環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置的研制

劉明珠 （中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300451）

0 引言

隨著我國管道建設(shè)的迅速發(fā)展，管道施工技術(shù)取得了日新月異的進(jìn)步，除銹方式逐漸由傳統(tǒng)的鋼絲刷除銹、電動(dòng)鋼絲刷除銹轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚俺P。多年來，管道鋪設(shè)過程中外壁防腐作業(yè)前的表面除銹清理一直采用人工開放式的噴砂除銹作業(yè)。這種方法雖然能夠滿足管道表面清理質(zhì)量的要求，但是施工效率極低，且由于砂料噴向管道表面后不回收，現(xiàn)場砂料消耗量很大，造成原料的較大浪費(fèi)。更為嚴(yán)重的是，在噴砂過程中現(xiàn)場粉塵彌漫，環(huán)境污染非常嚴(yán)重，對操作工人的生命安全和身體健康都造成極大威脅，同時(shí)會(huì)對周圍其他作業(yè)工種的正常施工帶來不利影響。

隨著我國管道建設(shè)步伐的加快，越來越多的管道需要進(jìn)行現(xiàn)場除銹清理工作。而多年來，管道自動(dòng)噴砂除銹技術(shù)和產(chǎn)品一直被國外專業(yè)公司壟斷，國內(nèi)在這方面起步較晚，基本處于空白狀態(tài)。針對管道除銹清理作業(yè)的特殊環(huán)境要求，研制了既可改善噴砂作業(yè)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高噴砂除銹作業(yè)效率，又能降低原材料成本的環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置。

1 噴砂除銹的工作原理及存在問題

1.1 噴砂除銹工作原理

管道噴砂除銹是以壓縮空氣為動(dòng)力，將磨料（噴丸玻璃珠、鋼丸、鋼砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂）高速噴射到需要處理的管道表面。由于磨料的沖擊和切削作用，管道表面的機(jī)械性能得到了改善，管道的抗疲勞性提高，增加了管道表面和涂層之間的附著力，延長了涂膜的耐久性，也有利于涂料的平和裝飾。在清除掉表面的雜質(zhì)、雜色及氧化層的同時(shí)，使介質(zhì)表面粗化，減少基材表面的殘余應(yīng)力，提高基材表面硬度。圖1給出了常規(guī)噴砂除銹設(shè)備各部分的組成，在噴砂除銹過程中，空氣通過車載式壓縮機(jī)加壓至0.4～0.6 MPa后儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣罐中，開啟閥門，儲(chǔ)氣罐中排出的高壓氣體吹動(dòng)車載式砂罐，從車載式砂罐中流出的石英砂形成高壓粒子流，經(jīng)高壓軟管和噴槍不斷地噴射，依靠石英砂的沖擊和摩擦作用除去鋼管表面的污垢、氧化皮、鐵銹、油漆涂層和泥土等附著物，使金屬表面重現(xiàn)光澤，并具有一定的粗糙度。

圖1 管道野外噴砂除銹示意圖

1.2 噴砂除銹作業(yè)中存在的問題

噴砂除銹作業(yè)處5～10 m的范圍內(nèi)布滿了石英砂粉塵，影響了莊稼的生長，造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。噪音約有100 dB，造成作業(yè)人員的聽力受到損害。作業(yè)人員在施工時(shí)完全被粉塵包裹，尤其是在夏季施工，厚重的防護(hù)服會(huì)使作業(yè)人員嚴(yán)重失水，而發(fā)生中暑。常規(guī)噴砂除銹是開放式施工作業(yè)，石英砂一般不回收。以一條直徑為813 mm，長為360 km的管道為例，全線焊口數(shù)約為30 000個(gè)，每個(gè)焊口消耗石英砂120 kg，全線共需石英砂3 600 t，以500元/t計(jì)算，僅購買石英砂材料就需要花費(fèi)180萬元。

2 環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置的結(jié)構(gòu)原理

針對常規(guī)噴砂除銹中存在的問題，設(shè)計(jì)了環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置。該裝置采用了直插式快速裝卡機(jī)構(gòu)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，以及雙噴頭采用渦流負(fù)壓回收技術(shù)同時(shí)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了高效環(huán)保的噴砂除銹，鐵砂與粉塵等清理物的自動(dòng)回收分選分離，鐵砂的循環(huán)使用，銹污、毒害油漆的徹底清理等功能。

如圖2所示，環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置由外框機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其中，外框機(jī)構(gòu)起到整體的定位和支撐作用，兩個(gè)外框機(jī)構(gòu)之間通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在外框機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪槽中，通過其上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用可使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞管道中心軸線進(jìn)行240°旋轉(zhuǎn)，以此來實(shí)現(xiàn)裝置對管道周圍的噴砂除銹功能。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌上，其上安裝有噴砂槍。在擺動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，可沿導(dǎo)軌軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置對管道軸向的噴砂除銹功能。

圖2 環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1 外框機(jī)構(gòu)

外框機(jī)構(gòu)如圖3所示，它是由外框板、齒圈、導(dǎo)向輪和定位支撐組成的。外框機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置的支撐體，其主要功能是支撐和聯(lián)接各個(gè)部件，確保各部件間及各部件與管道的相對位置精度。其中，齒圈通過螺栓連接固定在外框板上。每個(gè)外框板上均布了14個(gè)導(dǎo)向輪，內(nèi)圈均布5個(gè)導(dǎo)向輪，外圈均布9個(gè)導(dǎo)向輪。其通過軸套安裝在外框板上的安裝孔內(nèi)，軸套通過螺栓與外框板連接。同時(shí)，導(dǎo)向輪內(nèi)部采用了偏心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過調(diào)整偏心可以調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的相對位置，確保其相切。兩個(gè)定位支撐分別通過螺栓連接安裝在外框板上的安裝孔內(nèi)，起到整體定位與支撐的作用。

