高空管線遙控探傷施工技術(shù)研究

郝冠男，張元蛟

（中建安裝工程有限公司，江蘇 南京 210023）

0 引言

探傷作業(yè)作為焊接質(zhì)量的直接把關(guān)，其工作要求不斷提高。為了更好地利用空間，大部分管廊工程會選擇鋪設(shè)多層管線，這樣就存在大量高空管線的焊縫探傷作業(yè)，而管道探傷一般為X射線探傷，具有X射線輻射危險性，在射線機(jī)工作期間，作業(yè)人員必須遠(yuǎn)離射線機(jī)至少30 m。使用常規(guī)的高空管線探傷施工技術(shù)，作業(yè)人員需頻繁地攀爬腳手架、搬運(yùn)探傷設(shè)備上下高空、將輔助爬梯移位；再者，探傷作業(yè)一般在夜間進(jìn)行，受夜間視線受限、管道表面凝結(jié)露水以及探傷設(shè)備過重的影響，作業(yè)人員上下高空存在較大的危險。

本文詳細(xì)介紹了高空管線遙控探傷施工技術(shù)，采用該技術(shù)進(jìn)行高空管線探傷作業(yè)，作業(yè)人員不需要上下搬運(yùn)探傷設(shè)備，極大提高了高空管線探傷的工作效率，最大程度保證了作業(yè)人員的安全。

1 工程概況

由本公司總承包的海南省洋浦港油品碼頭及配套儲運(yùn)設(shè)施工程項目，位于洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)神頭港區(qū)，是海南省重點建設(shè)項目，主要建設(shè)30萬t級原油泊位和5萬t噸級成品油泊位各1個。從水陸分界點至泊位的管道共計4 km長，管廊分為4層共11根管道，頂層管道距離地面高達(dá)7.5 m，高空管線探傷作業(yè)的工程量非常大，再者整個工程工期緊，留給探傷作業(yè)的時間不充裕。其中有一根“24”成品油管道屬于單根管線，旁邊沒有其他支撐點，此管線探傷的難度很大。

2 工藝原理

選用厚度10 mm的鋼板制作成弧度為270°的環(huán)狀導(dǎo)軌，導(dǎo)軌寬度根據(jù)磁力行車的尺寸制作，環(huán)形導(dǎo)軌的下方設(shè)有若干組定向滑動輪，分為主動輪和從動輪，主動輪上設(shè)有電機(jī)提供導(dǎo)軌前進(jìn)的動力，從動輪為彈簧結(jié)構(gòu)克服裝配誤差。環(huán)形導(dǎo)軌的下方還設(shè)有與環(huán)形導(dǎo)軌相適配的電磁鐵，保證磁力行車在沿導(dǎo)軌移動時導(dǎo)軌不會轉(zhuǎn)動，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意

將探傷設(shè)備固定在磁力小車上，磁力小車可以沿著環(huán)形導(dǎo)軌行走，由于磁力小車為磁力輪結(jié)構(gòu)，其吸附力能夠保證磁力小車沿圓周方向轉(zhuǎn)動而不會因自身重力而掉下地面。磁力小車與環(huán)形導(dǎo)軌組成探傷輔助推車。

在需要探傷的高空管線端頭處搭設(shè)腳手架平臺，作業(yè)人員到達(dá)平臺上將輔助推車安裝在待檢測管線上，再將探傷設(shè)備固定在磁力小車上，檢查各個連接是否牢固后手動推動輔助推車滑行一段距離，確保輔助推車的重心在運(yùn)行時不會發(fā)生偏離。

作業(yè)人員回到路面上，在路面上手持輔助推車的遙控裝置控制環(huán)形導(dǎo)軌前進(jìn)，行進(jìn)至待檢測焊縫處后，通過輔助推車的遙控裝置給環(huán)形導(dǎo)軌上的電磁鐵通電，環(huán)形導(dǎo)軌牢牢吸附在管道上。再操作磁力小車使其行走到需要檢測的焊縫段。接通探傷設(shè)備的電源，完成曝光準(zhǔn)備后通過探傷設(shè)備的遙控進(jìn)行延時曝光。曝光完畢后操作磁力小車回到環(huán)形導(dǎo)軌正上方，斷開環(huán)形導(dǎo)軌的電磁鐵供電。繼續(xù)控制輔助推車前進(jìn)到達(dá)下一個待測焊縫，重復(fù)以上步驟。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→環(huán)形導(dǎo)軌的制作→主動輪電機(jī)的選型→磁力小車的選型→環(huán)形導(dǎo)軌的安裝→輔助推車在管線上行走→探傷設(shè)備通電曝光。

