螺旋縫埋弧焊鋼管全外焊縫磨削機設(shè)計

朱 賀，田巖平，王樹祥，王鐵民，李繼平

（遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽 111003）

對螺旋縫埋弧焊鋼管進行3PE（三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層）外防腐時，外焊縫會導致焊縫處防腐層厚度減薄，而外焊縫高度是一項重要的影響因素，外焊縫高度越高，防腐層所受張力越大，減薄越多［1-5］。GB/T 23257—2017《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》中規(guī)定，焊縫部位的防腐層厚度不應(yīng)小于規(guī)定值的80%，比GB/T 23257—2009標準要求的70%提高了10%。由此可見，國內(nèi)鋼管防腐標準對焊縫部位防腐層厚度要求越來越嚴格，而在國際鋼管防腐項目中，往往要求焊縫部位防腐層厚度按照相關(guān)標準規(guī)定值執(zhí)行，即按照管體最小防腐層厚度執(zhí)行。實際生產(chǎn)中，為了保證外焊縫處防腐層厚度，一般通過增加聚乙烯涂層的整體厚度，使焊縫處涂層減薄后厚度仍能達到標準要求，這導致管體防腐層厚度整體超出標準要求很多，大量增加了聚乙烯的消耗。特別是在鋼管外焊縫高度較高時，會大大增加鋼管3PE外防腐的生產(chǎn)成本。

為了降低螺旋縫埋弧焊鋼管3PE外防腐生產(chǎn)成本，有效控制外焊縫高度就非常關(guān)鍵。API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》和GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中對埋弧焊接鋼管外焊縫高度的規(guī)定為：由制造商選擇，高于允許值的焊縫可修磨至可接收高度。在螺旋縫焊管生產(chǎn)過程中，通過對焊接工藝和焊接參數(shù)的調(diào)整可以在一定程度上降低外焊縫高度，實現(xiàn)對外焊縫形貌的優(yōu)化，但其中影響因素較多，實施起來比較復(fù)雜，為避免因焊縫高度過度降低帶來的質(zhì)量風險，外焊縫高度對3PE外防腐而言仍然偏高。因此，在螺旋縫焊管制造過程中，可采取修磨鋼管全外焊縫的方式進一步降低焊縫高度。但采用人工修磨方式時，不僅勞動強度大，而且難以保證焊縫修磨的均勻性。

基于以上考慮，結(jié)合對螺旋縫焊管生產(chǎn)制造工藝和鋼管焊縫修磨技術(shù)的研究，設(shè)計出一種能夠在線對螺旋縫埋弧焊鋼管的全外焊縫進行連續(xù)磨削的機械裝置——全外焊縫磨削機。該全外焊縫磨削機由砂帶磨削機構(gòu)、位移機構(gòu)和機架3部分組成。全外焊縫磨削機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全外焊縫磨削機結(jié)構(gòu)示意

1 全外焊縫磨削機設(shè)計思路

螺旋縫焊管的外焊縫在管體上呈等距螺旋分布，如果通過移動磨削設(shè)備來尋找鋼管外焊縫并對其進行磨削，不僅需要占用較大生產(chǎn)空間，而且項目投入大，實施起來比較復(fù)雜。結(jié)合螺旋縫焊管生產(chǎn)制造特點，設(shè)計制作出一臺焊縫磨削設(shè)備，將其固定安裝在螺旋縫焊管焊接生產(chǎn)線上，在鋼管沿著傳輸輥道螺旋行進的過程中對其外焊縫進行定點連續(xù)磨削。這種設(shè)備布置方式不僅節(jié)省了空間，而且項目基礎(chǔ)投資較少，實現(xiàn)了對鋼管全外焊縫進行修磨的目的。

在磨削機結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先考慮設(shè)備磨削方式的選擇，砂帶和砂輪在磨削工藝上的應(yīng)用最廣泛。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，砂帶磨削作為一種彈性磨削，具有磨削、研磨、拋光等多種作用效果，在對鋼管焊縫的磨削中具有磨削效率高、磨削噪音小、磨削效果好等諸多優(yōu)勢；因此，選擇砂帶磨削［6-7］。

在對焊縫磨削方向和磨削角度的選擇中，試驗發(fā)現(xiàn)砂帶在鋼管6點鐘位置，垂直于鋼管軸線并逆著焊縫行進方向進行磨削時，焊縫磨削效率更高，磨削質(zhì)量更好。

在對鋼管外焊縫連續(xù)磨削過程中，為了避免砂帶局部寬度位置磨損過度而影響焊縫磨削質(zhì)量，在磨削過程中設(shè)計位移機構(gòu)來驅(qū)動磨削機頭做左右往復(fù)移動，使砂帶整個磨削面循環(huán)打磨焊縫，這極大地提高了砂帶的使用壽命。

