周號(hào)，劉艷利，焦如義

中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000

長(zhǎng)輸油氣管道內(nèi)防腐智能補(bǔ)口機(jī)研制

周號(hào)，劉艷利，焦如義

中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000

大口徑鋼質(zhì)管道內(nèi)涂層補(bǔ)口是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，該技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)還是空白。針對(duì)這一狀況，研發(fā)了內(nèi)防腐智能補(bǔ)口機(jī)設(shè)備。詳細(xì)介紹了內(nèi)補(bǔ)口機(jī)中除銹車和噴涂車的工作原理，論述了除銹機(jī)、噴涂機(jī)、行走機(jī)構(gòu)擴(kuò)展、電氣控制等關(guān)于內(nèi)補(bǔ)口機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，重點(diǎn)介紹了補(bǔ)口機(jī)的速度互換和補(bǔ)口工作時(shí)間、補(bǔ)口機(jī)自動(dòng)返回、供電電源、補(bǔ)口定位等補(bǔ)口機(jī)的關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)。對(duì)研制的內(nèi)補(bǔ)口機(jī)的試驗(yàn)表明，該設(shè)備可初步滿足鋼質(zhì)管道內(nèi)防腐補(bǔ)口作業(yè)的要求，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

長(zhǎng)輸管道；內(nèi)補(bǔ)口機(jī)；除銹；噴涂；防腐

鋼質(zhì)管道對(duì)接環(huán)焊縫內(nèi)涂層補(bǔ)口技術(shù)是防腐領(lǐng)域十分重要的課題，也是防腐界迫切需要解決的技術(shù)難題。目前，大口徑長(zhǎng)輸天然氣管道采用內(nèi)涂層技術(shù)已成為一種趨勢(shì)[1]。內(nèi)涂層在管道減阻、防腐等方面的重要作用已得到鋼管行業(yè)的廣泛認(rèn)同。作為整個(gè)內(nèi)涂層技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)，大口徑長(zhǎng)輸天然氣鋼管內(nèi)涂層補(bǔ)口技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)還是空白[2]。為解決這一問(wèn)題，對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道內(nèi)防腐智能補(bǔ)口機(jī)開(kāi)展了研究。

1 內(nèi)補(bǔ)口機(jī)工作原理

內(nèi)補(bǔ)口機(jī)分為除銹作業(yè)小車和噴涂作業(yè)小車兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減輕設(shè)備各部分重量、減小電源尺寸，使設(shè)備作業(yè)時(shí)便于操控。

（1）除銹車。除銹車由車體、主動(dòng)輪總成、從動(dòng)輪總成、s7-200可編程控制器、鋰電池組、磁定位接收裝置、行走電機(jī)、除銹電機(jī)、攝像機(jī)、除銹盤、鋼絲刷、風(fēng)扇（或吸塵器）等組成，在管內(nèi)倒退行走。除銹小車在管道內(nèi)行駛時(shí)，如果遇到障礙物會(huì)自動(dòng)返回。當(dāng)磁定位接收裝置接收到置于焊口的磁信號(hào)后，立即將信號(hào)傳遞給s7-200可編程控制器，經(jīng)判別確認(rèn)后，指令驅(qū)動(dòng)車由行進(jìn)速度變?yōu)楣ぷ魉俣龋⒅噶钕鄳?yīng)電路根據(jù)程序設(shè)定開(kāi)啟除銹電機(jī)，除銹電機(jī)帶動(dòng)除銹盤轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)鋼絲刷高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力使鋼絲刷擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，用較大的力對(duì)焊口進(jìn)行除銹。在磁定位接收裝置接收到磁信號(hào)的同時(shí)，安裝在車體上的攝像機(jī)自動(dòng)打開(kāi)燈光電路，攝像機(jī)開(kāi)始工作，可以對(duì)指定的管段進(jìn)行攝像檢測(cè)，對(duì)管道內(nèi)部情況進(jìn)行錄取，比較直觀地檢測(cè)除銹質(zhì)量[3]。除銹電機(jī)和攝像機(jī)的工作時(shí)間由s7-200可編程控制器根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，工作時(shí)間結(jié)束后，除銹車自動(dòng)變?yōu)樾羞M(jìn)速度前進(jìn)。

