帶加勁環(huán)及注漿孔大直徑鋼管自動(dòng)補(bǔ)溫工藝應(yīng)用效果分析

李世增，柳 志，吳海宏，林江濤，黎卓豪

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2.廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340；3.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340)

1 概述

珠江三角洲水資源配置工程試驗(yàn)段項(xiàng)目輸水管道內(nèi)徑為4 800 mm的大直徑鋼管，鋼板厚度為14～22 mm。加勁環(huán)高為120 mm，寬為24 mm，間距為1.5 m，內(nèi)壁要求采用FBE防腐工藝進(jìn)行保護(hù)。目前大直徑鋼管FBE防腐工藝對(duì)鋼管是利用中頻感應(yīng)內(nèi)壁加熱方式對(duì)鋼管進(jìn)行加熱，在鋼管表面處理和涂敷預(yù)熱溫度對(duì)3PE防腐層性能指標(biāo)的影響中提出，鋼管的預(yù)熱一般需旋轉(zhuǎn)一個(gè)恰當(dāng)?shù)臏囟炔艜?huì)使原材料彼此間達(dá)到最好的防腐效果，鋼管加熱溫度控制在210℃時(shí)，環(huán)氧粉末固化度為最佳。

鋼管加熱的厚度不變且無(wú)其他特殊結(jié)構(gòu)時(shí)，利用中頻加熱可以很方便的實(shí)現(xiàn)溫度均勻度控制，但遇到設(shè)有加勁環(huán)、注漿孔的特殊鋼管，僅利用中頻感應(yīng)內(nèi)壁加熱由于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變會(huì)使加勁環(huán)、注漿孔處和鋼管其他部位將出現(xiàn)較大溫差，其溫差大于±35℃甚至更高，溫度未達(dá)到或超出的部位防腐材料容易從管壁脫落或顏色發(fā)黑，影響鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了解決特殊鋼管加熱時(shí)的溫差控制，通過(guò)對(duì)粉末固化溫度和粉末涂料與涂裝的技術(shù)要求的分析，提出在外壁增設(shè)一套自動(dòng)補(bǔ)溫裝置，該裝置將待加熱鋼管通過(guò)運(yùn)動(dòng)模塊軸向運(yùn)動(dòng)，中頻加熱模塊對(duì)內(nèi)管壁進(jìn)行加熱，同時(shí)待加熱鋼管通過(guò)旋轉(zhuǎn)組件繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，待加熱鋼管的外側(cè)設(shè)置應(yīng)用于檢測(cè)加勁環(huán)位置并針對(duì)加勁環(huán)部分進(jìn)行加熱的補(bǔ)溫加熱模塊，通過(guò)多組中頻加熱模塊與補(bǔ)溫加熱模塊工藝試驗(yàn)應(yīng)用與效果分析，實(shí)現(xiàn)了加勁環(huán)處內(nèi)壁、注漿孔周邊與管內(nèi)壁其他正常部位的溫差控制在±10%以?xún)?nèi)。該工藝已經(jīng)在珠江三角洲水資源配置工程試驗(yàn)段項(xiàng)目?jī)?nèi)得到了推廣應(yīng)用，效果良好。

2 自動(dòng)補(bǔ)溫系統(tǒng)工藝介紹

該工藝由運(yùn)動(dòng)模塊、中頻加熱模塊、補(bǔ)溫加熱模塊以及中控系統(tǒng)模塊四大部分來(lái)組成(如圖1所示)。

圖1 各模塊示意

2.1 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)模塊利用防腐專(zhuān)用滾輪架實(shí)現(xiàn)鋼管軸向螺旋前進(jìn)，利用布置在滾輪架兩邊的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)補(bǔ)溫裝置的軸向與徑向的位置調(diào)節(jié)(如圖2所示)。其中滾輪架的主動(dòng)輪、被動(dòng)輪分別設(shè)置在待加熱鋼管的軸向兩端，主動(dòng)輪支架與被動(dòng)輪與支架底座相連，防腐滾輪架置于地面導(dǎo)軌上；加勁環(huán)補(bǔ)溫與漿孔補(bǔ)溫裝置分兩側(cè)布置在防腐滾輪架上，由控制單元電驅(qū)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)。

圖2 中頻加熱模塊與補(bǔ)溫加熱示意

2.2 中頻加熱模塊

中頻加熱模塊采用1臺(tái)1 500 kW可控硅中頻電源(見(jiàn)圖2)，加熱方式為管道內(nèi)壁加熱，感應(yīng)器采用扇形交叉陣列結(jié)構(gòu)，分為4片。感應(yīng)器通過(guò)控制線(xiàn)路與中控系統(tǒng)模塊連接，加熱溫度可根據(jù)生產(chǎn)速度、管壁的厚薄以及希望的涂層膠化、固化時(shí)間由中控系統(tǒng)設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

