唐勝菊 郭德科

(1.四川廣播電視大學(xué)，成都 610073；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司川西北氣礦劍閣天然氣凈化廠，四川 廣元 628017)

0 引言

管道作為一種重要的物料運(yùn)輸工具，在石化、燃?xì)庑袠I(yè)應(yīng)用十分廣泛。然而埋地管道在水、鹽、堿、壓力的作用下極易被腐蝕，因此管道防腐顯得尤為重要。通常埋地管道防腐是用人工方式在表面處理后的管道上纏繞防腐卷材。為減輕施工人員負(fù)擔(dān)、提高纏繞質(zhì)量，目前已有多款管道防腐膠帶纏繞專用機(jī)具投入使用，但普通的防腐膠帶纏繞機(jī)需4人均勻用力，否則易造成膠帶變形以及與管道貼合不一致等問題[1]214，同時(shí)當(dāng)纏繞機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到管道底部時(shí)，難以保證纏繞機(jī)與管道貼合緊密，不易觀察防腐膠帶壓邊搭接的均勻性[1]214。受到多年戰(zhàn)爭(zhēng)影響的伊拉克經(jīng)濟(jì)落后，在當(dāng)?shù)厥┕r(shí)，常會(huì)面臨施工材料短缺、施工設(shè)備落后、施工隊(duì)伍技術(shù)水平偏低等難題，高質(zhì)量的纏繞機(jī)在經(jīng)濟(jì)落后、物資匱乏的伊拉克地區(qū)極難采購(gòu)[2]。防腐管道在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分普遍，而防腐膠帶纏繞這一工序卻因?qū)Ｓ美p繞機(jī)具采購(gòu)難，而不得不采用人工手動(dòng)纏繞方式，因此造成生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且難以保證施工質(zhì)量的問題。為解決這一問題，需就地取材設(shè)計(jì)一種制作成本低、操作簡(jiǎn)便、施工效率高的新型管道防腐膠帶纏繞專用機(jī)，以提高施工效率和施工質(zhì)量。

1 新型管道防腐膠帶纏繞機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求與技術(shù)指標(biāo)

考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，要求纏繞機(jī)應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便，能保證施工質(zhì)量，有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，纏繞動(dòng)作能一次成形，同時(shí)還要保證設(shè)備制作成本低、制作工藝簡(jiǎn)單、安全實(shí)用、污染小。為滿足設(shè)計(jì)要求，其主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

(1)為了兼顧工作效率與設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，纏繞機(jī)的纏繞速度需控制在一定范圍內(nèi)，通過試驗(yàn)得出，防腐膠帶在管道軸向上行進(jìn)速度要達(dá)到1～1.2 m/min[3]90。

(2)為使防腐膠帶搭接寬度保持一致，并能在管道表面貼合緊密，防腐膠帶的搭接寬度應(yīng)為40～60 mm，防腐膠帶搭接厚度應(yīng)≥4 mm[3]90；

(3)改進(jìn)設(shè)計(jì)的防腐膠帶纏繞機(jī)要能滿足常用長(zhǎng)輸管網(wǎng)所選的各類中段管徑管道防腐膠帶纏繞需求。

1.2 工作原理及方案設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求，利用模塊化設(shè)計(jì)思想，確定纏繞機(jī)的主要功能模塊。為使防腐膠帶能均勻纏繞于管道表面，纏繞機(jī)首先應(yīng)具有纏繞功能，根據(jù)這一要求，應(yīng)有合適的動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)為整個(gè)機(jī)具的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力；要有相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)保證動(dòng)力部件與執(zhí)行部件的匹配；同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)防腐膠帶在管道軸向纏繞，還應(yīng)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)；最后，還要有輔助機(jī)構(gòu)來保證機(jī)具整體功能的完整性。因此新型管道防腐膠帶纏繞機(jī)的主要功能模塊應(yīng)包括：動(dòng)力模塊、纏繞模塊、傳動(dòng)模塊、行走模塊和輔助模塊5大功能模塊。由此得出，新型管道防腐膠帶纏繞機(jī)的工作原理：操作人員手持防腐膠帶，將防腐膠帶初始搭接在管道一端，調(diào)節(jié)膠帶纏繞角度和搭接寬度，通過選取一款低速電機(jī)帶動(dòng)管道旋轉(zhuǎn)，操作人員手持工具，使防腐膠帶與管道之間產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，并利用行走機(jī)構(gòu)沿管道軸向勻速前進(jìn)，確保防腐膠帶以既定的技術(shù)參數(shù)纏繞在管道表面。其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理

這種由管道旋轉(zhuǎn)做主運(yùn)動(dòng)，操作人員在行走機(jī)構(gòu)上保持勻速運(yùn)動(dòng)，防腐膠帶軸線與管道軸線傾斜角度保持不變的纏繞方式，用逆向思維改變了以往防腐膠帶纏繞機(jī)懸掛于管道外壁做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)膠帶纏繞的方式，避免了因膠帶纏繞機(jī)在管道表面懸掛不穩(wěn)、上下輪抓力不一致等因素造成的膠帶在管道上下表面纏繞貼合不一致、貼合質(zhì)量差等問題，提高了纏繞質(zhì)量。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

