油氣管道防腐補(bǔ)口裝備集成化研究*

王長(zhǎng)江 張鋒 張華偉 劉然 徐淼

(1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司 2.油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 3.中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程有限公司 4.中國(guó)石油管道局工程有限公司)

0 引 言

以中俄東線管道工程為標(biāo)志，我國(guó)油氣管道開啟了“智能管道”建設(shè)時(shí)代，對(duì)整個(gè)施工過程提出了機(jī)械化作業(yè)要求[1-2]。在防腐補(bǔ)口領(lǐng)域，以自動(dòng)除銹設(shè)備、中頻加熱設(shè)備及紅外加熱設(shè)備為基礎(chǔ)的機(jī)械化防腐補(bǔ)口方式取代了傳統(tǒng)手工防腐補(bǔ)口方式，實(shí)現(xiàn)了管道工程現(xiàn)場(chǎng)防腐補(bǔ)口的機(jī)械化流水作業(yè)，有效提升了防腐補(bǔ)口質(zhì)量及施工效率[3-8]。然而，現(xiàn)有以單功能防腐補(bǔ)口設(shè)備簡(jiǎn)單組合構(gòu)成的防腐補(bǔ)口機(jī)組相對(duì)龐大、人員配置較多、施工組織困難及施工成本難以降低等問題日益突顯，嚴(yán)重制約了機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)與裝備的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

為解決單體組合式防腐補(bǔ)口模式存在的問題并為應(yīng)用單位創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，本文結(jié)合熱收縮帶防腐補(bǔ)口施工工序特點(diǎn)，成功研發(fā)了基于除銹&中頻一體式設(shè)備與中頻&紅外一體式設(shè)備的集成化防腐補(bǔ)口裝備，同時(shí)制定了與之配套的補(bǔ)口工藝，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有機(jī)械化補(bǔ)口裝備四工位施工方式向集成化補(bǔ)口裝備三工位施工方式的轉(zhuǎn)變，以及針對(duì)管道工程連續(xù)口、連頭口與返修口的不同集成化防腐補(bǔ)口裝備優(yōu)化組合方式。針對(duì)智能管道與智慧管網(wǎng)建設(shè)的數(shù)字化移交要求，集成化防腐補(bǔ)口裝備控制系統(tǒng)融入了自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸功能模塊，實(shí)現(xiàn)了防腐補(bǔ)口各工序中與需控制指標(biāo)參數(shù)相關(guān)的關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)及與數(shù)據(jù)終端的無(wú)線傳輸。

1 集成化防腐補(bǔ)口裝備

集成化防腐補(bǔ)口裝備主要包含除銹&中頻系統(tǒng)與中頻&紅外系統(tǒng)，如圖1所示。除銹&中頻系統(tǒng)用于管道待補(bǔ)口區(qū)域除潮、除銹與預(yù)熱的同工位同步作業(yè)，主要由除銹&中頻一體式設(shè)備、控制系統(tǒng)(含中頻電源)、噴砂系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)等組成，如圖1a所示。中頻&紅外系統(tǒng)用于管道待補(bǔ)口區(qū)域底漆加熱與熱收縮帶收縮熔膠等工序的同工位同步作業(yè)，主要由中頻&紅外一體式設(shè)備、控制系統(tǒng)(含中頻電源)、液壓系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)等組成，如圖1b所示。

圖1 集成化防腐補(bǔ)口裝備組成示意圖Fig.1 Schematic composition of the integrated jointcoating equipment

發(fā)電機(jī)為所有用電設(shè)備提供動(dòng)力，液壓系統(tǒng)用于設(shè)備的開合，控制系統(tǒng)用于控制一體化設(shè)備的各項(xiàng)動(dòng)作，空氣壓縮機(jī)為噴砂系統(tǒng)提供氣源，噴砂系統(tǒng)為除銹&中頻一體式設(shè)備提供高速磨料且實(shí)現(xiàn)磨料的循環(huán)利用與粉塵的分離回收。除銹&中頻一體式設(shè)備及中頻&紅外一體式設(shè)備為兩個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分。

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1.1 除銹&中頻一體式設(shè)備

除銹&中頻一體式設(shè)備主要由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)、弧形中頻機(jī)構(gòu)、液壓開合機(jī)構(gòu)、鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)組件、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、從動(dòng)定位輪、分線盒、分液塊、支撐桿和限位開關(guān)等組成，如圖2所示。其布局方式與運(yùn)行軌跡為：除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向移動(dòng)，水平位置對(duì)稱布局；4塊弧形中頻機(jī)構(gòu)的弧度與鋼管外圓弧面吻合，360°對(duì)稱布局，采用回字形線纜布局方式，中頻線纜首尾相接；采用周向旋轉(zhuǎn)與軸向移動(dòng)相結(jié)合的往復(fù)循環(huán)運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道待補(bǔ)口區(qū)域的無(wú)遺漏除銹與全覆蓋加熱，如圖3所示。

