3D 打印技術在天然氣輸氣站線纜接頭保護中的應用

劉雪丹(山東省天然氣管道有限責任公司，山東 濟南 250101)

0 引言

目前，隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，天然氣輸氣站設備更新?lián)Q代頻繁，且設備儀表種類繁多。很多電器儀表設備需要定期拆卸之后進行離線檢定，因此使得送檢設備的電纜接頭處于長期裸露狀態(tài)。而現(xiàn)有的接頭保護措施不足以使接頭處于密封保護狀態(tài)，在長期接觸空氣以及水汽的情況下，容易造成設備儀表接線的加速銹蝕和老化，引起設備的短路和損壞。因此，使用完全匹配每種設備儀表線纜接頭的保護盒是避免設備儀表接線頭短接和銹蝕老化的重要手段。

1 設備接線頭保護方法現(xiàn)狀調(diào)研與分析

通過對某長輸天然氣管道公司進行調(diào)研與分析，目前對儀表拆除后的線纜接頭通常采用的保護方式是在線纜接頭處纏繞絕緣膠帶后進行塑封保護[1]。針對使用該種方法的送檢儀表信號線接頭銹蝕老化現(xiàn)狀調(diào)研結果如表1 所示。

表1 信號線銹蝕老化率統(tǒng)計表

從表1 可知，送檢后壓力變送器與溫度變送器信號線接頭銹蝕老化速率基本相同，綜合銹蝕老化率為19.11%。通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)銹蝕老化的信號線接頭處均有水汽。對多條相同材質(zhì)的信號線接頭，采用兩種方式測試其銹蝕老化率：一種是使用現(xiàn)有保護方式；一種是不采取任何保護措施。長時間放置室外后，發(fā)現(xiàn)均有銹蝕老化現(xiàn)象。通過使用因果圖進行原因分析，對比多項末端因素后發(fā)現(xiàn)銹蝕老化的主因是該種保護方式效果不佳。特別是處于空氣濕度大的環(huán)境中，電纜接頭銹蝕老化率更高。

2 線纜接頭保護盒的設計制作

因各類設備儀表電纜、信號線接頭種類繁多，而且各類電纜、信號線接頭并沒有統(tǒng)一的標準的保護工具，本文使用Solidworks完成各類電纜、信號線接頭保護盒三維模型的圖紙設計。并轉換成適配于3D 打印機的STL 格式圖紙，采用3D 打印機打印出線纜接頭保護盒。這種方式可以根據(jù)現(xiàn)場設備儀表的螺紋接口參數(shù)設計出完全匹配的接頭保護裝置，并且具有良好的防水效果，并且可以根據(jù)實際需要增設接線端子排，完全避免接頭短路。

2.1 線纜接頭保護盒的設計

2.1.1 線纜接頭保護盒的外部結構設計

線纜接頭保護盒外部結構設計考慮兩種外殼造型：一是長方形；二是圓柱形。對比兩種設計的優(yōu)劣發(fā)現(xiàn)：長方形設計，其端蓋需用螺絲固定，且密封性較差；圓柱形設計，其端蓋可采用螺紋連接結構，且密封性好。因此，保護盒外殼選用圓柱形設計。

2.1.2 線纜接頭保護盒的螺紋接頭設計

電纜、信號線接頭種類繁多，且非標準件占比較多，常見的線纜接頭保護盒不能完全匹配現(xiàn)場設備儀表的接口，無法實現(xiàn)完全密封效果，因此需要采用現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)的方式，使用3D打印技術自行設計和制作完全匹配各設備儀表的螺紋接頭類型線纜接頭保護盒[2]。

2.1.3 線纜接頭保護盒內(nèi)部結構設計

對于線纜接頭保護盒的內(nèi)部結構，考慮在內(nèi)部添加接線端子排，對各接線之間進行物理隔離和絕緣，而且可以使內(nèi)部接線排列有序。設計上考慮水汽遺留導致接線頭產(chǎn)生銹蝕的因素，因此在保護盒內(nèi)部預留了干燥劑的放置空間，可以極大降低水汽對接頭的銹蝕。

2.2 線纜接頭保護盒的制作

2.2.1 線纜接頭保護盒制作材料的選擇

輸氣場站因其特殊性，要求線纜接頭保護盒的材質(zhì)同時具備絕緣、防爆和防水的特性。經(jīng)過對多種3D 打印材料特性的對比，本文最終選定了以PLA 材料作為線纜接頭保護盒的制作材料。經(jīng)過500 次以上拆卸安裝測試，發(fā)現(xiàn)該種材質(zhì)輕便且耐磨損具有防水、防爆、絕緣的特點。且PLA 材料造價低廉，其特性完全滿足線纜接頭保護盒所需條件[3]。

2.2.2 數(shù)據(jù)的現(xiàn)場測繪

數(shù)據(jù)的現(xiàn)場測繪主要采用三種方式相結合：一是使用游標卡尺以及螺紋規(guī)，對輸氣場站送檢的設備儀表拆卸口處的電纜、信號線連接處的螺紋進行測量，收集詳細參數(shù)數(shù)據(jù)；二是對于標準件接口，查閱相應的國家標準及行業(yè)標準，建立標準件模型庫；三是將現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)與國家標準及行業(yè)標準進行對照分析，對所有數(shù)據(jù)進行修正及補完，確保所有數(shù)據(jù)與實際相符合、精確可用。

2.2.3 使用Solidworks 進行三維模型設計

運用Solidworks 進行線纜接頭保護盒實體建模的基本步驟為：使用AutoCAD 繪制零件平面圖紙，然后根據(jù)零件圖設計保護盒的裝配圖。在前步驟的基礎上，使用Solidworks 繪制保護盒的三維模型圖紙[4]。某個線纜接頭保護盒三維實體繪制效果如圖1 所示。

3 3D 打印應用

在使用Solidworks 建立線纜接頭保護盒的三維模型之后，導出每個零件的STL 格式圖紙，并將圖紙輸入3D 打印設備模擬軟件，之后調(diào)整打印比例，打印比例調(diào)整完畢后進行打印預覽，確定打印效果合格后進行3D 打印，如圖2～圖5 所示。

圖2 線纜接頭保護盒3D打印過程

圖3 3D打印零配件圖

圖4 3D打印線纜接頭保護盒內(nèi)部結構圖

圖5 3D打印線纜接頭保護盒裝配效果圖

4 結語

(1)3D 打印的線纜接頭保護盒投入現(xiàn)場使用后，經(jīng)3 個月實際使用效果檢驗，發(fā)現(xiàn)所有線纜接頭均未產(chǎn)生銹蝕老化現(xiàn)象，極大降低了裸露環(huán)境下電纜、信號線接頭的銹蝕老化率，同時也降低了各類設備儀表的損壞率，節(jié)約了大量設備儀表的維修及更換成本。

(2)輸氣場站中使用3D 打印技術，可以自行設計各類非標準尺寸零部件，且使用方便、成本低廉，3D 打印技術可以擴展到更多應用場景中。