3.2 操作要點

3.2.1 環(huán)形導(dǎo)軌的制作

由于環(huán)形導(dǎo)軌的缺口部分比探傷的管徑直徑小，所以在制作時將導(dǎo)軌分成兩半制作，兩半導(dǎo)軌相連接端均設(shè)有一帶連接孔的角鋼，兩角鋼通過螺栓相互固定，使得兩半導(dǎo)軌固定連接。

環(huán)形導(dǎo)軌的重心需要讓其固定在管線重心上方，為使導(dǎo)軌能夠沿著管線軸向方向移動而不產(chǎn)生圓周方向轉(zhuǎn)動，通過分析環(huán)形導(dǎo)軌的力學(xué)性能，在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)安放4對輪子，上方是一個主動輪和一個從動輪，下方是兩個從動輪，每個輪子跟豎直方向成45°，如圖2所示。

為了克服裝配誤差導(dǎo)致輪子與管線的不充分接觸及輔助推車通過焊縫位置產(chǎn)生的震動，在從動輪上安裝彈簧輔助結(jié)構(gòu)，如圖3所示，通過調(diào)節(jié)彈簧壓緊螺栓調(diào)節(jié)壓緊力，控制主動輪正壓力，使導(dǎo)軌沿軸線方向的運(yùn)動更流暢。

圖2 導(dǎo)軌內(nèi)輪子安放示意

圖3 從動輪-彈簧結(jié)構(gòu)示意

所有輪子采用Ф40 mm的不銹鋼輪，加上有40 mm長的彈簧和10 mm厚的壓塊，探傷管線為DN600的管線，管道外徑為610 mm，所以環(huán)形導(dǎo)軌外框直徑為 610+40×2+40×2+10×2=790 mm。

由于磁力小車沿環(huán)形導(dǎo)軌的行走運(yùn)動和環(huán)形導(dǎo)軌沿著管線水平運(yùn)動是分開的，所以在磁力小車行走時需要保證導(dǎo)軌是固定不動的。

為了達(dá)到這個要求，考慮在環(huán)形導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)、四個輪子的中間安裝4個電磁鐵，如圖4所示。在磁力小車沿環(huán)形導(dǎo)軌行走時，給電磁鐵通電，讓電磁鐵吸住管道進(jìn)行固定；在環(huán)形導(dǎo)軌需要行走的時候斷開電磁鐵的電，使電磁鐵松開管道。

圖4 導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)電磁鐵安放示意

對安放的電磁鐵進(jìn)行受力分析：

分析可知，小車反作用于導(dǎo)軌上的最大旋轉(zhuǎn)力矩為：

導(dǎo)軌輪摩擦阻力矩：

因此所需要的滑軌輪-管道摩擦力大于等于156.7 N·m；基于此，為了防止導(dǎo)軌在小車運(yùn)行時同時旋轉(zhuǎn)，可以采用171.3 N吸附力的電磁鐵，選擇Φ40 mm圓柱狀的電磁鐵。

3.2.2 主動輪電機(jī)的選型

環(huán)形導(dǎo)軌在管線上行走，必須給主動輪提供動力，所以在主動輪上設(shè)有電機(jī)，電機(jī)可通過控制線控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，電機(jī)選型通過對環(huán)形導(dǎo)軌進(jìn)行如下水平運(yùn)動受力分析。

（1）質(zhì)量和尺寸。環(huán)形導(dǎo)軌外框直徑為790 mm。磁力小車自重20 kg，探傷設(shè)備質(zhì)量約20 kg，環(huán)形導(dǎo)軌的質(zhì)量約20 kg，其他配件質(zhì)量約5 kg,故整體質(zhì)量約65 kg。

