天然氣管道過流焊接輔助裝置設計研究

張圣兵 王 帥 卿 勇 趙小彬 韓傳軍

1.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司, 四川 成都 610041;2.西南石油大學機電工程學院, 四川 成都 610500

0 前言

管道運輸可以大大提高石油和天然氣的運輸效率,減少能源消耗,簡化工序。通過提高管道的質量,保障油氣輸送的安全性,是石油化工產業(yè)發(fā)展的基石[1]。焊接緊急修理是在切斷損壞的管道后,將新管道或者閥門等焊接到原來的管道上進行安裝的緊急修理工作,可有效阻斷焊接管,隔離油氣,避免油氣流出,防止發(fā)生二次事故[2]。焊接過程中，焊接點附近若有氣流流動將影響焊接質量,如果再有可燃性氣體溢出有可能導致失火或爆炸,給現(xiàn)場焊接操作和質量控制帶來危險和挑戰(zhàn)[3-4]。

目前，很多學者針對管道焊接機器人進行了研究。周倫等人[5]研制了一種管道全位置焊接機器人,可以完成對應壁厚鋼管的焊接,且焊接質量良好。尹鐵等人[6]通過分析S曲線的算法原理及其傳統(tǒng)的七段模型,對該模型進行了優(yōu)化修正,提出了一種基于分段插值和三角函數(shù)的S形運動曲線。孫學凱等人[7]分析了影響焊接精度的偏差源,通過偏差源得到了實際的相交曲線方程,并將其作為焊接機器人的路徑。王克寬等人[8]采用擺動焊接實驗系統(tǒng)進行了焊接工藝試驗,設計了全位置焊接試驗工藝,試驗中使用六點標定法對焊槍進行了標定。張青年等人[9]針對設計完成的一種彈性軌道式管道環(huán)焊縫焊接機器人焊槍隨動裝置,論述了其技術原理、設計思路及應用效果。金玉章等人[10]運用能量法中的卡氏定理和虛功原理建立了導軌的徑向變形和所受應力與導軌厚度和支撐個數(shù)的解析模型,并據(jù)此選取相應設計參數(shù)的導軌模型進行了仿真。劉辰等人[11]分析了管道自動焊接機器人行走機構的固有振動特性。

以上學者的研究主要聚焦于焊接機器人以及焊縫的焊接過程,對于氣流對焊接質量的影響以及如何實現(xiàn)隔離引流焊接的研究相對較少[12-14]。本文在綜合分析了管道焊接的原理和工程實際需要后,以天然氣管道過流焊接輔助裝置為研究對象,在管內氣流環(huán)境下對管道過流焊接輔助裝置進行了針對性設計。

1 管道過流焊接輔助裝置設計方案

1.1 工作原理

管道與管道(含彎頭等)焊接時,為使焊接過程中管內氣流不影響焊接質量,或避免因動火導致燃燒或爆炸,可采用引流與封堵相結合方式。當上游管道因閥門內漏等情況有來氣并對焊接造成影響時,可使用管道過流焊接輔助裝置,用密封氣胎隔離焊縫,中間導流管則將上游氣體引入下游管道。其工作原理為:將過流焊接小車放入管道內,遙控裝置移動到待焊接位置,控制氣胎膨脹,密封管壁,氣流從中間導管引入下游端。焊接完成后,密封氣胎放氣收縮，驅動小車從開口端駛出。天然氣管道過流焊接輔助裝置工作原理見圖1。

圖1 管道過流焊接輔助裝置工作原理示意圖

1.2 設計方案

最終設計的管道過流焊接輔助裝置見圖2～3,主要由驅動小車、密封氣胎、連接管三部分組成,可使用遙控器實現(xiàn)裝置的移動和密封氣胎的充放氣。作業(yè)時,裝置在前車的拉動下進入管道內,行進至焊縫處,密封氣胎分布在焊縫兩側。接著收縮狀態(tài)的密封氣胎充氣至鼓脹,緊貼管道內壁,實現(xiàn)對環(huán)空氣流的封堵,中間連接管實現(xiàn)上下游的導通,防止憋壓。密封氣胎充氣完成實現(xiàn)密封后,在焊縫處使用焊槍和焊條施焊;焊接完成后,密封氣胎放氣收縮,驅動小車拖拉裝置行進至下一個焊縫處,密封氣胎再次充氣和封堵,進行施焊;完成后再放氣收縮、移動、充氣,多條焊縫依次循環(huán)往復。全部焊接完成后,驅動小車拖拉裝置駛出管道,作業(yè)完成。

