大口徑石油套管光管外壁除銹機的研制與應(yīng)用

杜冬坤，花志斌，姚賀杰

（1.渤海石油裝備制造有限公司第一機械廠，河北滄州 062658；2.華油一機（河北）油井管有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

石油套管進(jìn)行螺紋加工之前，原材料即套管光管外表面時常存在不同程度的銹蝕情況，尤其是夏季雨水較多的季節(jié)，銹蝕情況更加嚴(yán)重。其中外徑范圍為Φ245 mm～Φ508 mm 的大口徑石油套管光管的除銹問題最為突出。外徑越大，外表面積越大，普通的除銹方式對光管表面進(jìn)行除銹經(jīng)常出現(xiàn)漏除或除銹不徹底的情況，導(dǎo)致在大口徑套管加工完成后進(jìn)行外表面噴涂防銹漆時，防銹漆在未除銹部分的套管光管表面的附著力不均勻、附著力差且極易脫落，不能達(dá)到石油套管表面防銹要求。為達(dá)到石油套管表面防銹要求，就要加大噴涂防銹漆的漆膜厚度，增加涂油成本；而光管外表面的浮銹或氧化皮使得防銹漆的噴涂產(chǎn)生漏涂、流淌和垂滴等現(xiàn)象，直接影響套管成品的外觀質(zhì)量。同時除銹不徹底或漏除的套管光管在生產(chǎn)各工序傳遞過程中產(chǎn)生碰撞，浮銹及氧化皮會掉落在生產(chǎn)車間的各個角落，污染工作環(huán)境。為解決上述問題，研究設(shè)計出一種能對大口徑石油套管光管外壁進(jìn)行全覆蓋且有效除銹的除銹設(shè)備，才能滿足公司生產(chǎn)實際需求。

1 工作原理

大口徑套管除銹機（以下簡稱除銹機）需要安裝在340 生產(chǎn)線的進(jìn)料臺架附近，安裝位置比較狹小?？紤]到生產(chǎn)成本以及外壁涂油對除銹質(zhì)量的實際要求，最終選擇鋼絲刷式除銹方法。大口徑石油套管光管外壁除銹機主要分為三大主要部分：除銹機傳動結(jié)構(gòu)、鋼絲刷結(jié)構(gòu)及電氣控制部分。通過電機帶動鋼絲刷高速旋轉(zhuǎn)，并與鋼管旋轉(zhuǎn)方向相反，使鋼絲刷對鋼管外壁進(jìn)行全覆蓋打磨，將鋼管表面附著的氧化皮、銹層迅速脫落，最終獲得管體表面整潔、光滑、無明顯銹跡的鋼管外表面，且不損傷管體。除銹速度≥10 m/min，除銹管徑Φ244.48 mm～Φ508 mm。除銹機工作原理簡單如圖1 所示。

圖1 除銹機工作原理

2 設(shè)計過程

2.1 結(jié)構(gòu)組成

2.1.1 除銹機傳動結(jié)構(gòu)

除銹機傳動機構(gòu)即除銹系統(tǒng)的輥道機構(gòu)，為實現(xiàn)石油套管光管（又稱鋼管）的進(jìn)料傳送。鋼管需要實現(xiàn)軸向和徑向兩個方向的分力，以實現(xiàn)鋼管軸向轉(zhuǎn)動和徑向傳動。分為結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計和零部件設(shè)計選型兩部分，結(jié)構(gòu)裝配圖見圖2。

圖2 除銹機輥道結(jié)構(gòu)裝配圖

結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計部分包括傳動主軸、旋轉(zhuǎn)輥輪及安裝底座，具體材料、尺寸及連接的設(shè)計如下所述：

傳動主軸：根據(jù)主軸受力設(shè)計計算確定主軸直徑為70 mm，材料為45 號鋼。主軸與輥輪通過平鍵聯(lián)接，主軸加工鍵槽。

旋轉(zhuǎn)輥輪：通過設(shè)計計算得出輥輪安裝與管子夾角為45°，輥輪長度600 mm，最小處直徑142 mm，V 形夾角為120°，材料為鑄鐵。

安裝底座：為保證輥道不與接、翻料器干涉，輥道高度1080 mm，底座繼續(xù)使用原有安裝基礎(chǔ)，采用22 號槽鋼焊接而成。

零部件設(shè)計選型部分包括減速電機、軸承座及聯(lián)軸器的選型，具體如下：①電機：根據(jù)電機的使用環(huán)境，需要輸出轉(zhuǎn)速ne=20～30 r/min，查閱東力減速電機產(chǎn)品手冊，確定減速電機型號為DLR05-23-DM90L；②軸承座：根據(jù)主軸設(shè)計尺寸及使用需求軸承座型號選用UCPH212；③彈性聯(lián)軸器：根據(jù)主軸設(shè)計尺寸型號NL7。

2.1.2 鋼絲刷結(jié)構(gòu)

除銹機的鋼絲刷結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)光管除銹的主體部分，鋼絲刷與光管軸線平行接觸，并通過電機帶動高速旋轉(zhuǎn)，光管在輥道上旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，鋼絲刷將整根鋼管表面浮銹、氧化皮等雜質(zhì)去除，達(dá)到除銹目的。鋼絲刷結(jié)構(gòu)設(shè)計包含結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計及零件設(shè)計選型兩部分，裝配圖如圖3 所示。