（2）各輪受力分析。由于上方兩個輪受重力原因必為壓緊的狀態(tài)，而下方輪僅起輔助行走作用，故整體重量有上方兩個輪承擔(dān)。

故主動輪的正壓力為：

（3）驅(qū)動力分析。主動輪的驅(qū)動力最終是由車輪的靜摩擦力形式提供，從動輪有摩擦阻力，但都是以滾動摩擦形式提供。因此需滿足的條件為：

①驅(qū)動力最大值小于最大靜摩擦力，以防止打滑；

②驅(qū)動力矩大于其余3個輪的滾動摩擦阻力。

（4)計算

主動輪的最大靜摩擦力矩：

針對不銹鋼-碳鋼接觸，取μ靜=0.3，

從動輪的滾動摩阻力偶矩：

針對不銹鋼-碳鋼接觸，取δ=0.5 mm，

所以電機(jī)驅(qū)動力矩應(yīng)滿足以下條件：

即所需電機(jī)額定力矩 2.3～270 kg·cm。

通過計算選型以及綜合分析后，選擇電壓為DC 6 V、功率為30 W、額定力矩為6 kg·cm的電機(jī)，該電機(jī)自帶減速箱，能夠選擇比較慢的前進(jìn)速度，符合探傷作業(yè)的要求。

3.2.3 磁力小車的選型

磁力小車承擔(dān)帶動探傷設(shè)備沿著環(huán)形導(dǎo)軌行走的任務(wù)，自身提供的動力需克服自重和探傷設(shè)備的重力以及與環(huán)形導(dǎo)軌之間的摩擦力。磁力小車直接采用成品商品，為工地上最常見的磁力管道切割機(jī)。其本身自帶磁性輪，吸附力為100 kg。

該選型下對磁力小車進(jìn)行受力及驅(qū)動力分析：（1）小車行走受力分析（圖 5）

圖5 小車受力示意

圖5小車與中心連線跟豎直方向成θ角度。小車從右邊往左邊走時，主動輪受滑動摩擦力，方向垂直于導(dǎo)軌中心與小車中心連線向下；從動輪受滾動摩擦力，方向垂直于與連線向下。由小車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，有兩個主動輪和兩個從動輪。

定義小車跟中心的連線與水平線的夾角θ按逆時針轉(zhuǎn)為正值,定義F滑沿圖示方向時為正值。將小車簡化成質(zhì)點，畫出受力分析圖6。

圖6 小車受力分析

小車吸附力為F吸=100 kg，假設(shè)小車跟導(dǎo)軌的材料都是碳鋼，則取滾動摩阻系數(shù)。則單個從動輪的最大滾動摩阻力偶矩為Mmax=δN，N為單個輪的正壓力。小車最后一級由蝸輪蝸桿傳動，蝸輪分度圓直徑d=mZ2=1×52=52 mm，將滾動摩阻力偶矩?fù)Q算成阻力，則單個從動輪的滾動摩擦阻力為f滾=Mmax/d。

將重力mg分解到如圖6所示的N和f滾方向，兩個垂直的方向分別受力平衡。

則驅(qū)動力的最大值在θ=0.27°時候取到，為396.7 N。

（2）小車驅(qū)動力分析

查閱磁力小車自帶的產(chǎn)品說明書得知磁力小車的傳動機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7 小車傳動機(jī)構(gòu)

查閱設(shè)計手冊，可得齒輪副的效率大約為97%，而蝸輪蝸桿副的效率約為70%，則電機(jī)的功率經(jīng)過三級齒輪副和一組蝸輪蝸桿副傳遞到蝸輪，單個蝸輪的輸出功率為：

經(jīng)過三組齒輪副和一組蝸輪蝸桿副的減速，輸出到蝸桿的轉(zhuǎn)速為：

則一根蝸桿的輸出轉(zhuǎn)矩為：

則單個主動輪可以輸出的最大驅(qū)動力為：

磁力小車在總載重40 kg情況下，兩個主動輪所需的最大驅(qū)動力為396.7 N，所選小車單個主動輪能提供1 011 N的驅(qū)動力，故能夠滿足磁力小車在環(huán)形導(dǎo)軌上運(yùn)行的驅(qū)動要求。

