車削工藝在3PE 防腐管管端涂層去除中的應(yīng)用

王治波， 吳加友， 毛濃召， 趙銳鋒， 貝廣齊

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 輸送管公司， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

管端涂層打磨機(jī)是去除3PE 防腐管管端涂層普遍采用的一種設(shè)備， 也是鋼管3PE 防腐生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備之一。 目前國(guó)內(nèi)3PE 生產(chǎn)線常用的管端涂層打磨機(jī)主要由小車行走機(jī)構(gòu)、 打磨裝置、 旋轉(zhuǎn)輥、 頂輥、 除塵器及操作臺(tái)等組成。

在管端涂層打磨過程中， 打磨電機(jī)帶動(dòng)鋼絲刷高速旋轉(zhuǎn)， 氣缸升起， 鋼絲刷貼緊鋼管表面，打磨去除管端的防腐涂層， 形成一定角度的涂層倒角和管端預(yù)留， 該工序俗稱管端打磨工序， 也叫端切工序。 該工序的主要功能是使3PE 防腐鋼管的管端涂層處理達(dá)到GB/T 23257—2017 第6.8條款中“聚乙烯層端面應(yīng)形成不大于30°的倒角”和“管端預(yù)留長(zhǎng)度宜為100～150 mm” 的要求。

采用鋼絲刷打磨管端涂層， 設(shè)備簡(jiǎn)單、 操作方便， 但工作時(shí)噪音大， 實(shí)測(cè)在95 dB 以上； 打磨產(chǎn)生的PE 粉塵散落在周邊設(shè)備和地面上， 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差； 同時(shí)， 鋼絲刷屬于易耗品， 以打磨Φ914 mm 防腐鋼管為例， 使用周期僅有50 h 左右， 材料消耗較大。

因此， 針對(duì)上述問題提出一種解決方案， 利用機(jī)加車削原理來實(shí)現(xiàn)3PE 防腐管管端涂層的去除， 通過選擇合理的車削工位、 刀具， 利用車削裝置將管端涂層車削成PE 條狀， 達(dá)到降低工作噪音和耗材、 改善作業(yè)環(huán)境的目的。

1 車削工藝方案

車削裝置采用機(jī)加車削的原理， 將刀具置于防腐管管端表面， 鋼管置于旋轉(zhuǎn)輥上， 鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)， 刀具沿鋼管軸向進(jìn)給 （如圖1 所示）， 達(dá)到去除管端PE 涂層的目的。

圖1 管端車削原理示意圖

1.1 車削工位選擇

鋼管兩端均設(shè)置車削裝置， 但每端可布置方位有多處， 在管端圓周方向上任一位置布置均可滿足車削要求。

通過比較發(fā)現(xiàn)， 除了管端正下方， 在其余位置上， 刀具裝置調(diào)整均受到鋼管管徑變化的影響， 不便于調(diào)整且裝置體積較大。 而當(dāng)?shù)毒呶挥阡摴芟路綍r(shí)， 通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)輥輥輪中心間距可使不同管徑鋼管底部標(biāo)高保持不變， 不需調(diào)整刀具位置， 因此車削刀具應(yīng)置于管端下方。

1.2 刀具的選擇和加工

（1） 刀具材質(zhì)的選擇

由于是車削PE 涂層， 對(duì)車削刀具硬度要求不高， 基于成本考慮， 選擇常用的高碳鋼或高速鋼刀具即可。

（2） 刀具型號(hào)和尺寸

傳統(tǒng)的管端打磨工藝采用的鋼絲刷直徑為Φ334 mm， 在PE 涂層端面打磨形成的涂層倒角實(shí)測(cè)為12°左右。

為了使車削裝置滿足涂層倒角加工要求， 選用型號(hào)為25 mm×25 mm×200 mm 的高速鋼刀具，在Φ914 mm、 Φ1 219 mm 防腐鋼管上進(jìn)行車削試驗(yàn)， 防腐鋼管參數(shù)見表1。

表1 防腐鋼管參數(shù)

通過公式 （1） 計(jì)算， 得出刀具加工尺寸，刀具尺寸如圖2 所示， 刀具加工參數(shù)見表2。

式中： h——聚乙烯涂層最大厚度， mm；

M——刀具寬度， mm；

L——橫切線長(zhǎng)度， mm；

α——涂層倒角， （°）。

圖2 車削刀具尺寸示意圖

表2 刀具加工參數(shù)

通過現(xiàn)場(chǎng)車削試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)L=8.2/6.3 mm 時(shí)，刀具在鋼管表面易產(chǎn)生劃痕且調(diào)整難度較大；L=15.3/14.3 mm 時(shí)， 車削效果良好， 初步確定L最小取值應(yīng)在8.2～14.3 mm 之間。 通過后續(xù)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用， 結(jié)合使用效果， 最終確定刀具修磨后剩余橫切線L 最佳長(zhǎng)度應(yīng)≥10 mm。

在L≥10 mm 和α≤30°的取值范圍內(nèi)， 可設(shè)定L、 α 為定值， 例如： L=10 mm， a=15°， 通過公式（1） 形成關(guān)于x=M、 y=h、 斜率k=tgα 的直線， 表示為k（x-L）=y， 如圖3 所示。

因此， 在刀具型號(hào)和尺寸的選擇上， 針對(duì)最厚的涂層厚度h 值， 在滿足工藝要求的情況下，選擇成本較低的刀具即可。 此外， 在實(shí)際生產(chǎn)中， h 取值一定要稍大于最厚的涂層厚度， 否則會(huì)影響車削坡口質(zhì)量。

