王 帥 余金煌

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601）

1 研究現(xiàn)狀

管道輸送以其獨(dú)特的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在能源、燃料、市政、化工等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，輸油管、輸氣管、供排水管及污水回注管等對(duì)于金屬管道的需求量日益增長(zhǎng)。金屬管道在安裝使用前都會(huì)進(jìn)行除銹上漆處理，防止其內(nèi)外表面被腐蝕。但在固定安裝使用后，由于長(zhǎng)期暴露于日曬雨淋等環(huán)境，管道外表面的防護(hù)漆易脫落，進(jìn)而出現(xiàn)腐蝕。金屬管道的腐蝕常常會(huì)引起災(zāi)難性的后果，如導(dǎo)致火災(zāi)、泄漏和環(huán)境污染等，并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，輸送管道外表面腐蝕生銹后，需要及時(shí)進(jìn)行清理并涂刷保護(hù)漆，防止進(jìn)一步腐蝕。目前，對(duì)于金屬管道外表面除銹裝置的研究，主要集中于管道安裝前的除銹研究。

王春霞利用化學(xué)除銹劑，有效溶解了鋼鐵制品表面的鐵銹[1]。王銀炯等人從船舶智能化除銹裝置的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，利用高溫高壓預(yù)處理和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 智能化操作相結(jié)合的方案，設(shè)計(jì)了一種船舶智能除銹裝置[2]。程智勇等人采用脈沖激光除銹技術(shù)使材料本體表面升溫，以達(dá)到除銹的目的[3]。蘇宇等人利用現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種遙控式智能高架車，實(shí)現(xiàn)了超高壓水除銹自動(dòng)化作業(yè)[4]。陳應(yīng)明提出在鋼鐵表面進(jìn)行噴砂除銹，即運(yùn)用一定規(guī)格尺寸的磨料，在一定的空氣壓力下噴射到鋼鐵表面，利用磨料本身的硬度、沖擊韌性和棱角去除鋼鐵表面的鐵銹[5]。朱甲兵研究設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)鋼管外表面除銹裝置，通過調(diào)節(jié)剖分式筒形刷結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)鋼管外徑變化進(jìn)行除銹[6]。李奇文等人提出了一種鋼管外表面在線除銹方法，先淋濕鋼管，然后通過除銹機(jī)的兩組毛刷相對(duì)鋼管旋轉(zhuǎn)方向反向旋轉(zhuǎn)清除鋼管表面的鐵銹，再通過高壓水沖洗附著的鐵泥，最后用壓縮空氣干燥鋼管[7]。楊鑫偉等人提出一種鋼管外表面除銹系統(tǒng)，包括輸送裝置和除銹裝置，通過輸送裝置將鋼管移動(dòng)到除銹裝置，再使用除銹輪對(duì)鋼管外表面進(jìn)行除銹[8]。目前，常用的大型鋼管除銹機(jī)采用拋噴丸的方式對(duì)鋼管內(nèi)外表面進(jìn)行除銹。這些除銹裝置均為固定安裝，將待除銹的鋼管放置或運(yùn)送到除銹裝置內(nèi)進(jìn)行除銹作業(yè)，無(wú)法應(yīng)用于已經(jīng)安裝使用后外表面再次生銹的金屬管道。

針對(duì)已安裝在生產(chǎn)線上的輸送管道，普遍采用的除銹方法是人工除銹。該方式除銹操作靈活，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重，對(duì)于高空懸置的輸送管道還需要配合升降車才能進(jìn)行除銹。何小琳等人研究提出一種爬行式鋼管外表面打磨器，通過3 個(gè)等角度安裝的鋼絲輪打磨頭往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行打磨，并根據(jù)仿生學(xué)原理，通過絲杠螺母配合電磁鐵模擬尺蠖的爬行進(jìn)給[9]。但鋼絲輪打磨頭易損壞，而且來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)、急停急啟對(duì)電機(jī)的損耗較大，除銹效率不高。

針對(duì)以上除銹難題，設(shè)計(jì)了一種管道除銹裝置，其不僅能夠打磨管道表面，去除表面的銹跡，降低粗糙度，防止因生銹影響管道質(zhì)量，而且適用于不同尺寸的管道，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)操作，保證了管道的除銹質(zhì)量，節(jié)約了工程造價(jià)。

2 總體設(shè)計(jì)及工作原理

設(shè)計(jì)的金屬管道外壁除銹裝置具有體積小、費(fèi)用低、除銹效果好和易于使用等優(yōu)點(diǎn)，主要由上移動(dòng)座、下移動(dòng)座、軸向絲桿、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)、徑向絲杠、移位轉(zhuǎn)盤以及砂輪機(jī)等組成。該裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，部分結(jié)構(gòu)如圖2 所示，技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

圖1 除銹裝置整體結(jié)構(gòu)

圖2 除銹裝置部分結(jié)構(gòu)

