自动喷砂除锈装置在西气东输三线管道工程的应用

2 0 1 4 年第4 2 卷第3 期 流体机械 5 3 文章编号： 1 0 0 5 0 3 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 5 3 0 4 自动喷砂除锈装置在西气东输三线管道工程的应用 王长江 。 曾惠林 。 赵勇强 ， 刘然 ( 1 中国石油天然气管道科学研究院， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 ； 2 中国石油天然气管道局， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要： 针对西气东输三线大E l 径管道工程人工喷砂除锈困难及人工喷砂除锈存在易损伤补El区外的防腐层 、 工人劳 动强度大、 工作环境恶劣、 污染严重、 除锈间断有遗漏、 砂料浪费严重、 除锈质量受人为影响等诸多问题， 将 自主研发的自 动喷砂除锈设备应用于西气东输三线西段工程的防腐补口施工中。阐述了管道喷砂除锈机理、 管道 自动喷砂除锈装置 组成及工作原理 、 管道 自动喷砂除锈执行机构构成及工作原理 、 装置性能参数及管道表面处理工作要求， 为管道喷砂除 锈技术的持续发展提供参考依据。工程应用证明， 管道自动喷砂除锈装置可有效解决人工喷砂存在的系列问题 ， 且性能 稳定、 自动化程度高、 操作简单、 野外环境适应能力强， 除锈质量满足要求 ， 有效节约工时， 砂料的循环利用可节约施工成 本， 切实保障西气东输三线管道工程的顺利施工及管道的安全运营。 关键词： 管道； 防腐 ； 自动喷砂除锈 ； 西气东输三线； 3 2 程应用 中图分类号 ： T H1 3 7 8 ； T E 9 8 5 文献标志码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 4 0 3 0 1 2 A u t o ma ti c S a n d - b l a s ti n g E q u i p me n t A p p li e d t o 3 r d We s t - e a s t N a t u r a l Ga s P i p e l i n e P r o j e c t WA N G C h a n g - j i a n g ， Z E N G H u i l i n ， Z H A O Y o n g q i a n g ，L I U R a n ( 1 C h i n a P e t ml e u m P i p e l i n e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a ； 2 C h i n a P e t r o l e u m P i p e l i n e B u r e a u ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n d i g e n o u s a u t o ma t i c s a n d -b l a s t i n g e q u i p me n t u s e d i n a n ti c o r r o s i o n c o n s t r u c t i o n o f 3 r d w e s t -e ast g as p i p e l i n e p r o - j e e t i n v i e w o f t h e e x i s t i n g p rob l e m s s u c h as e a s y t o d a ma g e t h e ant i c o r r o s i o n l a y e r fi l l t h e m o u t h o u t s i d e th e z o n e ， l ar g e l a b o r i n - t e n s i t y，p o o r wo r k i n g e n v i ron me n t ，s e r i o u s p o l l u t i o n ，d e r u s ti n g i n t e r mi t t e n t mi s s i n g ，s e r o u s w ast e of s and，d e r u s t i n g q u Mi b y poo p hDe s c rib e d t h e s and - b l ast i n g me c h a n i s m o f p i p e l i n e ，t h e c o mpos i t i o n a n d wo r k i n g p ri n c i p l e of