（2）噴涂車。噴涂車由車體、主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、s7-200可編程控制器、鋰電池組、磁定位接收裝置、行走電機(jī)、儲(chǔ)料倉(cāng)、涂料泵、供料管路、泵料電機(jī)、旋杯、旋杯電機(jī)、攝像機(jī)等組成，在管內(nèi)倒退行走，可完成液體涂料的甩涂工作。噴涂小車在管道內(nèi)行駛時(shí)，如果遇到障礙物，會(huì)自動(dòng)返回。當(dāng)驅(qū)動(dòng)車上的磁定位接收裝置接收到來(lái)自焊口的磁信號(hào)后，在s7-200可編程控制器的控制作用下，指令驅(qū)動(dòng)車由行進(jìn)速度變?yōu)楣ぷ魉俣龋a(bǔ)口機(jī)在相應(yīng)的補(bǔ)口區(qū)段以工作速度退行甩涂。根據(jù)程序設(shè)定甩涂電機(jī)啟動(dòng)，然后供料電機(jī)啟動(dòng)，AB組分涂料經(jīng)料倉(cāng)從甩盤的出料孔出料，兩料在高速旋轉(zhuǎn)的甩杯內(nèi)混合甩出，在離心力的作用下，致密地覆蓋在焊口的管壁上，涂敷時(shí)間由s7-200可編程控制器設(shè)定，涂敷完畢后，甩涂和供料電機(jī)停止[4]。在磁定位接收裝置接收到磁信號(hào)的同時(shí)，安裝在車體上的攝像機(jī)自動(dòng)打開(kāi)燈光電路，攝像機(jī)開(kāi)始工作，可以對(duì)指定的管段進(jìn)行攝像檢測(cè)，對(duì)管道內(nèi)部情況進(jìn)行錄取，比較直觀地檢測(cè)補(bǔ)口質(zhì)量[5]。泵料電機(jī)、旋杯電機(jī)和攝像機(jī)的工作時(shí)間由s7-200可編程控制器根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，工作時(shí)間結(jié)束后，噴涂車自動(dòng)變行進(jìn)速度前進(jìn)。

2 內(nèi)補(bǔ)口機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 除銹機(jī)

除銹車適用管徑為813～1 219 mm，見(jiàn)圖1。其主要技術(shù)特點(diǎn)是：行走速度15 m/min，工作速度5 m/min，并可以根據(jù)工作需要調(diào)整速度?？稍阡摴軆?nèi)沿正反兩個(gè)方向自行走，速度均勻、可調(diào)。行走電機(jī)為進(jìn)口直流電機(jī)，功率74.4 W，電流3.1 A，輸出軸轉(zhuǎn)速2 600 r/min，電壓24 V，質(zhì)量350 g，可載質(zhì)量170 kg。除銹電機(jī)為國(guó)產(chǎn)24 V直流串激電機(jī)，功率200 W，轉(zhuǎn)速20 000 r/min，速度可調(diào)，質(zhì)量450 g。除銹所用的鋼絲刷為德國(guó)產(chǎn)品，寬度為20 mm。

圖1 除銹車結(jié)構(gòu)示意

2.2 噴涂機(jī)

噴涂車適用管徑為813～1 219 mm，見(jiàn)圖2。主要技術(shù)特點(diǎn)是：行走速度15 m/min，工作速度5 m/min，并可以根據(jù)工作需要調(diào)整速度?？稍阡摴軆?nèi)沿正反兩個(gè)方向自行走，速度均勻、可調(diào)。設(shè)備自帶儲(chǔ)料倉(cāng)，無(wú)外帶料管，施工簡(jiǎn)便。行走電機(jī)和旋杯電機(jī)與除銹機(jī)的選擇型號(hào)相同。泵料電機(jī)為國(guó)產(chǎn)24 V直流串激電機(jī)，功率40 W，轉(zhuǎn)速10 000 r/min，速度可調(diào)，質(zhì)量400 g。

圖2 噴涂車結(jié)構(gòu)示意

2.3 行走機(jī)構(gòu)擴(kuò)展設(shè)計(jì)

由于內(nèi)防腐智能補(bǔ)口機(jī)的適用管徑規(guī)格D 813～1 219 mm，因此研制了行走機(jī)構(gòu)擴(kuò)展裝置。通過(guò)給同一除銹車和噴涂車安裝相應(yīng)的擴(kuò)展裝置，從而可保證鋼絲刷和旋杯處在不同管徑管的中心位置，見(jiàn)圖3。

圖3 行走機(jī)構(gòu)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)示意

2.4 內(nèi)補(bǔ)口機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用了高集成化的s7-200CN型可編程控制器。其部分技術(shù)特點(diǎn)為：功耗為7 W，I/O特性為14輸入/10輸出，定時(shí)器1 ms的4個(gè)、10 ms的16個(gè)、100 ms的236個(gè)，輸入電壓為20.4～28.8 VDC。

根據(jù)內(nèi)補(bǔ)口施工工藝，內(nèi)補(bǔ)口機(jī)通過(guò)PLC可編程控制器控制，并可以根據(jù)工作需要對(duì)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在作業(yè)過(guò)程中可以使除銹電機(jī)、泵料電機(jī)、旋杯電機(jī)在接收到磁定位信號(hào)后，按照程序要求自動(dòng)啟動(dòng)，可以精確控制，以減少人為因素的影響。