2 纏繞機(jī)的機(jī)構(gòu)組成

2.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力源及其配件組成，它是保障機(jī)器正常工作，為整個(gè)機(jī)具平穩(wěn)運(yùn)行提供動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，合理選擇動(dòng)力機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響很大。選擇動(dòng)力源時(shí)，既要考慮設(shè)備的輸送能力和負(fù)載能力，又要考慮結(jié)構(gòu)緊湊性[4]。因該油田目前現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備有限，動(dòng)力設(shè)備難采購(gòu)，可選替代設(shè)備較少，最終根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選取32 r/min的低速套絲機(jī)作為纏繞機(jī)動(dòng)力機(jī)構(gòu)。套絲機(jī)自帶的減速裝置，正好可以滿足纏繞機(jī)上防腐膠帶行進(jìn)速度為1～1.2 m/min的設(shè)計(jì)要求，且套絲機(jī)作為一種現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛的螺紋加工工具取材方便，其工作原理與車床套絲類似。從結(jié)構(gòu)上看，套絲機(jī)上的板牙孔正好可以作為傳動(dòng)管道穿套入口，套絲機(jī)上的板牙尺寸可調(diào)，可滿足多管徑傳動(dòng)管道安裝需求，擴(kuò)寬了施工工具選擇面。

2.2 同軸傳動(dòng)工具

根據(jù)套絲機(jī)工作原理，先將傳動(dòng)管道放入套絲機(jī)管子卡盤，撞擊卡緊，為使需纏繞防腐膠帶的被加工管道轉(zhuǎn)動(dòng)起來，需在傳動(dòng)管道與被加工管道之間設(shè)計(jì)傳動(dòng)套管作為同軸傳動(dòng)工具，套絲機(jī)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)套管轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)被加工管道旋轉(zhuǎn)。同軸傳動(dòng)工具作為傳動(dòng)部件，由DN50鋼管及傳動(dòng)爪組成。工作時(shí)，將傳動(dòng)套管放入套絲機(jī)內(nèi)，并用三角爪鎖緊，按下啟動(dòng)開關(guān)，調(diào)節(jié)板牙頭上板牙開口大小，順時(shí)針扳動(dòng)進(jìn)刀手輪，使板牙頭上的板牙以恒力貼緊轉(zhuǎn)動(dòng)的管子端部，低速套絲機(jī)電機(jī)將動(dòng)力通過同軸傳動(dòng)工具傳遞給被加工管道，帶動(dòng)管道旋轉(zhuǎn)；待防腐膠帶纏繞至預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)，板牙端自動(dòng)張開，纏繞加工結(jié)束，關(guān)閉電源，撞開卡盤，取出管道即可。電動(dòng)套絲機(jī)同軸傳動(dòng)工具示意圖如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)工具示意圖

2.3 管道抱箍

為滿足不同管徑的管道防腐膠帶纏繞需求，需針對(duì)不同尺寸的管道設(shè)計(jì)不同的夾具。為此，選用比被夾管道大一號(hào)的管道制作管道抱箍卡瓦，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需求，分別制作了DN100～DN600不同管徑的管道抱箍卡瓦，在卡瓦上焊接固定片和動(dòng)力傳動(dòng)桿，在固定片上打孔，用螺栓固定抱箍與管道。管道抱箍采用分體式結(jié)構(gòu)，對(duì)稱剖分為兩部分，由2塊帶手柄的半圓鋼環(huán)組成，2塊分離的鋼環(huán)由1組緊定螺栓連接而成，這樣既能保證連接精度又方便拆裝。管道抱箍示意圖如圖4所示。

圖4 管道抱箍示意圖

2.4 管道滾動(dòng)支撐

為實(shí)現(xiàn)管道滾動(dòng)纏繞防腐膠帶的功能，需要設(shè)計(jì)管道滾動(dòng)支撐。根據(jù)要求，將管道兩端放置于2個(gè)滾動(dòng)軸承支撐上，管道兩端設(shè)置滾動(dòng)支座，保證管道不發(fā)生縱向位移。管道滾動(dòng)支撐示意圖參見圖2。

2.5 行走機(jī)構(gòu)和手持工具

行走機(jī)構(gòu)由帶軌道的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，操作人員站立于該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，按設(shè)計(jì)速度沿與管道平行的軌道橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)管道防腐膠帶纏繞的軸向運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)纏繞膠帶手持工具，當(dāng)防腐膠帶纏繞至被加工管道時(shí)，需操作人員手握手持工具，保證膠帶于管道間產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，使膠帶與管道貼合緊密，搭接均勻。

3 纏繞機(jī)的工藝參數(shù)分析

纏繞機(jī)施工工藝參數(shù)是決定防腐膠帶纏繞質(zhì)量，避免施工盲目性的重要因素，在設(shè)計(jì)施工之前，根據(jù)施工管徑和管速等確定實(shí)際操作的參數(shù)范圍十分必要。