1—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；2—分線盒；3—分液塊；4—旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；5—鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)組件；6—弧形中頻機(jī)構(gòu)；7—從動(dòng)定位輪；8—支撐桿；9—限位開關(guān)；10—除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)；11—旋轉(zhuǎn)軸；12—液壓開合機(jī)構(gòu)。圖2 除銹&中頻一體式設(shè)備Fig.2 Rust removal & intermediate frequencyintegrated equipment

1—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；2—弧形中頻機(jī)構(gòu)；3—除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖3 除銹與中頻布局方式Fig.3 Layout of rust removal and intermediatefrequency equipment

噴砂除銹是以壓縮空氣為動(dòng)力，催動(dòng)非金屬或金屬磨料高速噴射到需處理的工件表面，清除銹蝕和污物等，并產(chǎn)生一定的表面粗糙度[9-14]。中頻加熱是以中頻交流電產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)對(duì)處于其中的工件通過感應(yīng)電流加熱[15-20]。除銹&中頻一體式設(shè)備應(yīng)用時(shí)，根據(jù)具體施工環(huán)境及除銹質(zhì)量檢測(cè)用時(shí)對(duì)溫降的影響，預(yù)先設(shè)定高于底漆涂刷要求的合適溫度。噴砂除銹動(dòng)作與中頻加熱同時(shí)開啟，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)停止中頻加熱，當(dāng)噴砂除銹與指標(biāo)檢測(cè)完成時(shí)，預(yù)熱溫度剛好滿足底漆涂刷的溫度要求，實(shí)現(xiàn)了待補(bǔ)口區(qū)域除銹與預(yù)熱的同工位同步作業(yè)。

1.1.2 中頻&紅外一體式設(shè)備

中頻&紅外一體式設(shè)備主要由骨架、中頻加熱機(jī)構(gòu)、紅外加熱機(jī)構(gòu)、液壓開合機(jī)構(gòu)、快速入位機(jī)構(gòu)、支撐輪、線液分輸盒、加強(qiáng)架、遮熱板和擋風(fēng)板等組成，如圖4所示。紅外加熱機(jī)構(gòu)由7組紅外輻射板組成，與中頻加熱機(jī)構(gòu)的中頻線纜采用間隔布局，實(shí)現(xiàn)了中頻與紅外的內(nèi)、外協(xié)同加熱，如圖5所示。

1—骨架；2—支撐輪；3—線液分輸盒；4—加強(qiáng)架；5—中頻加熱機(jī)構(gòu)；6—紅外加熱機(jī)構(gòu)；7—遮熱板；8—快速入位機(jī)構(gòu)；9—擋風(fēng)板；10—液壓開合機(jī)構(gòu)。圖4 中頻&紅外一體式設(shè)備Fig.4 Intermediate frequency & infrared integrated equipment

紅外加熱是一種輻射傳熱的過程，利用紅外輻射板發(fā)射出來(lái)的紅外線照射被加熱物料，使物料吸收紅外線后內(nèi)部分子和原子“共振”產(chǎn)生熱能，達(dá)到加熱目的[21-25]。紅外加熱機(jī)構(gòu)由7組紅外輻射板組成三個(gè)獨(dú)立功能區(qū)，中間組為一區(qū)、緊挨中間組的兩組為二區(qū)、剩余組為三區(qū)。綜合考慮發(fā)電機(jī)功率和加熱效率等因素，在中頻電源的額定功率內(nèi)合理選擇中頻加熱機(jī)構(gòu)所用的具體功率。根據(jù)底漆加熱與熱收縮帶收縮、熔膠等施工工序的具體要求，可選擇中頻定功率分時(shí)段加熱與紅外分區(qū)加熱的協(xié)同加熱方式，以達(dá)到最佳的加熱效果，繼而實(shí)現(xiàn)以上工序的同工位同步作業(yè)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 待補(bǔ)口區(qū)域表面處理與預(yù)熱同步作業(yè)

通過噴槍橫向行走機(jī)構(gòu)與弧形中頻加熱機(jī)構(gòu)的分角度對(duì)稱布局、中頻線纜回字形繞線與圈數(shù)選定、運(yùn)行軌跡的設(shè)定與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)除銹與中頻加熱的一體化設(shè)計(jì)、沿軌跡運(yùn)行時(shí)的管口表面無(wú)遺漏自動(dòng)除銹及全覆蓋中頻加熱的同步作業(yè)，保證了除銹質(zhì)量與預(yù)熱溫度同時(shí)達(dá)到管道工程防腐補(bǔ)口施工要求，有效提高了施工效率。