圖2 裝置行進至焊縫兩側(氣胎無氣)示意圖

圖3 氣胎充氣封堵管道(氣胎鼓脹)示意圖

2 管道過流焊接輔助裝置結構設計

管道過流焊接輔助裝置實際為隔離引流裝置,由雙軸減速底盤、2個內胎、小氣泵、前后密封支撐、波紋管、鎖定支撐、電池、控制器、閥門等組成。2個小車的主動輪可正轉和反轉,實現(xiàn)裝置的前進與后退。氣胎可充氣和放氣,用于焊接作業(yè)時管道的密封。波紋管可彎曲,便于裝置通過彎管。A、B雙驅動小車設計,均可使用拖拉的方式將小車從管道中駛出,萬一出現(xiàn)卡住的情況,后面小車還可以協(xié)助推動。管道過流焊接輔助裝置三維模型見圖4。

圖4 管道過流焊接輔助裝置三維模型圖

2.1 小車尺寸及輪距設計

管道內徑D為200 mm,取小車輪距為140 mm,欲使小車能通過曲率半徑1.5D的彎管,按照車體的最大尺寸,將其整體假設為一個長方體,尺寸為140 mm×200 mm×60 mm,見圖5。做圓的內接正三角形,由幾何關系,得車輪距約為173 mm,實際輪距d為161 mm。使用1.5D曲率的彎管,以確定車身長寬及軸距。R2=1.5D=300 mm,圖5中幾何關系需滿足:

a)小車尺寸計算

(1)

式中:D為管道內徑,mm;W為車身長度,mm;H為軸距,mm。

已知H為173 mm,則W為288 mm。當車行駛至45°拐彎處時,車身一側緊貼管道內壁,另一側與管道的距離為50.72 mm,由于車身厚度為60 mm,遠小于管內直徑200 mm,小車能順利通過彎管,氣胎與氣胎之間的距離為535 mm,裝置總長1 195 mm。

2.2 充氣封隔結構設計

選擇200 mm×50 mm的氣胎用于封隔,收縮后氣胎能貼合在輪轂上,便于裝置的移動。2個氣胎的充氣氣壓最大0.689 5 MPa,管徑偏差±20 mm,使用了0.689 5 MPa的充氣泵,并做了限壓,當充氣氣壓達到0.689 5 MPa時,充氣泵電路自動斷開,防止氣胎損壞,氣胎充氣后可完全貼緊管道內壁,密封壓差可達2個大氣壓。氣胎充氣封隔示意圖見圖6。

圖6 氣胎充氣封隔示意圖(單位：mm)

2.3 驅動單元與封隔模塊設計

驅動裝置的車體單元分為3個可活動部件,包括用于驅動車身整體在管道中前進后退的輪轂單元,用于和管道保持接觸的浮動頂輪單元,以及可以調節(jié)的封隔單元的連桿機構。驅動小車與封隔模塊示意圖見圖7。

圖7 驅動小車與封隔模塊示意圖

實際運行過程中,由電機驅動輪轂帶動整車到達指定位置,浮動頂輪用于保持輪轂與管道實時接觸,以增大摩擦力。之后由氣泵將封隔氣胎充氣膨脹,此時連桿結構會自動調整,以適應管道。

3 控制系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)的自動化裝置往往采用繼電器控制,但繼電器控制存在布線多、故障率高、修理不容易等問題。PLC(可編程邏輯控制器)作為現(xiàn)在國內市場的主流控制器,在技術、業(yè)界影響等方面發(fā)揮著重要的作用。因此過流焊接裝置使用PLC進行控制,以提高其自動化程度[15-18]。

3.1 整體方案設計

按照設計要求,裝置可以控制小車啟動、正轉和反轉,以及氣泵啟停、充氣和抽氣,均采用經驗設計法。

3.2 硬件電路設計

裝置主電路和控制電路見圖8～9。圖8中的KM1和KM2分別是控制馬達的正轉運轉(前進)和反轉運轉(后退)的接觸器。改變在KM1和KM2的主觸點進入馬達三相電源的相序,即可以改變馬達的旋轉方向。圖9中KM1的線圈與KM2的輔助常閉觸點串聯(lián)連接,KM2的線圈與KM1的輔助常閉觸點串聯(lián)連接,構成硬件互鎖電路。這樣不會出現(xiàn)由于正反轉(小車前進、后退)切換中電感的延遲作用,原連接的接觸器主觸點還未切斷時,其他接觸器主觸點合上的現(xiàn)象,可以避免交流電源瞬間短路的故障。通過主電路和PLC的電路連接,PLC可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