從左機(jī)架的置管孔中插入生銹鋼管，并通過三爪卡盤和從動(dòng)三爪卡盤，使用扳手旋緊扳手孔，使3 個(gè)卡爪進(jìn)行向心運(yùn)動(dòng)并均勻夾緊生銹鋼管。根據(jù)鋼管直徑的不同，通過移位轉(zhuǎn)盤調(diào)整上移動(dòng)座沿徑向絲杠的前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整砂輪機(jī)相對(duì)生銹鋼管的徑向距離。調(diào)整完畢后，砂輪機(jī)應(yīng)靠近生銹鋼管但不與其接觸。首先，打開電機(jī)箱開關(guān)，三爪卡盤帶動(dòng)鋼管一起轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，打開砂輪機(jī)開關(guān)，砂輪機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整移位轉(zhuǎn)盤使上移動(dòng)座向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使砂輪機(jī)與鋼管接觸。最后，打開步進(jìn)電機(jī)開關(guān)，使中移動(dòng)座沿軸向絲杠左右往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成除銹作業(yè)。

本裝置使用砂輪打磨的方法進(jìn)行除銹，工作原理如下。砂輪高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，砂輪機(jī)在中移動(dòng)座的軸向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)下，通過軸向傳動(dòng)絲杠的傳動(dòng)作用沿鋼管進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且鋼管本身在三爪卡盤的帶動(dòng)下不斷旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋼管外表面的完全除銹。砂輪基座上的縱向絲杠可以調(diào)整砂輪和鋼管的距離，同時(shí)三爪卡盤和從動(dòng)三爪卡盤可通過卡爪調(diào)整直徑大小，從而適應(yīng)不同管徑鋼管的除銹作業(yè)。該裝置整體操作簡(jiǎn)便，除銹效果好。

3 工程部件設(shè)計(jì)

3.1 往復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

往復(fù)運(yùn)動(dòng)從形式上可分為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、往復(fù)擺動(dòng)、往復(fù)曲線運(yùn)動(dòng)和往復(fù)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等，其中往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)最常見，應(yīng)用也最廣泛。實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的常見機(jī)構(gòu)有凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等，本設(shè)計(jì)利用凸輪機(jī)構(gòu)原理使打磨器在移動(dòng)座中沿管道做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過程如下。基座頂端固定安裝下移動(dòng)座，下移動(dòng)座的中間固定安裝軸向絲杠。聯(lián)軸器套接在軸向絲桿的左端，步進(jìn)電機(jī)固定在聯(lián)軸器的左端。徑向絲杠穿過上移動(dòng)座的中間位置后，固定安裝移位轉(zhuǎn)盤。移位轉(zhuǎn)盤上安裝轉(zhuǎn)柄，通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)柄可控制砂輪機(jī)在前后方向移動(dòng)。軸向絲杠通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)在程序控制下不斷改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)中移動(dòng)座的固定往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使砂輪機(jī)在左右方向移動(dòng)。

3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有螺旋式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、凸輪式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和曲柄式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用的凸輪式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架3 個(gè)基本構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)，通過凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)從動(dòng)件進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)。設(shè)計(jì)的三爪卡盤、右機(jī)座、左機(jī)架以及從動(dòng)三爪卡盤在同一軸線上。基座底端開設(shè)支腳結(jié)構(gòu)，基座中間開設(shè)5 個(gè)減重槽。電機(jī)箱中的電機(jī)控制三爪卡盤的主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，三爪卡盤夾緊鋼管，實(shí)現(xiàn)鋼管的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 三爪卡盤設(shè)計(jì)

三爪卡盤又稱三爪自定義卡盤，由卡盤、卡爪和油槽等組成，如圖3 所示?？ūP按驅(qū)動(dòng)卡爪的動(dòng)力不同，可分為手動(dòng)卡盤和動(dòng)力卡盤兩種。其工作原理是利用卡盤扳手轉(zhuǎn)動(dòng)圓周上3 個(gè)傘齒中的任意一個(gè)，帶動(dòng)平面螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)3 個(gè)卡爪一齊移動(dòng)，起到自定義裝夾工作的作用。卡盤頂端開設(shè)有油槽，主要作用是引導(dǎo)潤(rùn)滑油?？ūP側(cè)面開設(shè)有扳手孔，右端安裝有右機(jī)座，內(nèi)部安裝有3 個(gè)卡爪?？ㄗ?nèi)端面開設(shè)有固定槽，作用是防止卡爪表面粗糙度差導(dǎo)致無(wú)法夾緊鋼管?？ㄗυ诳ūP的內(nèi)部槽中沿徑向運(yùn)動(dòng)，且兩兩之間的夾角為120°。

