周號，劉艷利，焦如義

中國石油天然氣管道科學研究院，河北廊坊065000

長輸油氣管道內(nèi)防腐智能補口機研制

周號，劉艷利，焦如義

中國石油天然氣管道科學研究院，河北廊坊065000

大口徑鋼質(zhì)管道內(nèi)涂層補口是一個技術難點，該技術目前在國內(nèi)還是空白。針對這一狀況，研發(fā)了內(nèi)防腐智能補口機設備。詳細介紹了內(nèi)補口機中除銹車和噴涂車的工作原理，論述了除銹機、噴涂機、行走機構擴展、電氣控制等關于內(nèi)補口機設計的內(nèi)容，重點介紹了補口機的速度互換和補口工作時間、補口機自動返回、供電電源、補口定位等補口機的關鍵功能設計。對研制的內(nèi)補口機的試驗表明，該設備可初步滿足鋼質(zhì)管道內(nèi)防腐補口作業(yè)的要求，各項指標均達到國家標準的要求。

長輸管道；內(nèi)補口機；除銹；噴涂；防腐

鋼質(zhì)管道對接環(huán)焊縫內(nèi)涂層補口技術是防腐領域十分重要的課題，也是防腐界迫切需要解決的技術難題。目前，大口徑長輸天然氣管道采用內(nèi)涂層技術已成為一種趨勢[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)的廣泛認同。作為整個內(nèi)涂層技術的一個難點，大口徑長輸天然氣鋼管內(nèi)涂層補口技術目前在國內(nèi)還是空白[2]。為解決這一問題，對長輸油氣管道內(nèi)防腐智能補口機開展了研究。

1 內(nèi)補口機工作原理

內(nèi)補口機分為除銹作業(yè)小車和噴涂作業(yè)小車兩部分進行設計，以減輕設備各部分重量、減小電源尺寸，使設備作業(yè)時便于操控。

（1）除銹車。除銹車由車體、主動輪總成、從動輪總成、s7-200可編程控制器、鋰電池組、磁定位接收裝置、行走電機、除銹電機、攝像機、除銹盤、鋼絲刷、風扇（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，如果遇到障礙物會自動返回。當磁定位接收裝置接收到置于焊口的磁信號后，立即將信號傳遞給s7-200可編程控制器，經(jīng)判別確認后，指令驅(qū)動車由行進速度變?yōu)楣ぷ魉俣?，并指令相應電路根?jù)程序設定開啟除銹電機，除銹電機帶動除銹盤轉(zhuǎn)動，進而帶動鋼絲刷高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力使鋼絲刷擴展開來，用較大的力對焊口進行除銹。在磁定位接收裝置接收到磁信號的同時，安裝在車體上的攝像機自動打開燈光電路，攝像機開始工作，可以對指定的管段進行攝像檢測，對管道內(nèi)部情況進行錄取，比較直觀地檢測除銹質(zhì)量[3]。除銹電機和攝像機的工作時間由s7-200可編程控制器根據(jù)實際情況進行設定，工作時間結(jié)束后，除銹車自動變?yōu)樾羞M速度前進。

（2）噴涂車。噴涂車由車體、主動輪組、從動輪組、s7-200可編程控制器、鋰電池組、磁定位接收裝置、行走電機、儲料倉、涂料泵、供料管路、泵料電機、旋杯、旋杯電機、攝像機等組成，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，如果遇到障礙物，會自動返回。當驅(qū)動車上的磁定位接收裝置接收到來自焊口的磁信號后，在s7-200可編程控制器的控制作用下，指令驅(qū)動車由行進速度變?yōu)楣ぷ魉俣?，補口機在相應的補口區(qū)段以工作速度退行甩涂。根據(jù)程序設定甩涂電機啟動，然后供料電機啟動，AB組分涂料經(jīng)料倉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，涂敷時間由s7-200可編程控制器設定，涂敷完畢后，甩涂和供料電機停止[4]。在磁定位接收裝置接收到磁信號的同時，安裝在車體上的攝像機自動打開燈光電路，攝像機開始工作，可以對指定的管段進行攝像檢測，對管道內(nèi)部情況進行錄取，比較直觀地檢測補口質(zhì)量[5]。泵料電機、旋杯電機和攝像機的工作時間由s7-200可編程控制器根據(jù)實際情況進行設定，工作時間結(jié)束后，噴涂車自動變行進速度前進。