2.3 補(bǔ)溫加熱模塊

2臺(tái)高頻感應(yīng)加勁環(huán)補(bǔ)溫與漿孔補(bǔ)溫裝置分兩側(cè)布置在防腐滾輪架上，圖3是由加熱設(shè)備對(duì)加勁環(huán)和注漿孔進(jìn)行補(bǔ)溫，功率分別為60 kW，120 kW，電源采用IGBT形式，補(bǔ)溫電源技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。包括軸向直線(xiàn)導(dǎo)軌、與直線(xiàn)導(dǎo)軌配合設(shè)置的直線(xiàn)電機(jī)、檢測(cè)元件(光電測(cè)距感應(yīng)器)、外部高頻感應(yīng)加熱器以及單片機(jī)。其中直線(xiàn)導(dǎo)軌設(shè)置在滾輪架上；軸向電機(jī)上設(shè)置有朝向待加熱鋼管的光電測(cè)距感應(yīng)器、徑向移動(dòng)單元和高頻感應(yīng)加熱器。中頻加熱模塊與補(bǔ)溫加熱模塊工藝試驗(yàn)流程如圖4所示，圖5～7為補(bǔ)溫裝置實(shí)物示意。

圖3 加勁環(huán)補(bǔ)溫與漿孔補(bǔ)溫裝置示意

表1 60 kW/120 kW補(bǔ)溫電源技術(shù)參數(shù)

圖4 中頻加熱模塊與補(bǔ)溫加熱模塊工藝流程

圖5 注漿孔補(bǔ)溫裝置實(shí)物示意

圖6 控制單元示意

圖7 加勁環(huán)補(bǔ)溫裝置實(shí)物示意

在加熱待噴涂鋼管時(shí)，控制光電測(cè)距感應(yīng)器采集待加熱鋼管與其距離，并將該距離數(shù)值發(fā)送至單片機(jī)中；當(dāng)上述距離值發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)單片機(jī)中預(yù)載的程序判斷該距離數(shù)值是變大還是變小，如果距離值變小，則該處為加勁環(huán)位置，此時(shí)，單片機(jī)控制高頻感應(yīng)加熱器開(kāi)始工作；在高頻感應(yīng)加熱器工作2～5 min后，利用高頻感應(yīng)加熱器將鋼管加勁環(huán)補(bǔ)溫至110℃并保溫。噴涂完成后，單片機(jī)控制直線(xiàn)電機(jī)沿直線(xiàn)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，上述的距離數(shù)值從小變大，并持續(xù)保持；直到該距離數(shù)值再次變小，重復(fù)上述步驟。

2.4 中控系統(tǒng)模塊

中央控制系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示、數(shù)據(jù)采集處理兩部分組成。實(shí)時(shí)畫(huà)面系統(tǒng)包括在噴槍位置，待噴粉鋼管表面位置，加熱位置各設(shè)置1套在線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，中控室操作者可以及時(shí)跟進(jìn)噴粉區(qū)域的工作情況。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可對(duì)各主要設(shè)備自動(dòng)采集、記錄、報(bào)警等功能，整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)化，可視化。

在線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了1臺(tái)高精度熱成像儀，對(duì)鋼管內(nèi)壁溫度進(jìn)行檢測(cè)，圖8為高精度熱成像儀工作截圖，設(shè)備性能如下：

1) 可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，多點(diǎn)測(cè)溫，最多可以設(shè)置100個(gè)以上溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

2) 對(duì)整個(gè)加熱周期過(guò)程控制，報(bào)警并記錄；

3) 熱成像儀(1 024×768分辨率)溫度精度為±1.5℃；

4) 空間分辨率：0.49 mRa，熱敏度：30℃目標(biāo)溫度時(shí)，≤0.05℃。

圖8 高精度熱成像儀工作示意

3 工藝性能對(duì)比

針對(duì)不同鋼管壁厚、加勁環(huán)不同焊法和不同厚度、注漿孔不同厚度的情況對(duì)噴涂區(qū)域溫度均勻性的影響，經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，噴粉區(qū)域的最佳溫度點(diǎn)為210℃～230℃，溫差控制在±10℃，采用加勁環(huán)加熱補(bǔ)溫的方式，可以滿(mǎn)足溫度均勻性要求。

3.1 加勁環(huán)區(qū)域

由圖9可見(jiàn)，未經(jīng)加勁環(huán)補(bǔ)溫時(shí)，加勁環(huán)區(qū)域外的點(diǎn)4(Point 4)溫度為184.3℃，而位于加勁環(huán)區(qū)域中心的點(diǎn)1(Point 1)僅為145.4℃，加勁環(huán)相鄰區(qū)域鋼管內(nèi)壁溫差在29℃～40℃，遠(yuǎn)超±10℃的技術(shù)要求。