圖3 車削刀具寬度與涂層厚度的關(guān)系

2 車削設(shè)備及工作流程

2.1 車削設(shè)備

該設(shè)備主要有端切移動(dòng)小車、 升降旋轉(zhuǎn)輥、二級(jí)移動(dòng)小車、 頂輥、 車削裝置、 除塵器以及鋼管上壓裝置、 控制系統(tǒng)等組成， 如圖4 所示。

移動(dòng)小車主要負(fù)責(zé)設(shè)備整體移動(dòng)， 方便不同管長(zhǎng)的鋼管進(jìn)出和端切。 升降旋轉(zhuǎn)輥安裝在移動(dòng)小車上， 用于鋼管的托舉和旋轉(zhuǎn)， 輔助鋼管完成車削或打磨作業(yè)。 二級(jí)移動(dòng)小車用于作業(yè)時(shí)帶動(dòng)車削裝置沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)， 精準(zhǔn)控制管端預(yù)留長(zhǎng)度。 打磨裝置主要用于管端焊縫未修磨鋼管的管端涂層處理或者打磨管端裸露部分粘殘留的雜物、 銹跡等。 車削裝置是由絲桿控制的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、 氣缸、 刀具等組成， 用于鋼管3PE 涂層的車削。 頂輥用于鋼管兩端的定位。 除塵裝置用于打磨時(shí)粉塵的收集。 上壓裝置主要針對(duì)中小直徑鋼管， 由氣缸控制壓輥緊壓管端， 避免鋼管跳動(dòng)。 控制系統(tǒng)作為整個(gè)車削設(shè)備工作的控制中心， 負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行控制， 保證各運(yùn)動(dòng)部件正常工作， 完成設(shè)定的工作任務(wù)。

圖4 車削設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 車削工作流程

當(dāng)防腐管進(jìn)入車削工位時(shí)， 自動(dòng)車削工序啟動(dòng)（如圖5 所示）。 端切移動(dòng)小車沿導(dǎo)軌快速向管端移動(dòng)， 至頂輥限位時(shí)停止； 旋轉(zhuǎn)輥升起并旋轉(zhuǎn)，車削裝置隨二級(jí)移動(dòng)小車移至管端涂層車削位置，氣缸升起將刀具貼近鋼管表面開始車削作業(yè)。 當(dāng)車削到設(shè)定位置后， 氣缸、 車削裝置、 二級(jí)小車等裝置依次退回原位， 車削工作完畢。

圖5 車削工位示意圖

2.3 自動(dòng)控制

車削控制系統(tǒng)采用PLC 控制， 通過觸摸屏參數(shù)設(shè)置控制旋轉(zhuǎn)輥、 端切小車、 二級(jí)進(jìn)給小車的速度， 車削起刀和車削量可以通過調(diào)整限位位置和車削量參數(shù)設(shè)定來實(shí)現(xiàn)， 從而實(shí)現(xiàn)不同的管端涂層預(yù)留要求， 整個(gè)過程可實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)車削。

3 應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用效果

該車削裝置在3PE 防腐生產(chǎn)線得到了成功應(yīng)用， 應(yīng)用效果如圖6 所示。 以Φ914 mm 防腐管為例， 設(shè)備工作噪音由99 dB 降至85 dB 以下， 噪音顯著降低； 打磨PE 粉塵變?yōu)镻E 條狀（如圖6 （a） 和圖6 （b） 所示）， 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境明顯改善； 車削刀具可以反復(fù)修磨使用， 且價(jià)格低廉， 刀具使用壽命約4 個(gè)月， 材耗費(fèi)用相比鋼絲刷可節(jié)約94%以上， 大幅減少材料消耗。 此外，車削的3PE 倒角坡口整齊光滑， 管端預(yù)留長(zhǎng)度波動(dòng)由10～20 mm 降至±1 mm， 外觀質(zhì)量顯著提升（如圖6 （c） 所示）。

圖6 車削裝置在3PE 防腐生產(chǎn)線應(yīng)用效果

3.2 設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)及局限性

該車削設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于： ①改變了傳統(tǒng)的打磨工藝， 優(yōu)化了車削工藝方式， 從根本上解決了噪音、 粉塵污染問題； ②車削工位設(shè)計(jì)合理， 具有體積小、 調(diào)整便捷的優(yōu)勢(shì)， 可適應(yīng)不同管徑鋼管管端涂層的處理； ③通過電氣自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)車削作業(yè)， 降低了操作人員工作強(qiáng)度；④可以精確控制車削量、 車削角度， 滿足不同的管端涂層處理要求。

由于車削工藝要求管端外焊道高度低于0.5 mm 且圓滑過渡， 對(duì)合同訂單不要求去除管端外焊道的鋼管， 不能采用車削作業(yè)， 管端涂層處理可通過本設(shè)備的打磨裝置來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

該車削工藝及設(shè)備在3PE 防腐鋼管涂層去除中的實(shí)際應(yīng)用， 有效解決了外防腐涂層管端打磨在噪音、 粉塵方面的問題， 生產(chǎn)崗位工作環(huán)境得到了很大改善。 通過自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用， 在不降低工作效率的基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)車削作業(yè)， 同時(shí)提升了管端涂層處理質(zhì)量， 減少了材料消耗。