2 全外焊縫磨削機結(jié)構(gòu)組成

全外焊縫磨削機的主要技術(shù)參數(shù)為：磨削線速度30 m/s，磨削效率425 mm3/s，適用管徑406~2 438 mm，適用焊縫寬度≤30 mm，適用焊縫高度≤6 mm，適用焊接速度≤3.0 m/min。

2.1 砂帶磨削機構(gòu)

砂帶磨削機構(gòu)由電動機拖板、電動機、砂帶輪、砂帶、張緊機構(gòu)、磨削輪支架、磨削輪、頂輪等部分組成［8-10］。砂帶磨削機構(gòu)如圖2所示。

圖2 砂帶磨削機構(gòu)示意

（1）電動機選擇。參照螺旋縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線上管端外焊縫磨削機的電動機型號，結(jié)合全外焊縫磨削機工況特點和全外焊縫磨削技術(shù)要求，磨削機磨削電機初步選擇Y系列三相異步電動機YX3-112M-2型，電機轉(zhuǎn)速為2 890 r/min，電機額定功率為4 kW。磨削電動機選擇安裝后，經(jīng)現(xiàn)場試用驗證滿足實際使用要求，選型合適。

（2）砂帶選擇。綜合考慮砂帶使用性能和磨削效果等因素，磨削砂帶選用鋯剛玉砂布環(huán)帶。

（3）磨削輪設(shè)計。為了加強砂帶與焊縫的接觸性能，提高砂帶傳動效果，磨削輪采用橡膠輪。

（4）頂輪設(shè)計。頂輪位于磨削輪兩側(cè)，采用萬向球軸承安裝在軸承座中制作而成，軸承座高度可根據(jù)需要通過下部的螺紋結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。磨削機工作時頂輪上的萬向球軸承與鋼管表面相對滾動接觸，通過調(diào)整頂輪高度來控制鋼管外焊縫磨削量，同時也避免了在焊縫磨削過程中傷及母材。

（5）磨削輪支架設(shè)計。磨削輪支架采用鉸鏈與機架連接，在磨削輪兩側(cè)頂輪機構(gòu)受到管體不均衡作用力時，支架可控制磨削輪實現(xiàn)左右浮動控制，可有效降低焊縫兩側(cè)錯邊等鋼管幾何尺寸缺陷對外焊縫磨削的影響。磨削輪支架裝配如圖3所示。

圖3 磨削輪支架裝配示意

（6）張緊機構(gòu)設(shè)計。張緊機構(gòu)由張緊輪、張緊輪支架、拉力彈簧等幾部分組成。張緊機構(gòu)采用杠桿原理，砂帶工作時對砂帶起張緊作用，避免砂帶出現(xiàn)較大振動，影響磨削效果［11］。

（7）電動機托板。電動機托板采用燕尾滑臺結(jié)構(gòu)，通過搖動手桿調(diào)整電動機位置，從而實現(xiàn)砂帶張緊程度的調(diào)整。

2.2 位移機構(gòu)

位移機構(gòu)由齒輪減速電機、凸輪機構(gòu)及直線導軌組成，凸輪機構(gòu)如圖4所示。齒輪減速電機輸出轉(zhuǎn)速為6 r/min，通過增加電子調(diào)速器調(diào)整減速機輸出轉(zhuǎn)速，工作中齒輪減速電機實際輸出轉(zhuǎn)速為4 r/min，位移轉(zhuǎn)盤偏心距設(shè)計為45 mm。磨削機工作時，由齒輪減速電機帶動凸輪機構(gòu)，從而使設(shè)備整體在直線導軌內(nèi)做往復(fù)移動，每15 s完成一次往復(fù)運動，運動位移量為90 mm。

圖4 凸輪機構(gòu)示意

2.3 機 架

機架由頂板、氣缸、支架、底板、軌道等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣缸在設(shè)備工作時控制磨削機頭的升降，氣缸桿上設(shè)有雙頭螺母，通過對氣缸桿長度的調(diào)整來控制磨削輪對鋼管外焊縫的壓力。

圖5 機架結(jié)構(gòu)示意

3 全外焊縫磨削機工作原理

磨削機工作時，由電動機帶動環(huán)形砂帶高速運動，同時在氣缸推力的推動下磨削機頭上升，磨削砂帶在磨削輪的作用下接觸鋼管外焊縫，并對焊縫進行磨削加工。在磨削過程中，通過調(diào)整磨削輪兩側(cè)的頂輪高度來控制外焊縫磨削量，通過調(diào)整氣桿伸長量來控制磨削輪對外焊縫的作用力。磨削機在磨削焊縫時，由位移機構(gòu)驅(qū)動磨削機構(gòu)做往復(fù)橫向運動，使整個砂帶磨削面循環(huán)打磨外焊縫，確保外焊縫磨削量的穩(wěn)定和砂帶使用壽命的延長。

