海管節(jié)點(diǎn)自動(dòng)噴砂除銹工藝技術(shù)及影響因素分析

楊彪 楊陽 王志勇 李洪濤 趙岑（中海油能源發(fā)展管道工程涂敷分公司，天津300452）

海底管道外防腐涂層是管道長期安全運(yùn)行的保障，而節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口防腐性能相對(duì)薄弱，是影響整個(gè)管道防腐性能最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一。同樣，節(jié)點(diǎn)表面除銹質(zhì)量是影響節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口防腐性能的重要因素。

PIH、BrederoShaw 等多家國外公司已開發(fā)出海管節(jié)點(diǎn)自動(dòng)噴砂除銹技術(shù)，并成功應(yīng)用于多條深水管道。在國內(nèi)，該工藝也開始逐步推廣應(yīng)用[1-3]。本文對(duì)該工藝的流程及設(shè)備進(jìn)行簡要介紹，并結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用情況，對(duì)該工藝的除銹效果及其影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。

1 工藝流程

海管節(jié)點(diǎn)自動(dòng)噴砂除銹工藝主要包括表面預(yù)處理、清洗、預(yù)熱、噴砂除銹、吹掃和檢測。

圖1 海管節(jié)點(diǎn)自動(dòng)噴砂除銹工藝流程圖

首先通過打磨等方式清除節(jié)點(diǎn)焊縫附近焊瘤、飛濺、油污等雜質(zhì)，并利用純水清洗降低節(jié)點(diǎn)表面鹽分含量，然后使用丙烷火炬預(yù)熱節(jié)點(diǎn)，使其表面溫度高于露點(diǎn)3℃以上。對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行噴砂處理，注意避開主體涂層，之后用干燥清潔的壓縮空氣吹掃節(jié)點(diǎn)表面，除去殘留的磨料及灰塵，最后對(duì)節(jié)點(diǎn)表面處理質(zhì)量進(jìn)行檢查。

2 工藝設(shè)備

海管節(jié)點(diǎn)自動(dòng)噴砂除銹工藝使用多通道封閉負(fù)壓回收式噴砂機(jī)和微機(jī)控制自動(dòng)行走噴砂工裝系統(tǒng)。前者由儲(chǔ)砂罐、噴砂槍頭、砂塵回收分離裝置等組成（見圖2）。儲(chǔ)砂罐內(nèi)部分上、下兩個(gè)儲(chǔ)砂室，中間設(shè)置隔離閥，通過調(diào)節(jié)隔離閥實(shí)現(xiàn)向外提供砂源和自動(dòng)補(bǔ)砂。儲(chǔ)砂罐底部設(shè)有砂流分配器，可同時(shí)供給多個(gè)噴槍作業(yè)。回收的磨料經(jīng)過砂塵分離器再生后進(jìn)入儲(chǔ)砂罐，粉塵、鐵銹、氧化皮等雜質(zhì)進(jìn)入除塵系統(tǒng)，避免造成環(huán)境污染。

微機(jī)控制自動(dòng)行走噴砂工裝系統(tǒng)由自動(dòng)行走支架（見圖3）和控制系統(tǒng)組成。整個(gè)系統(tǒng)采用PLC 控制，通過電傳動(dòng)裝置，帶動(dòng)噴槍沿管道環(huán)向和軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。噴砂開始后，噴槍先沿鋼管軸向從節(jié)點(diǎn)左側(cè)至右側(cè)擺動(dòng)一次，再沿鋼管環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)一次，然后從右側(cè)返回至左側(cè)，之后再轉(zhuǎn)動(dòng)一次，如此反復(fù)進(jìn)行，直至全面覆蓋整個(gè)節(jié)點(diǎn)表面。

圖3 自動(dòng)行走支架示意圖

圖2 噴砂機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 除銹效果及影響因素分析

南海某深水項(xiàng)目施工過程中使用了海管自動(dòng)噴砂除銹工藝，其鋼管規(guī)格Φ323×19.1mm，鋼級(jí)X65，噴砂前預(yù)熱溫度40～60℃，使用GP25 鋼砂，噴砂除銹時(shí)間5min，壓縮空氣壓力0.5～0.7MPa，節(jié)點(diǎn)表面除銹效果完全滿足項(xiàng)目及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，詳細(xì)結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)場檢驗(yàn)記錄表(部分)

