料

試驗(yàn)采用APB-D-I型設(shè)備一套，包括雙頭噴砂機(jī)一臺(tái)、流量10 m3/min的空壓機(jī)一臺(tái)、適用管徑762 mm的行走架和控制箱。

試驗(yàn)用管長(zhǎng)5 m、直徑762 mm、材質(zhì)為X65，G25鋼砂300 kg，三相380 V、50 Hz和兩相220 V、50 Hz的電源。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

（1）將足量的鋼砂加入砂罐中，在空壓機(jī)未加壓的情況下進(jìn)行裝置的旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)等空載運(yùn)行試驗(yàn)。在正常的工作狀態(tài)下運(yùn)行一段時(shí)間，看是否存在不穩(wěn)定因素，運(yùn)行是否平穩(wěn)，驗(yàn)證無(wú)誤后，達(dá)到載荷運(yùn)行條件。

（2）裝置停止運(yùn)行，啟動(dòng)空壓機(jī)，待壓力達(dá)到試驗(yàn)要求，打開空壓機(jī)閥門，進(jìn)行噴砂試驗(yàn)，檢查噴砂氣管路是否暢通，并驗(yàn)證除塵器的除塵效果。

（3）將裝置安裝到管道的適當(dāng)位置，啟動(dòng)空壓機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)噴砂除銹裝置運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行管道補(bǔ)口的除銹作業(yè)。

（4）運(yùn)行過(guò)程中記錄運(yùn)行參數(shù)，工作一段時(shí)間后，停止除銹作業(yè)，檢測(cè)除銹質(zhì)量。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示，通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，得到試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)：空壓機(jī)功率為44 kW，噴砂機(jī)功率為22 kW，氣源壓力為0.8 MPa，工作時(shí)氣源壓力為0.7 MPa，排氣量為10.0 m3/min，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速度為0～78 mm/s可調(diào)，擺動(dòng)速度0～82 mm/s可調(diào)，擺動(dòng)幅度0～410 mm可調(diào)，步進(jìn)幅度20～75 mm可調(diào)，對(duì)于管徑為762 mm的管道補(bǔ)口作業(yè)，除銹管段長(zhǎng)350 mm，單道補(bǔ)口除銹作業(yè)全部時(shí)間為270 s，除銹錨紋深度為50～75 μm，除銹質(zhì)量達(dá)到Sa2.5級(jí)以上 （見(jiàn)圖8）。

4 工程應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

環(huán)保型管道全自動(dòng)噴砂除銹設(shè)備安裝在中海油202號(hào)鋪管船上，應(yīng)用于荔灣3-1氣田的2條深水管道的鋪設(shè)施工，該項(xiàng)目位于我國(guó)南海距香港東南約300 km處，水深1 350～1 500 m，是我國(guó)海洋油氣田開發(fā)走向深海的第一條海底管道。管道的補(bǔ)口設(shè)計(jì)采用DNV-RP-B401-1993標(biāo)準(zhǔn)，除銹作業(yè)采用自動(dòng)除銹工藝。該項(xiàng)目是我國(guó)鋪設(shè)的第一條深水管道，第一次采用自動(dòng)除銹設(shè)備及工藝進(jìn)行補(bǔ)口作業(yè)。

4.2 應(yīng)用情況

到目前為止，已經(jīng)完成了300多道補(bǔ)口噴砂除銹作業(yè)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，除銹效果均滿足工程要求，鋼砂回收良好，粉塵回收率100%。

[1]郭奇超，劉艷利，焦如義.大型儲(chǔ)罐環(huán)保型除銹機(jī)的研制［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（6）:436-439.

[2]張斌，劉武，周裕鑫.油氣管道自動(dòng)噴砂除銹裝置的研制與應(yīng)用［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008，27（10）:32-35.

[3]姚冠新,施國(guó)洪.鋼管壁面噴砂除銹作業(yè)線的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000,31（5）:114-116.

Development and Application of Environmental Friendly Full-automatic Machine for Pipeline Sandblast Derusting

LONG Bin（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,LU Xi-jun,TANG De-yu,et al.

An environmental friendly full-automatic machine for pipeline sandblast derusting is introduced in this paper in aspects of its structure,working principle and application effect.The machine consists of air compressor,sandblast,running frame and control system.It applies double nozzles and reclaims steel sand and dust on vacuum principle.It can rapidly fulfill sandblast derusting operation for pipeline joint with the advantages of reliable performance,easy operation,high reclaiming rate of steel sand and dust,safety and environmental protection.The derusting effectiveness exceeds Sa2.5 class.

sandblast derusting;equipment;full-automatic;environmental protection;application

TE988

B

1001－2206（2011）06－0036－03

龍 斌 （1979-），男，湖北監(jiān)利人，工程師，2000年畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，主要從事海洋工程裝備及自動(dòng)化方面研究應(yīng)用工作。

2011-06-13