p i p e l i n e a u t o ma t i c s and b l ast i n g e q u i p me n t ，t h e c o mpo s i t i o n an d w o r k i n g p ri n c i p l e o f e x e c u t i o n me c h an i s m of p i pe l i n e a u t o ma t i c s a n d b l as t i n g e q u i p - me n t ，per f o rm a n c e s and s u r f a c e p r o c e s s i n g r e q u i r e me n t s ，p r o v i d e the r e f e r e n c e f o r the s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t of p i p e l i n e b i as t i n g t e c h n o l o g y T h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s h o w s t h a t a u t o ma t i c s a n d - b l as t i n g e q u i p me n t c a n e ff e c ti v e l y e x i s t s o l v e a s e ri e s o f p rob l e ms o f a r t i fi c i a l s a n d，s t a b l e p e rf o r man c e ，h i g h d e g r e e of a u t o ma t i o n，s i mp l e o pe r a t i o n，o u t d o o r e n v i ron me n t a d a p t ab i l i t y ， me e t t h e r e qu i r e me n t s o f q u a l i t y ，e ffe c t i v e l y s a v e man - h o u r ，s an d ma t e ri al r e c y c l i n g c a n s a v e t h e c o n s t r u c t i o n c o s t ，s o as t o e n s u r e t h e s a f e t y of p i pe l i n e c o n ru c t i o n an d o p e r a t i o n Ke y wo r d s：p i pe l i n e； an t i c o r ros i v e ； a u t o ma t i c s an d - b l ast i n g d e ru s t i n g； 3 r d we s t - e ast n a t u r a l g as p i pe l i n e ； e n g i n e e ri n g a p p l i c a - t i o n 1 前言 随着科学技术的 E t 益进步与能源需求的不断 增长 ， 油气 资源输送管道向着高钢级 、 大 口径 、 大 壁厚 、 高压力的方 向发展。X 8 0 q 1 2 1 9 mm钢管在 西气东输二线部分干线工程建设应用之后， 又被 收稿 日期 ： 2 0 1 30 71 8 修稿 日期 ： 2 0 1 4一O 12 2 基金项 目： 中国石油 天然气集 团公 司重大科技项 目( 2 0 1 1 B一 3 3 0 2 ) 应用于西气东输 三线管道工程的支干线建设中。 X 8 0 q ) 1 2 1 9 m m 钢 管 、 X 8 0 q ) 1 4 2 2 m m 钢 管 ， 甚 至 X 9 0 、 X l O 0、 X 1 2 0钢级 大 口径钢管将被更 多地应 用于未来油气管道工程建设 中， 发挥其无可替代 的作用H 。然而 ， 随着管道 口径的不断增大 ， 关 乎管道使用寿命的防腐补口工序中的管道表面处 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 2， No 3， 2 01 4 理变得愈加 困难 ， 且现有管道表面处理方式多为 人工开放式喷砂除锈 。该方式存在易损伤 补口区外的防腐层、 粉尘严重污染环境、 工人劳动 强度极高 、 工作环境恶劣 、 砂料浪费严重 、 除锈质 量受人为控制、 除锈有遗漏、 表面清洁度不均等问 题 ， 尤其对大 口径天然气管道而言 ， 人工开放式喷 砂除锈的问题更为突出和严重。