圖8 主電路圖

圖9 控制電路圖

圖10為氣泵控制氣路圖,其中P為氣泵,操縱小車到指定位置后,打開氣泵,此時氣泵工作,但不會向氣路中輸送空氣;電磁閥通電,電磁線圈產生電磁力,閥門打開,空氣泵開始給氣胎充氣。約15 s后,電磁閥停電,停止充氣,氣胎保壓并密封。使用結束或者不再需要密封時,氣泵開始從氣胎里抽氣,大約5 s后氣胎排氣結束,失去密封效果,氣泵關閉以節(jié)省電能。

圖10 氣泵控制氣路圖

4 輔助裝置硬件選用及樣機制造

4.1 驅動部分

根據(jù)過流焊接輔助裝置的材料、尺寸,可計算出裝置整體質量大約為7.5 kg。管道過流焊接輔助裝置的負載為自身重量,所選電機能維持小車在管道內平穩(wěn)運行即可。小車橡膠輪與鋼鐵管道的摩擦系數(shù)為0.40～0.60,故計算公式:

F=μN

(2)

(3)

式中:F為小車橡膠輪與管道的摩擦力,N;μ為摩擦系數(shù);N為小車對管道的壓力,N;P為旋轉電機的輸出功率,kW;n為旋轉電機輸出轉速,r/min;T為旋轉電機輸出轉矩,N·m。

計算可得摩擦力為30～45 N,相比人走路的速度4～5 km/h,大約為1 m/s,選擇的輪胎直徑為64 mm,周長為0.200 96 m,行走1 m的距離約需要轉5圈,因此選擇了一款轉速為300 r/min、功率為12 W的電機。

4.2 電磁閥選用

氣胎充氣與放氣的切換需要控制閥,裝置選用推拉式換向電磁閥。電磁閥有很多種,不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用,使用最多的是方向控制閥、速度調節(jié)閥等,通過控制電磁鐵的電流來控制機械運動[19-21]。本文中的管道過流焊接輔助裝置選擇8路常開常閉電磁閥,其參數(shù)為電壓12 V、電流20 mA、耐壓0.7 MPa、電磁閥動作電流40 mA。

4.3 氣泵選用

氣泵是將空氣從密封空間排出,或者是從封閉空間添加空氣的裝置。管道過流焊接輔助裝置選用的氣泵參數(shù)見表1。

表1 氣泵參數(shù)表

4.4 樣機制造

管道過流焊接輔助裝置采用3 mm鋼板用于制造驅動小車的殼體,使用3D打印制作氣胎支座,不銹鋼波紋管用于制作中間導流管,接頭處用密封圈密封。完成的實物樣機見圖11，樣機電池供電電壓12 V,電池容量7 800 mAh,電機扭矩5 N·m,減速比為1∶27,通過現(xiàn)場測試表明動作響應及時,移動迅速、穩(wěn)定,過彎順利,氣胎充氣后密封壓差可達2個大氣壓且無泄漏,完全達到了設計目標。

圖11 管道過流焊接輔助裝置實物照片

5 結論

1)針對天然氣輸送過程中上游管路存在氣體泄漏并影響焊接的工況,提出了一種封堵過流輔助焊接方案,基于該方案設計的管道過流焊接輔助裝置實現(xiàn)了移動、過彎、過流、密封和遠程遙控功能。

2)管道過流焊接輔助裝置響應迅速,動作靈敏,密封可靠。該裝置使用的氣胎材料為普通丁腈橡膠,在用于直徑200 mm天然氣管道焊接時,未出現(xiàn)氣胎因溫度升高而導致失效的情況。

3)現(xiàn)場應用表明過流焊接輔助裝置完全達到了設計目標,具有廣闊的應用前景和較高的推廣價值。此外,通過改變氣胎外徑和小車輪距,可適用于不同直徑管道泄漏工況下的焊接修復。但因隨管道直徑的增大,管道壁厚也會增加,需評估厚壁管道焊接工況下溫度場的分布及其對氣胎的影響,防止失效行為發(fā)生。因此,該裝置還需要在溫度監(jiān)控、氣胎類型、隔熱結構和材料等方面進一步深入研究。