3.1 磨料

磨料對(duì)除銹效果的影響主要包括磨料硬度、粒徑、密度及電導(dǎo)率。磨料硬度高，沖擊鋼管表面時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)換因數(shù)大，清理效果好，但同時(shí)磨料易破碎，不能重復(fù)使用；磨料硬度低，磨料易變形，降低沖擊力。

磨料的粒度大小決定了鋼管表面粗糙度的大小。如圖4所示，當(dāng)速度相同時(shí)，G18鋼砂砂粒的沖擊能大約是G50鋼砂的20倍，G14鋼砂產(chǎn)生的錨紋深度接近120μm，G80鋼砂產(chǎn)生的錨紋深度在50μm 左右，即粒徑越大，錨紋深度越大。但粒徑變大后，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)鋼管表面的磨料數(shù)量降低，覆蓋面變小[4]。另外，粒徑變大致使單個(gè)磨料質(zhì)量贈(zèng)大，磨料回收效果會(huì)有所降低。

圖4 磨料粒徑對(duì)沖擊力、錨紋深度的影響

一般情況下，磨料密度應(yīng)該大于7.4g/cm3。密度低，則表明鋼丸內(nèi)部存在較多的氣孔和顯微裂紋，或含碳量較高，在使用過程中很容易破碎。另外，磨料表面鹽分含量也不能太高，否則會(huì)增加節(jié)點(diǎn)表面鹽分含量[5]。

3.2 壓縮空氣壓力

壓力越高，砂粒噴射速度越快，鋼管表面處理效果越好。但當(dāng)速度變大，則磨料的破碎率會(huì)增大，對(duì)鋼管的切蝕、噴射的有效距離及空氣紊流都會(huì)隨之變化，并反映到清理效率中來。

3.3 噴槍移動(dòng)速度

噴砂時(shí)，噴槍移動(dòng)方式分為沿鋼管環(huán)向的轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向的擺動(dòng)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)一次對(duì)應(yīng)的距離稱為轉(zhuǎn)動(dòng)步距。增大轉(zhuǎn)動(dòng)步距，可縮短節(jié)點(diǎn)施工時(shí)間，但如果步距過大，鋼管表面容易出現(xiàn)暗紋，使表面除銹效果降低。同理，當(dāng)軸向擺動(dòng)速度變大時(shí)，噴砂時(shí)間也可縮短，但表面除銹效果會(huì)降低（見圖5）。

圖5 噴槍轉(zhuǎn)動(dòng)步距過大、擺動(dòng)速度過高對(duì)應(yīng)的除銹效果

3.4 噴槍與鋼管間距

噴槍距鋼管越遠(yuǎn)，磨料達(dá)到鋼管表面的速度越小，由于空氣阻力的影響，磨料飛行距離每增加1m，磨料的動(dòng)能損失就增加10%，當(dāng)磨料速度＜50m/s時(shí)，就不能有效地清除鋼管表面的氧化皮[6]。另外，噴砂距離越遠(yuǎn)，噴嘴毛刷形成的負(fù)壓回收空腔體積越大，回收負(fù)壓越低，磨料和粉塵回收效果不好，鋼管表面灰塵殘留增多。反之，噴槍距鋼管距離變小，鋼管表面粗糙度增大，但噴射范圍變小，噴槍移動(dòng)步距相應(yīng)減小，整個(gè)節(jié)點(diǎn)噴砂時(shí)間變長，施工效率降低，而項(xiàng)目工期和進(jìn)度控制是海上鋪管過程中業(yè)主關(guān)注重點(diǎn)之一。

4 結(jié)語

（1）利用自動(dòng)噴砂除銹工藝技術(shù)，海管節(jié)點(diǎn)表面除銹等級(jí)可≥Sa2.5，表面粗糙度50～100 μm，表面灰塵污染度＜2級(jí)，表面鹽分含量＜20mg/m2，除銹效果良好，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）自動(dòng)噴砂除銹工藝采用了封閉負(fù)壓回收式噴砂機(jī)和自動(dòng)行走噴砂工裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管道節(jié)點(diǎn)表面自動(dòng)噴砂處理，磨料可再生利用，粉塵等雜質(zhì)可回收處理，環(huán)境污染程度低，有效改善了工作條件，符合現(xiàn)場HSE管理要求。

（3）磨料、噴砂距離和噴槍移動(dòng)速度等因素會(huì)影響鋼管噴砂除銹效果，現(xiàn)場施工前應(yīng)做好工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定好相關(guān)工藝參數(shù)，以保證節(jié)點(diǎn)表面處理質(zhì)量。