针对以上 问题 ， 中国石油天然气管道科学研究院研制出具有 自主 知识产权的管道 自动喷砂 除锈设备 ， 并在西气东 输三线管道工程建设中得以工业化应用。 2 管道 自动喷砂除锈装置组成与工作原理 2 1 管道喷砂除锈机理 管道 喷砂除锈 以压 缩空 气为 动力 ， 将磨 料 ( 喷丸玻璃珠 、 钢砂 、 石英砂、 金 刚砂 、 铁砂 、 海砂 等) 高速喷射到待处理 的管道表面 ， 利用磨 料本 身的硬度 、 冲击韧性和棱角 ， 将管道表面的各种锈 迹除去。由于磨料的冲击和切削作用， 管道表面 的机械性能得到进一步改善， 抗疲劳性提高 ， 管道 表面和涂层之间的附着力增加， 涂膜 的耐久性 延 长 ， 亦利于涂料的流平和装饰 ， 在清除掉表面的杂 质 、 杂色及氧化层的同时 ， 使介质表面粗化 ， 减少 基材表面的残余应力 ， 提高基材表面硬度 。 2 2 管道 自动喷砂除锈装置组成 管道 自动喷砂除锈装置主要 由履带工程车、 空压机 、 喷砂机 、 自动喷砂除锈执行 机构及 自动 控制 系统等组成 。履带工程车 用于 自动喷砂除 锈系统在施 工现场 的灵 活移 动及提供 电力 ； 空 压机 主要提 供压缩 空气 ； 喷砂 机负 责提供磨 料 及喷砂 ； 自动喷砂 除锈 执行 机构用 于实现 天然 气管道管 口全位 置的 自动除锈 ； 自动控制 系统 用于控制管道 自动喷砂 除锈 装置实现管 口自动 除锈的所有动作 。 2 3工作原 理 管道 自动喷砂除锈装置如图 1 所示。 图 1 管道 自动喷砂除锈装置结构 开启履带工程车 ， 带动车载发电机进行发电， 入砂料回收仓 以供循环利用 ， 粉尘经 回收气管路 通过配电箱与 自动控制系统为真空泵 、 电磁阀、 电 并在滤芯的过滤下落人 回收箱 ， 并定期清理。待 机等供 电。开启空压机 ， 压缩空气经油水分离器 一道管 15 1 除锈结束后 ， 按动喷砂停止按钮 ， 连接三 分别给砂阀助吹器 、 三通 、 反吹储气罐供气 。启动 通的电磁阀关闭 ， 电磁泄压阀开启 ， 排出储砂仓中 控制系统上的喷砂按钮 ， 连接三通的电磁阀开启， 的压缩空气 ， 铝制密封球落下 ， 砂料回收仓中的钢 电磁泄压阀关闭， 压缩气体流经三通， 在压缩气体 砂进入到储砂仓。待工位移动到下一道补 l-3区 作用力下， 铝质密封球与砂料回收仓V I 的橡胶密 后， 重复以上喷砂过程， 以实现管道自动喷砂除锈 封垫形成密封， 压缩空气在储砂仓内形成一定压 的流水作业。工作一段时间后， 滤 表面会吸附 力 ， 推动钢砂经砂阀、 储砂罐及喷枪作用于补 口区 大量粉尘 ， 继而影响滤芯的过滤效果 ， 此时启动反 管道表面。同时 ， 在真空泵的作用下 ， 钢砂及粉尘 吹按钮 ， 电磁阀开启 ， 反吹储气罐 中的压缩空气瞬 经回收管到达分离系统 ， 钢砂经分离系统 、 筛 网进 间作用于滤芯内部 ， 将 吸附于滤芯表而的粉尘吹 2 0 1 4年第 4 2卷第 3期 流体机械 5 5 落， 达到清洗滤芯的效果。 3 管道 自动喷砂 除锈执行机构 结构组成与工作 原 理 3 1 自动喷砂除锈执行机构结构组成 自动喷砂除锈执行机构为三瓣式液压开合结 构 ， 主要由液压油缸 、 浮动式旋转机构 、 限位机构 、 横 向行走机构组成 ， 如 图 2所示 。液压油缸用于 实现 自动喷砂除锈 执行机构在 管道补 口区的快 速 、 自动安装与移除； 浮动式旋转机构在电机扭矩 的作用下 ， 借助于浮动式驱动轮与管道外表面的 摩擦力实现 自动喷砂除锈执行机构沿补 口区管段 的周向旋转 ； 横 向行走机构借助于电机驱动力 ， 依 靠齿轮齿条传动方式实现喷枪在补 口区管段的横 向移动； 限位机构借助于行程开关及左右限位块 实现管口喷砂除锈宽度的限定 。 浮 动式 旋转棚 构 动， 当移动至管道补 口段右侧时 ， 由右限位块限制 其右向运动， 如此往复， 完成 自动喷砂除锈执行机 构的横 向除锈。待一道管 口除锈结束后 ， 通过控 制系统将 自动喷砂 除锈执行机构复位 ， 而后依靠 液压油缸的作用力及工程车吊臂将 自动喷砂除锈 执行机构移开 ， 到达下一道补 口位置后 ， 重复以上 开合动作 ， 以实现管道喷砂除锈的再作业。 4 主要性能参数及工作要求 4 1 主要性能参数 适用 管 径 ： 1 2 1 9 m m；除锈 等 级 ： S a 2 5 级 ； 锚纹深度 ： 3 0 9 0 1z m； 除锈宽度 ： 6 0 0 m m； 平 均除锈时间： 7 ra i n J 。 4 2工作要求 ( 1 ) 除锈前 ， 将管 口表面加热至 4 0 6 0 C， 以 除尽水气 ， 避免喷砂除锈后钢管表面返锈 ； ( 2 ) 将待除锈管 口两侧紧临的防腐层表面进 行打毛处理 ， 打毛宽度为 1 2 51 5 0 m m； ( 3 ) 不得损伤补 口区以外的防腐层 ； ( 4 )除锈完毕后 ， 清除补 口区内表面灰尘 ； ( 5 ) 管 口表面处理 与补 口间隔时问不得超过 2 h ， 期问若有浮锈产生 ， 应重新喷砂除锈。 