3 內(nèi)補(bǔ)口機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

3.1 補(bǔ)口機(jī)的速度互換和補(bǔ)口工作時(shí)間設(shè)計(jì)

采用高集成化的s7-200CN型可編程控制器作為控制核心，通過(guò)內(nèi)部程序設(shè)計(jì)、改變行走電機(jī)工作電壓、調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器以及利用可編程控制器本身的定時(shí)器（最大值3 276.7 s）設(shè)計(jì)和控制，實(shí)現(xiàn)行走電機(jī)速度互換和補(bǔ)口工作時(shí)間的自動(dòng)控制。

3.2 補(bǔ)口機(jī)自動(dòng)返回設(shè)計(jì)

在補(bǔ)口機(jī)前端加裝壓力傳感器，并預(yù)留一定的緩沖量，通過(guò)可編程控制器內(nèi)部程序設(shè)計(jì)，使之在遇到障礙物后，能自動(dòng)改變行進(jìn)方向，避免停止在管道內(nèi)部。

3.3 供電電源設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)綜合分析，決定選擇目前比較先進(jìn)的鋰電池作為供電電源。鋰電池具有質(zhì)量輕，在相同體積下質(zhì)量約為鉛酸產(chǎn)品的1/（5～6），自放電率很低，額定電壓高，具備高功率承受力、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)調(diào)研，國(guó)產(chǎn)24 V、容量50 A·h的直流鋰電池的尺寸為420 mm×135 mm×75 mm，質(zhì)量?jī)H為7.5 kg，比普通鉛酸蓄電池的尺寸及質(zhì)量減小了很多，可以采用。據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)，除銹車和噴涂車空載最大行走距離可達(dá)到5 km，滿載最大行走距離可達(dá)到4.5 km。

3.4 補(bǔ)口定位設(shè)計(jì)

經(jīng)分析研究，決定選擇對(duì)人體無(wú)危害、且定位準(zhǔn)確的磁定位儀進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)口定位。磁定位儀定位精度10 mm，定位響應(yīng)時(shí)間300 ms。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

研制的內(nèi)補(bǔ)口機(jī)在試驗(yàn)基地進(jìn)行了安裝測(cè)試，在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)內(nèi)補(bǔ)口質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明：內(nèi)除銹和內(nèi)噴涂質(zhì)量可以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]的要求；試驗(yàn)過(guò)程中，也制作了噴涂試驗(yàn)樣片，并送交第三方認(rèn)可的國(guó)家專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果同樣滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。還針對(duì)其中的不足，進(jìn)行了改進(jìn)，完善了設(shè)備，使其基本具備了內(nèi)補(bǔ)口作業(yè)要求的功能。

[1]王朋.勝利油田集輸管道內(nèi)防腐補(bǔ)口技術(shù)[J].全面腐蝕控制，2014（8）：85-87.

[2]孫衛(wèi)松，劉萬(wàn)寶，鄭光明.小口徑管道內(nèi)壁防腐層補(bǔ)口機(jī)[J].石油工程建設(shè)，1994（5）：46-47.

[3]劉成喜，宋莉莉，宋京偉，等.補(bǔ)口機(jī)在鋼制管道內(nèi)涂層補(bǔ)口中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2014（S1）：582-584.

[4]孫建國(guó)，范景凡，張召峰，等.管道內(nèi)防腐智能補(bǔ)口機(jī)及配套工藝技術(shù)[J].礦山機(jī)械，2000（12）：60-62.

[5]楊金娥.管道內(nèi)防腐智能補(bǔ)口機(jī)及防腐質(zhì)量檢測(cè)儀[J].油氣田地面工程，2001（2）：41-42.

[6]SYT0457-2010，鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Research and Development of Intelligent Internal Joint Coating Machine for InternalAnticorrosion ofL ong Distance Oiland Gas Pipelines

ZHOU Hao，LIU Yanli，JIAO Ruyi
China Petroleum Pipeline Research Institute，Langfang 065000，China

At present，the internal joint coating is a difficult technical problem for the large diameter steel pipes.To solve the problem，the intelligent joint coating machine for pipeline internal anticorrosion is researched and developed.This paper introduces the working principle of the derusting car and spraying car of the internal joint coating machine，as well as the designs of the derusting car，spraying car，extending walking device and electric control，puts emphasis on the machine velocity exchange，working time for joint coating，machine automatic return，power supply，locating of joint coating，and so on.The test shows the machinecan basically satisfy the requirement of internal joint coating of steel pipes，and various specifications reach the requirement of relevant nationalstandards.

long distance pipeline；internaljoint coating machine；derusting；spraying；anticorrosion

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.022

周號(hào)（1981-），男，河北深澤人，工程師，2005年畢業(yè)于河北理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道非開(kāi)挖技術(shù)設(shè)備及機(jī)具自動(dòng)化研究。

2015-03-31