圖3 三爪卡盤示意圖

4 可變尺寸管道外壁除銹裝置的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

可變尺寸管道外壁除銹裝置的除銹特點(diǎn)如下。第一，可調(diào)尺寸?？勺兂叽绻艿劳獗诔P裝置通?？烧{(diào)節(jié)尺寸，能夠適應(yīng)不同直徑和長(zhǎng)度的管道。第二，多功能性。除了除銹，該裝置還具備其他功能，如清除污垢、涂層、油漆等，應(yīng)用范圍較廣，在工業(yè)維護(hù)和修復(fù)中更具實(shí)用性。第三，自動(dòng)化與操作簡(jiǎn)便。該裝置具有自動(dòng)化的功能，如自動(dòng)控制除銹過程、調(diào)整裝置尺寸等，而且其操作相對(duì)簡(jiǎn)便，降低了操作人員的工作強(qiáng)度。第四，環(huán)保性。部分設(shè)計(jì)采用環(huán)保的除銹方式，如水射流除銹技術(shù)等，減少了對(duì)環(huán)境的污染。第五，安全性。設(shè)備配備了一些安全保護(hù)措施，以確保操作人員在使用過程中的安全，如防護(hù)罩、緊急停止按鈕等。

該裝置具有4 點(diǎn)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。第一，徹底除銹?？勺兂叽绻艿劳獗诔P裝置能夠有效去除管道外壁的銹蝕，恢復(fù)管道的表面質(zhì)量，有助于延長(zhǎng)管道的使用壽命。第二，表面凈化。除銹過程會(huì)連帶去除管道外壁的污垢、油漆、涂層等，使管道表面得以凈化，為后續(xù)工作（如防腐涂層施工）奠定良好基礎(chǔ)。第三，提高效率。使用可變尺寸管道外壁除銹裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化的除銹過程，從而提高除銹效率，節(jié)省時(shí)間和人力成本。第四，改善管道流通。去除銹蝕和污垢可以恢復(fù)管道的內(nèi)部光滑度，有助于改善流體的流通能力，降低流體輸送阻力。

5 對(duì)比試驗(yàn)

通過管道穿越項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)外壁銹蝕較嚴(yán)重的200 根不同管徑的管道進(jìn)行不同方式的除銹。本次采用的除銹方法有可變尺寸管道外壁除銹裝置除銹、化學(xué)除銹和激光除銹等，如圖4 所示。

圖4 生銹管道及不同方式除銹效果

從圖4 可知，3 種除銹方式均能夠達(dá)到較好的除銹效果。但在試驗(yàn)過程中，化學(xué)除銹和激光除銹都存在環(huán)境、成本和人員操作等方面的問題。

化學(xué)除銹涉及化學(xué)溶劑或酸堿溶液的使用，這些物質(zhì)可能對(duì)環(huán)境造成污染，特別是在處理廢液時(shí)需要注意環(huán)境保護(hù)和處理要求。操作人員在使用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行除銹時(shí)可能面臨健康風(fēng)險(xiǎn)，如吸入有害氣體、接觸腐蝕性物質(zhì)等，需要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施?；瘜W(xué)除銹可能對(duì)管道材料造成損傷，尤其是對(duì)金屬管道，過度使用強(qiáng)酸堿溶液可能導(dǎo)致管道金屬表面腐蝕，影響管道的強(qiáng)度和耐久性。處理化學(xué)除銹過程中產(chǎn)生的廢液可能含有有害物質(zhì)，需要進(jìn)行專門的處理，增加了廢液處理的難度和成本。進(jìn)行化學(xué)除銹還需要一定的技術(shù)和操作經(jīng)驗(yàn)，操作人員需要具備相關(guān)知識(shí)和技能，以確保安全和有效性。

激光除銹涉及復(fù)雜的設(shè)備和高精度的技術(shù)要求，可能導(dǎo)致除銹過程的成本較高。激光技術(shù)需要大量的能源供應(yīng)，特別是對(duì)于高功率的激光系統(tǒng)來說，能源消耗很大。激光技術(shù)涉及高能量光束，操作人員需要經(jīng)過嚴(yán)格的安全培訓(xùn)，做好安全防護(hù)，以防止激光輻射對(duì)人員和環(huán)境造成損害。激光輻射可能導(dǎo)致管道金屬表面產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而使金屬脆化或變形，影響管道的強(qiáng)度和耐久性。激光技術(shù)還可能產(chǎn)生有害氣體或廢物，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗吞幹茫詼p少對(duì)環(huán)境的影響。

綜上所述，采用可變尺寸管道外壁除銹裝置除銹方法既可以減少環(huán)境污染、時(shí)間消耗以及成本支出，而且相對(duì)于激光以及化學(xué)除銹方法，對(duì)工作人員的技術(shù)要求較低，減少了很多潛在的危險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過管道穿越項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比了外壁銹蝕較嚴(yán)重的200 根不同管徑的管道進(jìn)行不同方式除銹，均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，其中可變尺寸管道外壁除銹裝置除銹極大提高了現(xiàn)場(chǎng)的除銹效率、質(zhì)量和施工效益，管道內(nèi)壁除銹達(dá)到預(yù)期效果，解決了實(shí)際問題。