3.1 防腐膠帶寬度尺寸

常用的防腐膠帶帶寬有150 mm、180 mm、200 mm、300 mm等多種規(guī)格[5]48，防腐膠帶的帶寬會(huì)影響膠帶在管道上的纏繞效果。管道直徑不變的情況下，膠帶寬度越小，纏繞越平滑，纏繞質(zhì)量越好。但考慮到搭接寬度的要求，膠帶寬度偏小會(huì)造成防腐膠帶浪費(fèi)，而膠帶的寬度越大浪費(fèi)越少，但又會(huì)降低膠帶纏繞的平滑度，影響防腐效果[5]49。對(duì)此，針對(duì)DN40至DN600的多種常用管道，分別用這4種帶寬的防腐膠帶在設(shè)計(jì)管速內(nèi)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：管道尺寸低于DN70時(shí)，選用180 mm帶寬的防腐膠帶，膠帶纏繞褶皺較明顯；管道尺寸低于DN100時(shí)，選用200 mm帶寬的防腐膠帶，膠帶纏繞褶皺明顯增多[5]49。通過多次實(shí)驗(yàn)，獲得管道直徑與膠帶寬度的匹配表，如表1所示。

表1 管道尺寸與膠帶寬度匹配表

3.2 膠帶軸線與管道軸線夾角

膠帶軸線與管道軸線之間的夾角是影響膠帶搭接、纏繞進(jìn)程和纏繞質(zhì)量的另一個(gè)因素，為保證加工質(zhì)量，需設(shè)定合適的螺旋纏繞角度?，F(xiàn)場(chǎng)分別試驗(yàn)了30°，40°，50°，60°，70° 5種角度，不同管徑的防腐膠帶纏繞效果。統(tǒng)計(jì)分析得出，當(dāng)膠帶軸線與管道軸線之間夾角成60°時(shí)，膠帶纏繞效果最佳[5]49。

3.3 纏繞機(jī)的轉(zhuǎn)速

可根據(jù)防腐膠帶帶寬及膠帶在管道軸向上運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，計(jì)算纏繞機(jī)的轉(zhuǎn)速。依據(jù)纏繞機(jī)的工作原理，管道旋轉(zhuǎn)1周，防腐膠帶沿管道軸向前進(jìn)1個(gè)螺距L，假設(shè)纏繞機(jī)的轉(zhuǎn)速為V，防腐膠帶每分鐘軸向行進(jìn)距離為H，膠帶搭接寬度為40 mm，可求出纏繞機(jī)的轉(zhuǎn)速為

(1)

式(1)中，V為纏繞機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；H為膠帶每分鐘前進(jìn)距離，mm/min；L為膠帶纏繞到管道表面形成的螺距，mm；L=(b-40)/cos60°；b為膠帶帶寬，mm。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為驗(yàn)證設(shè)備的合理性及可靠性，制作了1臺(tái)新型管道防腐膠帶纏繞樣機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作環(huán)境下，試驗(yàn)樣機(jī)施工效果。試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照正常操作流程進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：傳動(dòng)套管的安裝與調(diào)試，同軸傳動(dòng)工具的安裝與傳遞可靠性測(cè)試，DN100～DN600不同管徑的管道抱箍的鎖緊能力和安裝拆卸的便利性測(cè)試，行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試，防腐膠帶纏繞搭接寬度合理性及支撐機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性測(cè)試等。

4.2 結(jié)果與分析

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新型管道防腐膠帶纏繞機(jī)，能較好地完成防腐膠帶纏繞工作，傳動(dòng)套管安裝拆卸方便，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳力可靠，管道抱箍的鎖緊力滿足施工要求，行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，低速電機(jī)的選擇符合功率要求，能夠滿足防腐膠帶在管道軸向上行進(jìn)速度為1～1.2 m/min的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，纏繞的防腐膠帶搭接寬度在40～60 mm之間，防腐膠帶在管道整周搭接面平滑無褶皺，可有效提高約80%的施工效率，因此滿足設(shè)計(jì)要求。施工效率提升數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 防腐膠帶纏繞機(jī)施工對(duì)比數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

基于組合法創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理，就地取材改造設(shè)計(jì)的新型管道防腐膠帶纏繞機(jī)，不僅解決了現(xiàn)場(chǎng)專用施工設(shè)備缺乏的問題，還改變了將纏繞機(jī)懸掛于管道外壁旋轉(zhuǎn)施工帶來的貼合不均，防腐膠帶在管道上下面貼合度不一致等問題，提升了管道防腐質(zhì)量；將原來的施工人數(shù)由4人操作變?yōu)?人操作，降低了人員操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了約80%的施工效率；新設(shè)計(jì)的纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、運(yùn)行平穩(wěn)、操作便捷、制作成本低，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求，也為其他同類型油田現(xiàn)場(chǎng)施工解決類似問題提供了思路。