可變尺寸管道外壁除銹裝置研究

王 帥 余金煌

（安徽建筑大學 土木工程學院，合肥 230601）

1 研究現(xiàn)狀

管道輸送以其獨特的技術和經濟優(yōu)勢，在能源、燃料、市政、化工等領域發(fā)揮著重要的作用。隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，輸油管、輸氣管、供排水管及污水回注管等對于金屬管道的需求量日益增長。金屬管道在安裝使用前都會進行除銹上漆處理，防止其內外表面被腐蝕。但在固定安裝使用后，由于長期暴露于日曬雨淋等環(huán)境，管道外表面的防護漆易脫落，進而出現(xiàn)腐蝕。金屬管道的腐蝕常常會引起災難性的后果，如導致火災、泄漏和環(huán)境污染等，并造成巨大經濟損失。因此，輸送管道外表面腐蝕生銹后，需要及時進行清理并涂刷保護漆，防止進一步腐蝕。目前，對于金屬管道外表面除銹裝置的研究，主要集中于管道安裝前的除銹研究。

王春霞利用化學除銹劑，有效溶解了鋼鐵制品表面的鐵銹[1]。王銀炯等人從船舶智能化除銹裝置的設計要求出發(fā)，利用高溫高壓預處理和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 智能化操作相結合的方案，設計了一種船舶智能除銹裝置[2]。程智勇等人采用脈沖激光除銹技術使材料本體表面升溫，以達到除銹的目的[3]。蘇宇等人利用現(xiàn)有設備設施，設計研發(fā)了一種遙控式智能高架車，實現(xiàn)了超高壓水除銹自動化作業(yè)[4]。陳應明提出在鋼鐵表面進行噴砂除銹，即運用一定規(guī)格尺寸的磨料，在一定的空氣壓力下噴射到鋼鐵表面，利用磨料本身的硬度、沖擊韌性和棱角去除鋼鐵表面的鐵銹[5]。朱甲兵研究設計了一種自適應鋼管外表面除銹裝置，通過調節(jié)剖分式筒形刷結構，自適應鋼管外徑變化進行除銹[6]。李奇文等人提出了一種鋼管外表面在線除銹方法，先淋濕鋼管，然后通過除銹機的兩組毛刷相對鋼管旋轉方向反向旋轉清除鋼管表面的鐵銹，再通過高壓水沖洗附著的鐵泥，最后用壓縮空氣干燥鋼管[7]。楊鑫偉等人提出一種鋼管外表面除銹系統(tǒng)，包括輸送裝置和除銹裝置，通過輸送裝置將鋼管移動到除銹裝置，再使用除銹輪對鋼管外表面進行除銹[8]。目前，常用的大型鋼管除銹機采用拋噴丸的方式對鋼管內外表面進行除銹。這些除銹裝置均為固定安裝，將待除銹的鋼管放置或運送到除銹裝置內進行除銹作業(yè)，無法應用于已經安裝使用后外表面再次生銹的金屬管道。

針對已安裝在生產線上的輸送管道，普遍采用的除銹方法是人工除銹。該方式除銹操作靈活，但勞動強度大，環(huán)境污染嚴重，對于高空懸置的輸送管道還需要配合升降車才能進行除銹。何小琳等人研究提出一種爬行式鋼管外表面打磨器，通過3 個等角度安裝的鋼絲輪打磨頭往復旋轉運動進行打磨，并根據(jù)仿生學原理，通過絲杠螺母配合電磁鐵模擬尺蠖的爬行進給[9]。但鋼絲輪打磨頭易損壞，而且來回往復運動、急停急啟對電機的損耗較大，除銹效率不高。

針對以上除銹難題，設計了一種管道除銹裝置，其不僅能夠打磨管道表面，去除表面的銹跡，降低粗糙度，防止因生銹影響管道質量，而且適用于不同尺寸的管道，實現(xiàn)了自動操作，保證了管道的除銹質量，節(jié)約了工程造價。

2 總體設計及工作原理

設計的金屬管道外壁除銹裝置具有體積小、費用低、除銹效果好和易于使用等優(yōu)點，主要由上移動座、下移動座、軸向絲桿、聯(lián)軸器、步進電機、徑向絲杠、移位轉盤以及砂輪機等組成。該裝置的整體結構如圖1 所示，部分結構如圖2 所示，技術參數(shù)如表1 所示。