2 內(nèi)補口機設計

2.1 除銹機

除銹車適用管徑為813～1 219 mm，見圖1。其主要技術特點是：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。可在鋼管內(nèi)沿正反兩個方向自行走，速度均勻、可調(diào)。行走電機為進口直流電機，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。除銹電機為國產(chǎn)24 V直流串激電機，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產(chǎn)品，寬度為20 mm。

圖1 除銹車結(jié)構示意

2.2 噴涂機

噴涂車適用管徑為813～1 219 mm，見圖2。主要技術特點是：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。可在鋼管內(nèi)沿正反兩個方向自行走，速度均勻、可調(diào)。設備自帶儲料倉，無外帶料管，施工簡便。行走電機和旋杯電機與除銹機的選擇型號相同。泵料電機為國產(chǎn)24 V直流串激電機，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)構示意

2.3 行走機構擴展設計

由于內(nèi)防腐智能補口機的適用管徑規(guī)格D 813～1 219 mm，因此研制了行走機構擴展裝置。通過給同一除銹車和噴涂車安裝相應的擴展裝置，從而可保證鋼絲刷和旋杯處在不同管徑管的中心位置，見圖3。

圖3 行走機構的擴展設計示意

2.4 內(nèi)補口機電氣控制設計

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

根據(jù)內(nèi)補口施工工藝，內(nèi)補口機通過PLC可編程控制器控制，并可以根據(jù)工作需要對所設定的參數(shù)進行調(diào)整。在作業(yè)過程中可以使除銹電機、泵料電機、旋杯電機在接收到磁定位信號后，按照程序要求自動啟動，可以精確控制，以減少人為因素的影響。

3 內(nèi)補口機的關鍵設計

3.1 補口機的速度互換和補口工作時間設計

采用高集成化的s7-200CN型可編程控制器作為控制核心，通過內(nèi)部程序設計、改變行走電機工作電壓、調(diào)節(jié)滑動變阻器以及利用可編程控制器本身的定時器（最大值3 276.7 s）設計和控制，實現(xiàn)行走電機速度互換和補口工作時間的自動控制。

3.2 補口機自動返回設計

在補口機前端加裝壓力傳感器，并預留一定的緩沖量，通過可編程控制器內(nèi)部程序設計，使之在遇到障礙物后，能自動改變行進方向，避免停止在管道內(nèi)部。

3.3 供電電源設計

經(jīng)過綜合分析，決定選擇目前比較先進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、綠色環(huán)保等優(yōu)點。經(jīng)調(diào)研，國產(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)量僅為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)此進行設計，除銹車和噴涂車空載最大行走距離可達到5 km，滿載最大行走距離可達到4.5 km。

3.4 補口定位設計

經(jīng)分析研究，決定選擇對人體無危害、且定位準確的磁定位儀進行內(nèi)補口定位。磁定位儀定位精度10 mm，定位響應時間300 ms。

4 試驗及結(jié)果

研制的內(nèi)補口機在試驗基地進行了安裝測試，在試驗過程中，對內(nèi)補口質(zhì)量進行測試，結(jié)果證明：內(nèi)除銹和內(nèi)噴涂質(zhì)量可以達到相關標準[6]的要求；試驗過程中，也制作了噴涂試驗樣片，并送交第三方認可的國家專業(yè)機構進行檢測，檢測結(jié)果同樣滿足相關標準。還針對其中的不足，進行了改進，完善了設備，使其基本具備了內(nèi)補口作業(yè)要求的功能。

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

[2]孫衛(wèi)松，劉萬寶，鄭光明.小口徑管道內(nèi)壁防腐層補口機[J].石油工程建設，1994（5）：46-47.

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

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

[5]楊金娥.管道內(nèi)防腐智能補口機及防腐質(zhì)量檢測儀[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)防腐層技術標準[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（1981-），男，河北深澤人，工程師，2005年畢業(yè)于河北理工大學測控技術與儀器專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道非開挖技術設備及機具自動化研究。

2015-03-31