3.2.4 環(huán)形導(dǎo)軌的安裝

在需要探傷的管線一端搭設(shè)腳手架平臺，作業(yè)人員將環(huán)形導(dǎo)軌、探傷設(shè)備搬運(yùn)至管線上，通過連接處的螺栓將兩片導(dǎo)軌鎖緊安裝在管線上，調(diào)節(jié)螺栓的松緊程度保證環(huán)形導(dǎo)軌的輪子與管線接觸。

將探傷設(shè)備固定在磁力小車上，再把磁力小車安放在環(huán)形導(dǎo)軌正上方，形成一個整體。磁力小車在安放前需檢查環(huán)形導(dǎo)軌上是否有油污或者雜質(zhì)，再檢查磁力小車的磁性導(dǎo)輪上是否吸有鐵屑等其他雜質(zhì)，若有雜質(zhì)一定要先將其清理干凈。隨后將磁力小車輕輕放到導(dǎo)軌上，先將一組磁性導(dǎo)輪與導(dǎo)軌接觸，再將另一組磁性導(dǎo)輪緩慢放下，待兩組磁性滾輪與導(dǎo)軌都接觸到時，用力搖擺磁力小車幾次，保證磁力小車與導(dǎo)軌全部吸牢。

檢查各個連接處是否牢固，作業(yè)人員手動推動輔助推車滑行一段距離，查看各個部分重心均無明顯偏移后接通電源，分別讓環(huán)形導(dǎo)軌、磁力小車試運(yùn)行一遍，均無明顯偏移后即可進(jìn)行下一步工作。

3.2.5 輔助推車在管線上行走

作業(yè)人員在路面上手持輔助推車的遙控裝置控制環(huán)形導(dǎo)軌緩慢前進(jìn)，作業(yè)人員跟隨輔助推車共同行進(jìn)至待檢測焊縫處后，停止環(huán)形導(dǎo)軌的電機(jī)供電。然后通過遙控裝置給環(huán)形導(dǎo)軌上的電磁鐵通電，環(huán)形導(dǎo)軌將牢牢吸附在管道上。由于后續(xù)探傷作業(yè)采用雙壁單影外透法，遙控操作磁力小車使其行走到預(yù)先布好片的檢測區(qū)域正對面，即保證放射源與膠片連成一條穿過管線中心的直線。磁力小車行走的位置示意見圖8。

3.2.6 探傷設(shè)備通電曝光

探傷設(shè)備在使用前訓(xùn)機(jī)完畢，在檢查電源電纜無損壞、接地?zé)o誤后接通探傷設(shè)備電源，電源燈亮、冷卻風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，如若不正常立即切斷電源。通過探傷設(shè)備的遙控設(shè)置好管電壓、時間、延時等參數(shù)后，啟動延時曝光，作業(yè)人員撤離到安全區(qū)域。曝光完畢后，探傷設(shè)備自動切斷高壓電源，作業(yè)人員關(guān)閉探傷設(shè)備電源開關(guān)并拔下電纜，操作磁力小車回到環(huán)形導(dǎo)軌正上方位置，然后斷開環(huán)形導(dǎo)軌的電磁鐵供電，繼續(xù)控制輔助推車前進(jìn)到達(dá)下一個待測焊縫。

4 結(jié)語

圖8 磁力小車行走位置示意

高空管線遙控探傷施工技術(shù)在本工程的投入使用，不但解決了高空管線探傷作業(yè)施工難度大、工作效率低、安全風(fēng)險高的難題，而且滿足了高空管線探傷的質(zhì)量要求及進(jìn)度要求，獲得到了業(yè)主和監(jiān)理對公司技術(shù)水平的高度認(rèn)可。

高空管線遙控探傷施工技術(shù)適用于存在大量高空管線，并且對管線探傷比例有一定要求的工程。相對傳統(tǒng)的施工技術(shù)，高空管線遙控探傷施工技術(shù)有著明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)的快速發(fā)展將會有越來越多的高空管線，本技術(shù)的有效實施，將為同類施工起到較強(qiáng)的示范作用，通過更多的實踐及完善，可以應(yīng)用到更廣泛的施工領(lǐng)域。