圖3 外框機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示，它是由旋轉(zhuǎn)板、導(dǎo)軌軸套、大齒輪、驅(qū)動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、導(dǎo)軌、齒條、聯(lián)桿和聯(lián)桿墊片等組成的。其中，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)板通過10根聯(lián)桿固定連接在一起，聯(lián)桿兩端分別插入旋轉(zhuǎn)板上的安裝孔，并在聯(lián)桿端部通過聯(lián)桿墊片與旋轉(zhuǎn)板螺栓連接。行走電機(jī)通過連接板安裝在旋轉(zhuǎn)板上部，其輸出軸通過平鍵與小齒輪連接，通過驅(qū)動(dòng)小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與其嚙合的大齒輪。同時(shí)，大齒輪安裝在傳動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸通過軸承安裝在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)板之間，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)齒輪通過平鍵與傳動(dòng)軸相連接，傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)，其與外框機(jī)構(gòu)中固定在外框板上的齒圈相嚙合，由此來實(shí)現(xiàn)整體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞管道中心軸線的旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)軌通過兩端的導(dǎo)軌軸套安裝在旋轉(zhuǎn)板的安裝孔內(nèi)，導(dǎo)軌軸套與旋轉(zhuǎn)板通過螺栓相連接。同時(shí)，齒條也通過兩端的軸套安裝在旋轉(zhuǎn)板的安裝孔內(nèi)，軸套與旋轉(zhuǎn)板通過螺栓相連接。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)板安裝在外框機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪槽中，其上的驅(qū)動(dòng)齒輪與外框機(jī)構(gòu)的齒圈相嚙合，以此來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞管道中心軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.3 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖5 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5所示，它是由噴砂槍、擺動(dòng)電機(jī)、連接板、行程開關(guān)、限位板、防護(hù)罩、擺動(dòng)齒輪、直線軸承、支撐板、夾板和夾持座等組成的。其中，擺動(dòng)電機(jī)安裝在支撐板上，其輸出軸與擺動(dòng)齒輪通過平鍵連接。4個(gè)直線軸承通過螺栓連接固定在支撐板上，通過直線軸承將擺動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌上，由擺動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于擺動(dòng)齒輪與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的齒條相嚙合，以此實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)沿管道軸線方向的運(yùn)動(dòng)。限位板通過螺栓連接固定在支撐板上，起到機(jī)械限位的作用。行程開關(guān)安裝在限位板上，通過調(diào)節(jié)其行程來實(shí)現(xiàn)對管道噴砂范圍的調(diào)節(jié)功能。連接板通過夾板與支撐板下端的矩形槽進(jìn)行螺栓連接，通過矩形槽的結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)安裝在連接板上的噴砂槍沿管道徑向的距離，夾持座通過螺栓連接固定在連接板的末端，起到支撐夾持噴砂槍的作用。

3 中試應(yīng)用

2011年3月在中海油施工現(xiàn)場進(jìn)行了環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置的中試應(yīng)用。

3.1 試驗(yàn)過程

3.1.1 將足量的石英砂加入砂罐中，在空壓機(jī)未加壓的情況下進(jìn)行裝置的旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)等空載運(yùn)行試驗(yàn)。在正常的工作狀態(tài)下運(yùn)行一段時(shí)間，不存在不穩(wěn)定因素，運(yùn)行也很平穩(wěn)，驗(yàn)證無誤后，達(dá)到載荷運(yùn)行條件。

3.1.2 裝置停止運(yùn)行，啟動(dòng)空壓機(jī)，待壓力達(dá)到試驗(yàn)要求，打開空壓機(jī)閥門，進(jìn)行噴砂試驗(yàn)，檢查噴砂氣管路是否暢通，并驗(yàn)證除塵器的除塵效果。

3.1.3 將裝置安裝到管道的適當(dāng)位置，啟動(dòng)空壓機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)噴砂除銹裝置進(jìn)行管道補(bǔ)口的除銹作業(yè)。

3.1.4 運(yùn)行過程中記錄運(yùn)行參數(shù)，工作一段時(shí)間后，停止除銹作業(yè)。檢測除銹質(zhì)量，計(jì)算除銹效率。

重復(fù)以上試驗(yàn)過程至少3次，以保證檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 測試結(jié)果

試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)：空壓機(jī)功率為38 kW，氣源壓力為0.8 MPa，工作時(shí)氣源壓力為0.6 MPa，排氣量為5.0 m3/min。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速度為0～17.8 cm/s可調(diào)，除銹錨紋深度為50～75 μm，除銹質(zhì)量達(dá)到Sa 3.0級，最大工作效率為18 m2/h。

環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置運(yùn)行平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)靈活，工作安全可靠。噴砂密封性良好，回收凈化充分。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

環(huán)保型管道自動(dòng)噴砂除銹裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了管道補(bǔ)口的自動(dòng)噴砂除銹，同時(shí)可對砂粒進(jìn)行自動(dòng)回收，改善了管道噴砂作業(yè)的工作環(huán)境，減少了對周圍環(huán)境的污染程度，且減輕了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了管道噴砂除銹的工作效率，節(jié)省了大量的原材料，有很好的推廣應(yīng)用前景?！?/p>

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