走机构 5控制系统思路及流程 图 2 自动喷砂除锈执行机构三维模 型 3 2工作原理 利用液压油缸的作用力将 自动喷砂除锈执行 机构安装于管道补 口区， 并给予一定的预压力 ， 以 产生足够的摩擦 力， 防止打滑。安装就绪后 ， 通上 电源 ， 浮动式旋转机构上电机的动力经减速齿轮 组 、 等速齿轮组传至浮动式驱动轮， 继而驱动 自动 喷砂除锈执行机构周 向旋转。同时 ， 横 向行走机 构上电机的动力经等速齿轮组传至齿条 ， 继而驱 动横向行走机构沿导向光杆移动 。开启 自动控制 系统 ， 浮动式旋转机构 、 横向行走机构可在限位机 构、 自动控制系统的共同作用下实现管道表面 自 动除锈 的整个工作过程 ， 即浮动式旋转机构 的周 向步进转动， 转动宽度可在小于喷枪有效宽度的 范围内任意调整 ， 以保证除锈连续无遗漏 ； 横向行 走机构沿导 向光杆横 向移动 ， 当移至管道补 口段 左侧时 ， 行 程开关与左 限位块 接触 ， 控制 系统响 应 ， 横向行走机构停止左 向移动 ， 并 向相反方向运 基于管道 自动喷砂 除锈装置的工作 原理， 控 制系统以 P L C为主控单元 ， 控制两部横向行走电 机和一部周向旋转电机。通过远端控制盒发送信 号给 P L C完成复位 、 手动 、 自动 3种模式 的切换 ， 并完成不同模式下的相应动作 。手动控制 ： 手动 进行横 向行走机构的左、 右移动 ， 浮动式旋转机构 的正 、 反 向运动 ， 便于修补 除锈 等级不足处 的管 面。复位控制 ： 上电后， 两部横向行走 电机带动各 自的横 向行走机构 向同侧移动 ， 待两横 向行走机 构均接触限位开关后 ， 横向行走 电机停止运动， 周 向旋转 电机带动浮动式 旋转机构做周 向步进转 动。为保证喷砂 面的搭接效果 ， 周 向转 动的宽度 应不大于喷枪 的有效喷砂 宽度 。自动控制 ： 当执 行机构复位后 ， 将模式切换至 自动档位 ， 点击开始 按钮 ， 进入 自动喷砂除锈程序。两部横向行走 电 机带动横向行走机构沿光杆移动 ， 且使用 P L C控 制两部 电机到达 限位位置的时间差 ， 当两 台横 向 行走机构均触到 限位开关时 ， 旋转电机才 开始带 56 F LUI D MACHI NERY Vo 1 42， No 3， 2 01 4 动浮动式旋转机构进行周向旋转 ， 待旋转一定角 度后 ， 旋转 电机停止 ， 两台横向行走机构开始反 向 移动 ， 如此往复循环。 在编程中将手动、 复位 、 自动 3种模式电路模 块化， 确保程序之间相对独立、 互不影响， 且程序 修改调试便捷 。应用 P L C的常开点 和常闭点进 行信号互锁， 防止信号间的传输错误导致误动作， 同时配合使用接通延时定时器来控制周 向运动时 间， 以控制 3台电机协 同完成喷砂除锈作业。控 制系统流程如图 3所示。 6工程 应用 图3 控制系统思路及流程 管道自动喷砂除锈装备在西气东输三线西段 管道工程成功取得总里程 5 0公里的工业化应用 。 应用结果表明， 每道管 口喷砂除锈的平均作业时 间为 1 0 m i n ( 净除锈时间 7 m i n+移车准备时间 3 mi n ) ， 日平均喷砂除锈数量约 6 0道 口， 比手工喷 砂用时节约 ； 管 口表面处理质量 S a 2 5级 ， 满足 西气东输三线管道工程 管道三层结构聚乙烯防 腐层技术规范 中关于除锈等级的要求； 装备性 能稳定、 施工环境适应能力强 、 除锈均匀连续无遗 漏、 除锈质量可控 ； 工人劳动强度得到有效降低 ； 砂料循环利用及 粉尘 回收可有效保 护环境无污 染 、 降低施工成本。管道 自动喷砂除锈装备可有 效保证西气东输三线管道工程防腐补 口质量及工 程进度， 延长管道使用寿命， 保障管道安全运营。 7结语 管道 自动喷砂 除锈装置具有 自动化程度高 、 结构简单合理、 性能稳定、 野外适应能力和可操作 性强等特点， 能有效摒除人为不利因素的影响， 除 锈质量等级完全满足要求 ； 有效降低 了工人 的劳 动强度、 彻底避免粉尘污染 ； 每道 口的除锈用时较 短 ， 可有效节约工时 ， 保证工程进度。 参考文献 1 李鹤林， 吉玲康， 田伟 高钢级钢管和高压输送 ： 我 国油气输送管道的重大技术进步 J ： 中国工程科 学 ， 2 0 1 0 ， 1 2 ( 5 ) ： 8 4 - 9 0 2 李鹤林， 吉玲康， 田伟 西气东输一、 二线管道工程的几 项重大技术进步 J 天然气工业， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 - 9