表1 技術參數(shù)

圖1 除銹裝置整體結構

圖2 除銹裝置部分結構

從左機架的置管孔中插入生銹鋼管，并通過三爪卡盤和從動三爪卡盤，使用扳手旋緊扳手孔，使3 個卡爪進行向心運動并均勻夾緊生銹鋼管。根據(jù)鋼管直徑的不同，通過移位轉盤調整上移動座沿徑向絲杠的前后運動，進而調整砂輪機相對生銹鋼管的徑向距離。調整完畢后，砂輪機應靠近生銹鋼管但不與其接觸。首先，打開電機箱開關，三爪卡盤帶動鋼管一起轉動。其次，打開砂輪機開關，砂輪機開始轉動。調整移位轉盤使上移動座向前運動，進而使砂輪機與鋼管接觸。最后，打開步進電機開關，使中移動座沿軸向絲杠左右往復旋轉運動，完成除銹作業(yè)。

本裝置使用砂輪打磨的方法進行除銹，工作原理如下。砂輪高速旋轉的同時，砂輪機在中移動座的軸向運動帶動下，通過軸向傳動絲杠的傳動作用沿鋼管進行軸向往復運動，且鋼管本身在三爪卡盤的帶動下不斷旋轉，從而實現(xiàn)整個鋼管外表面的完全除銹。砂輪基座上的縱向絲杠可以調整砂輪和鋼管的距離，同時三爪卡盤和從動三爪卡盤可通過卡爪調整直徑大小，從而適應不同管徑鋼管的除銹作業(yè)。該裝置整體操作簡便，除銹效果好。

3 工程部件設計

3.1 往復機構設計

往復運動從形式上可分為往復直線運動、往復擺動、往復曲線運動和往復復雜運動等，其中往復直線運動最常見，應用也最廣泛。實現(xiàn)往復運動的常見機構有凸輪機構、曲柄滑塊機構和曲柄搖桿機構等，本設計利用凸輪機構原理使打磨器在移動座中沿管道做往復直線運動，實現(xiàn)過程如下。基座頂端固定安裝下移動座，下移動座的中間固定安裝軸向絲杠。聯(lián)軸器套接在軸向絲桿的左端，步進電機固定在聯(lián)軸器的左端。徑向絲杠穿過上移動座的中間位置后，固定安裝移位轉盤。移位轉盤上安裝轉柄，通過轉動轉柄可控制砂輪機在前后方向移動。軸向絲杠通過聯(lián)軸器與步進電機相連，步進電機在程序控制下不斷改變轉動方向，實現(xiàn)中移動座的固定往復運動，從而使砂輪機在左右方向移動。

3.2 旋轉機構設計

常見的旋轉機構有螺旋式旋轉機構、凸輪式旋轉機構和曲柄式旋轉機構。本設計采用的凸輪式旋轉機構是由凸輪、從動件和機架3 個基本構件組成的高副機構，通過凸輪的回轉運動推動從動件進行往復擺動。設計的三爪卡盤、右機座、左機架以及從動三爪卡盤在同一軸線上?；锥碎_設支腳結構，基座中間開設5 個減重槽。電機箱中的電機控制三爪卡盤的主動轉動，三爪卡盤夾緊鋼管，實現(xiàn)鋼管的轉動。

3.3 三爪卡盤設計

三爪卡盤又稱三爪自定義卡盤，由卡盤、卡爪和油槽等組成，如圖3 所示?？ūP按驅動卡爪的動力不同，可分為手動卡盤和動力卡盤兩種。其工作原理是利用卡盤扳手轉動圓周上3 個傘齒中的任意一個，帶動平面螺紋轉動，從而帶動3 個卡爪一齊移動，起到自定義裝夾工作的作用?？ūP頂端開設有油槽，主要作用是引導潤滑油。卡盤側面開設有扳手孔，右端安裝有右機座，內部安裝有3 個卡爪?？ㄗ榷嗣骈_設有固定槽，作用是防止卡爪表面粗糙度差導致無法夾緊鋼管?？ㄗυ诳ūP的內部槽中沿徑向運動，且兩兩之間的夾角為120°。