圖3 除銹機鋼絲刷結(jié)構(gòu)裝配圖

鋼絲刷結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計包括傳動主軸、除銹底座及除銹支架3 個方面，具體設(shè)計內(nèi)容如下：①傳動主軸：鋼絲刷主軸和輥道尺寸配合安裝：直徑為40 mm，材料為45 號鋼；②除銹底座：除銹底座選用20 mm 鋼板，底座上要安裝鋼絲刷輪和電機，電機通過皮帶帶動鋼絲刷高速旋轉(zhuǎn)；③除銹支架：不同口徑鋼管除銹，實現(xiàn)鋼絲刷的高低位置可調(diào)，采用銷軸連接除銹底座，電機座板底部連接一根螺桿，通過彈簧來實現(xiàn)調(diào)節(jié)鋼絲刷的位置。

鋼絲刷零件設(shè)計選型包括：①電機：采用三相異步電機，型號為Y-132S-4 5.5kW；②軸承座：型號為UCPH206；③鋼絲刷：外徑為240 mm，內(nèi)孔直徑40 mm（圖4）。

圖4 鋼絲刷外形

2.1.3 電氣控制部分為實現(xiàn)了除銹機上料、除銹、出料工作，采用工業(yè)用安全電壓，設(shè)計除銹機電氣控制系統(tǒng)。

2.2 工作過程

通過天車將石油套管光管運送至上料臺架，接料器自動將鋼管逐支放至除銹機輥道，到位后鋼管開始旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，同時鋼絲刷以反方向旋轉(zhuǎn)，將鋼管外表面的浮銹、氧化皮等雜質(zhì)去除，從鋼管一端開始至另一端結(jié)束，直至翻料器將鋼管翻至下一工序中，除銹機工作流程如圖5 所示。

圖5 除銹機工作流程

2.3 結(jié)構(gòu)特點

2.3.1 工藝布局根據(jù)現(xiàn)場實際進(jìn)行設(shè)計

除銹機輥道機構(gòu)和鋼絲刷結(jié)構(gòu)尺寸確定后，對公司340 生產(chǎn)線的上料、出料空間進(jìn)行測算，完成除銹機工藝布局設(shè)計，除銹機鋼絲刷布局為2 組，每組長1.2 m，實現(xiàn)鋼管管體100%全覆蓋，除銹機車間工藝布局如圖6 所示。

圖6 除銹機車間工藝布局

由于安裝除銹機的進(jìn)料口處空間狹小，進(jìn)料口處輥道電機與鋼絲刷安裝位置會發(fā)生干涉，為解決這一問題，把進(jìn)料口處輥道旋轉(zhuǎn)180°安裝，此輥道的減速電機與其他減速電機轉(zhuǎn)向相反，進(jìn)料口處輥道放置示意如圖7 所示。

圖7 進(jìn)料口處輥道放置示意

2.3.2 可根據(jù)套管光管外徑的不同靈活調(diào)節(jié)

公司340 生產(chǎn)線可生產(chǎn)外徑Φ245 mm～Φ508 mm 的石油套管，根據(jù)生產(chǎn)計劃，除銹機需要對不同外徑尺寸的鋼管進(jìn)行除銹，鋼絲刷的除銹支架采用銷軸連接除銹底座，電機座板底部連接一根螺桿，通過彈簧來調(diào)節(jié)鋼絲刷的位置。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

大口徑石油套管光管除銹機及相應(yīng)輔助設(shè)備已在公司340生產(chǎn)線進(jìn)行現(xiàn)場安裝，且調(diào)試完成并投入使用。

3.1 調(diào)試過程

3.1.1 設(shè)備空載調(diào)試

將所有控制按鈕設(shè)置成手動狀態(tài)，從輥道旋轉(zhuǎn)傳送到鋼絲刷反向旋轉(zhuǎn)除銹，最后翻料進(jìn)入下一工序，反復(fù)運行3 次以上，確保各設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

3.1.2 單支鋼管調(diào)試

通過天車將1 支外徑為245 mm 的鋼管放至上料臺架上，所有設(shè)備設(shè)置成自動模式，上料器自動將鋼管上至除銹機輥道上，通過輥道與鋼絲刷相反方向的旋轉(zhuǎn)運動，速度保持在12 m/min。對管體表面進(jìn)行除銹效果驗證，鋼管除銹前后效果對比如圖8 所示，可以看出除銹后鋼管表面整潔、光滑，無明顯的銹跡，未損傷管體。

圖8 鋼管除銹前后效果對比

4 結(jié)語

通過對批量鋼管除銹，大口徑石油套管光管外壁除銹機可以有效地去除鋼管表面的浮銹、氧化皮等銹蝕物質(zhì)，效果良好。除銹之后再對管體進(jìn)行噴涂防銹漆，噴涂質(zhì)量大大提高，涂漆膜均勻、無漏涂及垂滴現(xiàn)象。除此之外還減少了返工次數(shù)，且防銹漆消耗量明顯降低，大大節(jié)約涂油成本，大口徑石油套管產(chǎn)品外觀質(zhì)量顯著提高。