在使用全外焊縫磨削機的過程中，需要適時更換砂帶，根據(jù)不同規(guī)格螺旋縫焊管外焊縫形貌尺寸和焊縫磨削量要求，一條砂帶可磨削的外焊縫長度為80~100 m。更換砂帶時，先要停止電動機，將氣缸縮回，磨削機頭下降，通過搖動磨削電動機托板搖桿，使砂帶處于松弛狀態(tài)，然后再取下砂帶并進行更換；砂帶更換完畢后，反向搖動搖桿使砂帶輪歸位，此時砂帶處于張緊工作狀態(tài)，重新啟動電動機并控制氣缸伸出，然后繼續(xù)進行焊縫磨削作業(yè)。砂帶更換一般在30 s內(nèi)即可完成。為了保持焊管生產(chǎn)和外焊縫磨削的連續(xù)性，砂帶更換一般在鋼帶對頭焊縫通過磨削機工位時進行。

4 實際應(yīng)用

在全外焊縫磨削機的實際應(yīng)用中，為了防止對螺旋縫焊管外焊縫過度磨削傷及母材，一般將磨削后的外焊縫高度控制在0.30 mm以上，使用深度游標卡尺進行外焊縫高度測量，深度游標卡尺的測量精度為0.02 mm。筆者隨機抽測Φ508 mm×8.8 mm和Φ1 016 mm×20.62 mm規(guī)格螺旋縫焊管各50根，隨機抽測磨削前、后每根焊管外焊縫的高度，記錄數(shù)據(jù)并繪制外焊縫高度曲線。兩種規(guī)格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度曲線如圖6所示。

從圖6可以看出：經(jīng)全外焊縫磨削機磨削后，兩種規(guī)格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度明顯降低，且鋼管外焊縫高度的均勻性明顯提高，Φ508 mm×8.8 mm規(guī)格焊管的外焊縫高度在0.3~0.6 mm；Φ1 016 mm×20.62 mm規(guī)格焊管的外焊縫高度在0.3~0.7 mm。除此之外，經(jīng)磨削后的外焊縫頂端過渡角均大于130°，焊縫表面粗糙度可達0.1μm［12］。焊管外焊縫頂端過渡角α如圖7所示。磨削前、后的焊管外焊縫如圖8所示。

圖6 兩種規(guī)格螺旋縫埋弧焊鋼管的外焊縫高度曲線

圖7 焊管外焊縫頂端過渡角示意

圖8 磨削前、后的焊管外焊縫

在對不同規(guī)格螺旋縫焊管進行全外焊縫磨削前，需要對磨削機做出相應(yīng)調(diào)整。首先根據(jù)不同規(guī)格焊管螺距確定好磨削機磨削工位，然后根據(jù)外焊縫磨削量和磨削效率要求調(diào)整磨削機頂輪機構(gòu)、氣缸桿的伸長量和砂帶張緊度，如果調(diào)整不合適容易出現(xiàn)焊縫磨削不均勻、砂帶跑偏和磨削電機故障等問題。當然，對螺旋縫焊管外焊縫的磨削效果很大程度上還取決于焊管外焊縫質(zhì)量，焊縫存在2.0 mm以上“錯邊”“噘嘴”等缺陷時［13］，外焊縫磨削很難獲得較理想的磨削效果。除此之外，砂帶磨削焊管外焊縫時產(chǎn)生的灰塵和飛濺物也會對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境造成一定影響。

5 結(jié) 語

在螺旋縫焊管加工制造過程中，對管端焊縫的修磨有非常成熟的磨削工藝和明確的標準要求，而對全外焊縫進行磨削的實例還很少，這當中有較多的影響因素，需進一步地加以考慮和分析。全外焊縫磨削機的設(shè)計，為螺旋縫焊管在全外焊縫磨削方面提供了一個新的思路，目前已取得實用新型專利，專利號ZL201820185908.8。全外焊縫磨削機的制造成本較低，設(shè)備操作簡單，實用性強，但該設(shè)備在砂帶使用壽命、磨削機構(gòu)調(diào)整和磨削精度控制等方面還有較大的改進空間。下一步，將在延長砂帶使用壽命、簡化磨削機構(gòu)調(diào)整、加強磨削飛濺物處理等方面進行改進和完善，使其磨削效率更高，適用性更廣，以期更好地服務(wù)于生產(chǎn)實際。