圖9 加勁環(huán)補(bǔ)溫前熱成像示意

經(jīng)過(guò)加勁環(huán)補(bǔ)溫之后(加勁環(huán)補(bǔ)溫至110℃)，Line 4為圖9中點(diǎn)1和點(diǎn)7加勁環(huán)相同測(cè)溫點(diǎn)位(如圖10所示)，補(bǔ)溫前的溫度范圍在145.4℃～160.4℃之間，通過(guò)補(bǔ)溫，使得加勁環(huán)位置溫度升至209～216℃之間，且與相鄰區(qū)域溫差控制在3℃～15℃(Line 1～Line 4)?？梢?jiàn)加勁環(huán)溫差問(wèn)題通過(guò)加勁環(huán)補(bǔ)溫，得到了良好的解決，可以滿(mǎn)足±10℃的溫差要求。

圖10 加勁環(huán)補(bǔ)溫后熱成像示意

3.2 注漿孔區(qū)域

由圖11可見(jiàn)，環(huán)線(xiàn)范圍以外未噴涂區(qū)域，環(huán)線(xiàn)內(nèi)因鋼管圓內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)需要補(bǔ)焊注漿孔，故對(duì)注漿孔區(qū)域直徑300 mm范圍貼鋁箔紙，不做噴涂。環(huán)線(xiàn)部位最低溫P3處僅為162.4℃，最高溫C1處可達(dá)231.2℃，注漿孔未補(bǔ)溫相鄰區(qū)域的溫差為70℃，采用補(bǔ)溫功能后(如圖12所示)，環(huán)線(xiàn)部位溫度得到了改善，最低溫度P11處為189.7℃，最高溫度P6處為201.9℃，噴涂區(qū)域溫差降為12.2℃，滿(mǎn)足±10℃的技術(shù)要求，注漿孔溫差問(wèn)題得到較好解決。

圖11 補(bǔ)溫前注漿孔區(qū)域熱成像示意

圖12 補(bǔ)溫后注漿孔區(qū)域熱成像示意

通過(guò)先進(jìn)的熱成像技術(shù)，對(duì)鋼管的加勁環(huán)、注漿孔等處進(jìn)行分析，可以得出自動(dòng)補(bǔ)溫工藝與傳統(tǒng)工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：鋼管采用外補(bǔ)溫可以有效縮小鋼管常規(guī)內(nèi)壁與加勁環(huán)處鋼管內(nèi)壁的溫差。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 帶加勁環(huán)及注漿孔大直徑鋼管自動(dòng)補(bǔ)溫工藝

該工藝是一套適合帶加勁環(huán)及注漿孔大直徑鋼管的自動(dòng)補(bǔ)溫工藝，該工藝由鋼管運(yùn)動(dòng)模塊、中頻加熱模塊、補(bǔ)溫加熱模塊以及中控系統(tǒng)模塊四大部分組成。其中運(yùn)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)帶動(dòng)鋼管旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，中頻加熱模塊用于加熱待防腐鋼管；補(bǔ)溫加熱模塊用于加勁環(huán)、灌漿孔等不易加熱的部位補(bǔ)溫加熱；中控系統(tǒng)模塊用于終端控制。

2) 傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代工藝對(duì)比改進(jìn)及效果

加勁環(huán)區(qū)域：與傳統(tǒng)無(wú)補(bǔ)溫工序的FBE防腐工藝相比，該工藝在加勁環(huán)區(qū)域內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)了鋼管內(nèi)壁的溫差減少到3℃～15℃，內(nèi)壁溫度差控制在技術(shù)要求允許的范圍內(nèi)，即210℃±10℃。

灌漿孔區(qū)域：與傳統(tǒng)無(wú)補(bǔ)溫工序的FBE防腐工藝相比，該工藝在灌漿孔區(qū)域也達(dá)到了良好效果，將其溫度差由70℃減少到了20℃以?xún)?nèi)，處于壁溫度差控制在技術(shù)要求允許的范圍內(nèi)，補(bǔ)溫效果良好。

3) 工藝應(yīng)用效果

目前，該工藝已經(jīng)在珠三角水資源配置工程試驗(yàn)段項(xiàng)目中試制了幾節(jié)12 m鋼管，并取得了理想效果，解決了中頻感應(yīng)加熱粉末噴涂工藝中加勁環(huán)、注漿孔受熱不均勻而導(dǎo)致鋼管溫差過(guò)大的問(wèn)題。通過(guò)“中頻加熱+加勁環(huán)補(bǔ)溫”的方式，使鋼管內(nèi)外部均勻受熱升溫，減少溫差，最終達(dá)到噴粉區(qū)域溫差為±10℃的技術(shù)要求。該工藝具有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，噴涂區(qū)域溫差小的優(yōu)點(diǎn)，適合在相類(lèi)似的大直徑鋼管或其他水工金屬結(jié)構(gòu)推廣使用。