1.2.2 底漆加熱固化與熱收縮帶安裝同工位施工

通過多覆層耐高溫中頻線纜與條形紅外輻射板的間隔循環(huán)布局、中頻加熱功率的合理選定、紅外加熱機(jī)構(gòu)的合理分區(qū)，實(shí)現(xiàn)了中頻加熱與紅外加熱的一體化設(shè)計(jì)以及底漆加熱固化與熱收縮帶安裝工序的同工位施工。

1.2.3 熱收縮帶收縮與熔膠的協(xié)同加熱

通過定功率分時(shí)段中頻加熱與分區(qū)紅外加熱的疊加效果研究，確定了紅外分區(qū)加熱與中頻計(jì)時(shí)加熱進(jìn)行熔膠的內(nèi)外協(xié)同加熱組合方式，提高了加熱效率，保證了熱收縮帶安裝質(zhì)量。

2 補(bǔ)口工藝

管道工程現(xiàn)場(chǎng)熱收縮帶補(bǔ)口施工主要采用干膜施工，結(jié)合一體式設(shè)備特點(diǎn)與試驗(yàn)效果，確定集成化防腐補(bǔ)口裝備的施工工序如下：

待補(bǔ)口區(qū)域預(yù)處理、除銹(含搭接區(qū)PE處理)與預(yù)熱→底漆涂刷→熱收縮帶安裝→底漆加熱與熱收縮帶收縮→熱收縮帶熔膠→排氣泡→封膠條，并確定具體補(bǔ)口工藝要求(見表1)。

表1 補(bǔ)口工藝要求Table 1 Technical requirements for joint coating process

3 模擬試驗(yàn)與工程測(cè)試

本文針對(duì)管徑1 219 mm鋼管，結(jié)合制定的補(bǔ)口工藝進(jìn)行了集成化防腐補(bǔ)口裝備的模擬試驗(yàn)，優(yōu)化了施工方式，并在中俄東線天然氣管道工程南段五標(biāo)段進(jìn)行了工程測(cè)試，模擬試驗(yàn)與工程測(cè)試分別如圖6和圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，集成化防腐補(bǔ)口裝備與補(bǔ)口工藝實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化防腐補(bǔ)口流水作業(yè)，簡(jiǎn)化了機(jī)組設(shè)備構(gòu)成和人員配置，提高了施工效率，降低了施工成本。

圖6 模擬試驗(yàn)Fig.6 Simulation tests

圖7 工程測(cè)試Fig.7 Operation tests

3.1 施工方式

集成化防腐補(bǔ)口裝備實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口施工形式由基于除銹、中頻、紅外的“三車四工位”與“四車四工位”及基于除銹與中頻的“三車四工位”向“二車三工位”的轉(zhuǎn)變，如圖8所示。

圖8 施工組織方式示意圖Fig.8 Schematic diagram of construction organization

基于除銹/中頻/紅外的“三車四工位”與“四車四工位”是指3臺(tái)或4臺(tái)單功能作業(yè)車完成四個(gè)補(bǔ)口工位的全部補(bǔ)口工序而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)的施工形式。該方式的工位一和工位四分別由自動(dòng)除銹作業(yè)車和紅外加熱作業(yè)車獨(dú)立完成。工位二與工位三的區(qū)別在于“三車四工位”的中頻加熱作業(yè)車需要反復(fù)進(jìn)退完成工位二與工位三的作業(yè)，而“四車四工位”的兩臺(tái)中頻加熱作業(yè)車分別獨(dú)立完成工位二與工位三的作業(yè)，如圖8a所示。

基于除銹/中頻的“三車四工位”是指3臺(tái)單功能作業(yè)車完成4個(gè)補(bǔ)口工位的全部補(bǔ)口工序而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)的施工形式。該方式的前3個(gè)工位由相關(guān)設(shè)備完成，而熱收縮帶安裝工位需要火把完成熱收縮帶的收縮，而后由中頻加熱作業(yè)車完成熱收縮帶的熔膠，最后由火把進(jìn)行PE搭接區(qū)的補(bǔ)償熔膠，以保證熱收縮帶安裝質(zhì)量，如圖8a所示。

集成化補(bǔ)口裝備的“二車三工位”是指2臺(tái)雙功能作業(yè)車完成3個(gè)補(bǔ)口工位的全部補(bǔ)口工序而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)的施工形式，如圖8b所示。除銹&中頻作業(yè)車同工位同步完成待補(bǔ)口區(qū)域表面處理與預(yù)熱兩種工序，中頻&紅外作業(yè)車同工位協(xié)同完成底漆加熱與熱收縮帶安裝兩種工序。