圖3 三爪卡盤示意圖

4 可變尺寸管道外壁除銹裝置的特點及應用優(yōu)勢

可變尺寸管道外壁除銹裝置的除銹特點如下。第一，可調尺寸?？勺兂叽绻艿劳獗诔P裝置通?？烧{節(jié)尺寸，能夠適應不同直徑和長度的管道。第二，多功能性。除了除銹，該裝置還具備其他功能，如清除污垢、涂層、油漆等，應用范圍較廣，在工業(yè)維護和修復中更具實用性。第三，自動化與操作簡便。該裝置具有自動化的功能，如自動控制除銹過程、調整裝置尺寸等，而且其操作相對簡便，降低了操作人員的工作強度。第四，環(huán)保性。部分設計采用環(huán)保的除銹方式，如水射流除銹技術等，減少了對環(huán)境的污染。第五，安全性。設備配備了一些安全保護措施，以確保操作人員在使用過程中的安全，如防護罩、緊急停止按鈕等。

該裝置具有4 點應用優(yōu)勢。第一，徹底除銹。可變尺寸管道外壁除銹裝置能夠有效去除管道外壁的銹蝕，恢復管道的表面質量，有助于延長管道的使用壽命。第二，表面凈化。除銹過程會連帶去除管道外壁的污垢、油漆、涂層等，使管道表面得以凈化，為后續(xù)工作（如防腐涂層施工）奠定良好基礎。第三，提高效率。使用可變尺寸管道外壁除銹裝置可以實現(xiàn)自動化或半自動化的除銹過程，從而提高除銹效率，節(jié)省時間和人力成本。第四，改善管道流通。去除銹蝕和污垢可以恢復管道的內部光滑度，有助于改善流體的流通能力，降低流體輸送阻力。

5 對比試驗

通過管道穿越項目的現(xiàn)場試驗，對外壁銹蝕較嚴重的200 根不同管徑的管道進行不同方式的除銹。本次采用的除銹方法有可變尺寸管道外壁除銹裝置除銹、化學除銹和激光除銹等，如圖4 所示。

圖4 生銹管道及不同方式除銹效果

從圖4 可知，3 種除銹方式均能夠達到較好的除銹效果。但在試驗過程中，化學除銹和激光除銹都存在環(huán)境、成本和人員操作等方面的問題。

化學除銹涉及化學溶劑或酸堿溶液的使用，這些物質可能對環(huán)境造成污染，特別是在處理廢液時需要注意環(huán)境保護和處理要求。操作人員在使用化學物質進行除銹時可能面臨健康風險，如吸入有害氣體、接觸腐蝕性物質等，需要采取適當?shù)姆雷o措施。化學除銹可能對管道材料造成損傷，尤其是對金屬管道，過度使用強酸堿溶液可能導致管道金屬表面腐蝕，影響管道的強度和耐久性。處理化學除銹過程中產生的廢液可能含有有害物質，需要進行專門的處理，增加了廢液處理的難度和成本。進行化學除銹還需要一定的技術和操作經驗，操作人員需要具備相關知識和技能，以確保安全和有效性。

激光除銹涉及復雜的設備和高精度的技術要求，可能導致除銹過程的成本較高。激光技術需要大量的能源供應，特別是對于高功率的激光系統(tǒng)來說，能源消耗很大。激光技術涉及高能量光束，操作人員需要經過嚴格的安全培訓，做好安全防護，以防止激光輻射對人員和環(huán)境造成損害。激光輻射可能導致管道金屬表面產生熱應力，從而使金屬脆化或變形，影響管道的強度和耐久性。激光技術還可能產生有害氣體或廢物，需要進行適當?shù)奶幚砗吞幹?，以減少對環(huán)境的影響。

綜上所述，采用可變尺寸管道外壁除銹裝置除銹方法既可以減少環(huán)境污染、時間消耗以及成本支出，而且相對于激光以及化學除銹方法，對工作人員的技術要求較低，減少了很多潛在的危險。

6 結語

通過管道穿越項目的現(xiàn)場試驗，對比了外壁銹蝕較嚴重的200 根不同管徑的管道進行不同方式除銹，均達到合格標準，其中可變尺寸管道外壁除銹裝置除銹極大提高了現(xiàn)場的除銹效率、質量和施工效益，管道內壁除銹達到預期效果，解決了實際問題。