3.2 對(duì)比分析

結(jié)合機(jī)組設(shè)備構(gòu)成、人員配置、施工效率、機(jī)械化程度和施工成本等因素，進(jìn)行不同形式的機(jī)械化防腐補(bǔ)口對(duì)比分析，結(jié)果如下。

3.2.1 設(shè)備構(gòu)成與人員配置

集成式機(jī)械化防腐補(bǔ)口二車三工位的基本配置為2輛工程作業(yè)車與7名工人；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補(bǔ)口三車四工位與四車四工位的基本配置分別為3輛工程作業(yè)車與9名工人、4輛工程作業(yè)車與11名工人；基于除銹/中頻的機(jī)械化補(bǔ)口三車四工位的基本配置為3輛工程作業(yè)車與13名工人。

3.2.2 施工效率

機(jī)械化防腐補(bǔ)口流水作業(yè)施工效率取決于用時(shí)最長(zhǎng)的工序，集成式機(jī)械化防腐補(bǔ)口二車三工位與基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補(bǔ)口四車四工位的整體效率相當(dāng)，但熱收縮帶安裝效率更高；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補(bǔ)口三車四工位次之，整體效率取決于中頻作業(yè)車反復(fù)移位用時(shí)；基于除銹/中頻的機(jī)械化補(bǔ)口三車四工位熱收縮帶安裝用時(shí)最長(zhǎng)，施工效率最低，尤其是在低溫環(huán)境下。

開放創(chuàng)新是“地平線歐洲”為以更大的力度支持突破性創(chuàng)新，加速知識(shí)資本向適應(yīng)市場(chǎng)的產(chǎn)品、服務(wù)和商業(yè)模式轉(zhuǎn)化而在其研發(fā)計(jì)劃下新設(shè)立的支柱領(lǐng)域，目標(biāo)在于扶持各種以市場(chǎng)為導(dǎo)向的創(chuàng)新活動(dòng)，支持面向市場(chǎng)的創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化。

3.2.3 機(jī)械化程度

集成式機(jī)械化防腐補(bǔ)口二車三工位與基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補(bǔ)口的三車四工位與四車四工位除底漆涂刷外均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械作業(yè)，機(jī)械化程度相當(dāng)，但集成式防腐補(bǔ)口裝備實(shí)現(xiàn)了多功能化，可一機(jī)多用；基于除銹/中頻的機(jī)械化補(bǔ)口三車四工位的底漆涂刷、熱收縮帶收縮與補(bǔ)償熔膠均采用人工操作方式，機(jī)械化程度最低。

3.2.4 施工成本

本文主要從車輛油耗、用電設(shè)備功率、人員費(fèi)用與液化氣消耗等方面進(jìn)行比較。集成式機(jī)械化防腐補(bǔ)口二車三工位施工成本最低；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補(bǔ)口三車四工位施工成本次之；基于除銹/中頻的機(jī)械化補(bǔ)口三車四工位的施工成本再次之；基于除銹/中頻/紅外的機(jī)械化防腐補(bǔ)口四車四工位的施工成本最高。

綜上，集成式機(jī)械化防腐補(bǔ)口的設(shè)備構(gòu)成與人員配置最少，施工效率及機(jī)械化程度最高，施工成本最低。

3.3 數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸

智能管道與智慧管網(wǎng)的建設(shè)要求管道施工時(shí)對(duì)影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行全數(shù)字化移交[26-29]。集成化防腐補(bǔ)口裝備通過將自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸模塊融入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了待補(bǔ)口區(qū)域表面處理、預(yù)熱及熱收縮帶收縮與熔膠等工序的關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，與焊口二維碼、施工人員編碼關(guān)聯(lián)整合后無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)接收終端。

4 集成化補(bǔ)口裝備優(yōu)化組合建議

5 結(jié) 論

(1)集成化防腐補(bǔ)口裝備的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了管道待補(bǔ)口區(qū)域除銹與預(yù)熱工序的同工位同步作業(yè)，以及底漆加熱與熱收縮帶收縮熔膠的同工位協(xié)同作業(yè)。

(2)集成化防腐補(bǔ)口裝備與工藝實(shí)現(xiàn)了“二車三工位”的機(jī)械化防腐補(bǔ)口流水作業(yè)，簡(jiǎn)化了機(jī)組施工方式、設(shè)備構(gòu)成與人員配置，提高了施工效率，降低了施工成本。

(3)自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸功能模塊的融入，實(shí)現(xiàn)了集成化防腐補(bǔ)口裝備關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)及與數(shù)據(jù)終端平臺(tái)間的無(wú)線傳輸，為數(shù)字化移交與完整性管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

(4)針對(duì)不同類型焊口提出的優(yōu)化組合方式，為工程單位合理選擇與優(yōu)化配置集成化防腐補(bǔ)口裝備提供了參考依據(jù)。