涂塑钢管流水线改造.doc

工程硕士学位论文选题报告及论文工作计划课 题名 称 全防腐涂塑钢管流水线改造 学 号 0921030003 姓 名 黄翔宇 专 业领 域 09级机械工程 所在院、系 机械工程学院 校 内导 师 校 外导 师 选 题时 间 年 月 日同济大学研究生院 年 月 日一、 立论依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、工程应用价值1课题来源：上海净鑫市政管道工程配套有限公司制造项目部下属技术二部2010年001号项目。2选题依据：我司于2009年购置上海建雅全防腐给水涂塑复合钢管流水线一套，但经使用发现如下问题：1) 只能加工定长6M的钢管，虽然可以通过调整导轨间距进行微调，但最短也只能加工2.5M的短管，且调整作业劳动强度大，十分不便。2) 固化箱和预热箱的升温效果和保温效果均不理想，升温慢降温快，造成预热和固化温度均达不到要求，环氧树脂涂层质量差。3) 钢管两端与聚四氟乙烯滚轮的接触面漆层破坏严重，与固化箱链条接触时还会造成2次破坏，无法达到使用要求。4) 扬尘现象严重，对粉末回收利用、车间环境、员工身体健康都造成了较大的影响。5) 由于无法加工，短管加工时只能采用从喷涂好的长管上截取后再次滚槽的方法。对涂层破坏严重，端口只能手工补漆，使端口防腐的目标无法实现。由于现有全防腐给水涂塑复合钢管流水线存在以上问题，故急待改进。3背景情况我司在长期水泵房的施工中，发现存在以下几个方面的问题：1) 在现场管道、阀门、水泵装配时耗较长；2) 管材消耗比较大；3) 安装现场对环境要求比较高；4) 采用镀锌钢管，现场进行管材切割，端口防腐问题得不到解决，因此造成管道使用寿命降进而导致水质恶化。5) 现场需要移动加工机械及其他一些相关安装设备；现场需要管材切割、沟槽连接需要制作螺纹的相关机械设备；6) 现场需要制作安装支架。为了提高施工效率，减少施工过程材料损耗和便利的施工环境，提高供水效力、解决管道防腐问题，提高使用寿命、提高水质和降低施工成本，公司提出开发一种新的工艺以解决上述问题。为此，我司技术部经过设计构思提出了名为“工厂式泵房安装”的新工艺。采用新工艺的水泵房针对目前状况，主要优势体现在以下几点：1) 根据现场参数，因设计装配已经在工厂完成，所以在现场只是一个拼装过程，施工非常便利，可大量节约现场的时间成本和人力成本；2) 因管材是预先进行预安装，现场管材无损耗，可节约材料成本；3) 因设计及预装配已经在工厂完成，所以对施工现场环境要求大为降低。另外，因所有的原始参数是根据现场实际采集数据而设计制作，所以现场的安装非常便利，对施工环境要求也不高。4) 解决管材端口防腐问题因为管材在工厂进行切割，整体进行环氧树脂喷塑处理，因此不会产生端口腐蚀；5) 提高管材使用寿命因采用新型的管材，避免端口腐蚀，从而大幅度提高管材使用寿命；6) 提高输水能力因管道无腐蚀，所以可以降低流阻，减小沿程和局部 水头损失，长期使用，可以提高输水效率；7) 提高水质因为采用新型管材，供水管道内外均为无毒环氧树脂喷塑处理，不产生腐蚀，从而保证供水水质。8) 现场无需切管设备，无需活动加工机械因管材已经在工厂进行预制，所以无需活动加工机械及其他一些设备，对现场环境基本无要求。9) 采用新型活动支架 采用的新型活动支架也是在工厂直接预制，不需现场制作，所以安装极为便利。因此，对于提高施工效率，减少施工过程材料损耗和便利的施工环境，提高供水效力、解决管道防腐问题，提高使用寿命、提高水质和降低施工成本，进行水泵房施工工艺和管材的改进，工厂式泵房安装的出现有非常现实的意义。l 采用新型管材（给水涂塑复合钢管）适用领域：l 适用于供水管道l 空调回水系统管道l 蒸汽管道l 石油管道l 天然气管道l 室内排水、排污管道l 化工管道（可采用不同的喷塑涂层）针对二次供水和消防系统，工厂式的泵房安装工艺和新型管材尤其适用，可大幅提高施工周期、提高施工质量、延长使用寿命具有现实的意义。为此我司在2008年底投产一条全防腐给水涂塑复合钢管流水线作为该工艺的配套设备。该流水线于2009年7月底完成。4课题研究目的1) 使管道的加工范围增大。2) 提高涂层质量。3) 解决端口涂层破坏问题。4) 解决粉末回收问题。5工程应用价值如该设备改进成功，就能完全满足“工厂式泵房安装”的新工艺对所需新型管道的要求，我司就能将这种新工艺推广到所有泵房安装项目中。所能带来的应用价值如下：效益：l 时间成本节约60%以上。l 管材成本节约20%以上。l 人力成本节约50%。效果：l 节约成本。l 改善施工工艺。l 增强企业技术含量，提升企业核心竞争力。二、文献综述1、国内外研究现状钢管在传输介质或置于大气、土壤等自然环境中，管壁都会经受不同程度的腐蚀，直接影响到管道的使用寿命。食品、医药、饮水、石油化工等行业使用的管道不允许管壁腐蚀使传输介质受到污染，钢管壁防腐成为关键技术，涂塑钢管应运而生。钢管涂塑技术采用特殊的工艺及专用设备将粉末涂料均匀地涂覆于钢管管壁，经固化(或塑化)后，在管壁形成一层平整、光滑、坚固的保护层，使管道成为复合制品。它既保持了钢管原有的强度和刚度，又具有塑料涂层防腐性能优良、光滑耐磨等特点，从而大大延长了钢管的使用寿命。钢管涂塑技术是一项管道防腐、保护管道输送介质的综合技术，是集涂塑工艺、专用工艺装备、涂层检测技术、系列涂层材料开发及施工应用技术为一体的综合研究开发成果。钢管涂塑技术于二十世纪五十年代已开始研制和应用。美国是最早使用涂塑钢管的国家，早在1953年已研制成功内壁涂有环氧树脂的天然气管道，防腐效果显著，因而涂塑钢管迅速发展。六十年代末七十年代初，日本、德国(原西德)、前苏联等国家也相继开发和应用了涂塑钢管。现在，国外的涂塑钢管已形成系列化产品，进行规模化生产。日本的涂塑钢管已占全部管道用量的25以上，美国则为50左右。由于建造出口船舶的需要，中国船舶工业总公司船舶工艺研究所与江南造船厂、沪东造船厂联合研制了钢管内壁涂塑技术，经涂塑的钢管最先用于船舶海水管道，其耐蚀性、耐磨性大大超过热镀锌钢管。经过近二十年的发展，涂塑钢管的优良性能已逐渐被人们所认识，使用范围也逐步拓展，已运用于船舶、电力、石油、化工，城建等诸多行业。2、发展动态1) 电场云粉末喷涂电场云喷涂也是一种静电喷涂，他用固定的喷嘴和平行排列的电极代替了通常是活动的喷枪。将压缩空气吹出的粉末送入电极空间，通过电晕针产生的离子而使之带电，这就是所谓的电场云。当接地工件放入电场云区时，电晕针间断发生的电晕放电与工件间形成电厂，使带电粉末被吸附上去。然后再通过加热固化完成涂装。这一方法的最大优点是粉末涂料的上粉率达到95%，比一般静电喷涂法节省1/31/2的粉末；涂覆的粉末层致密，涂膜均匀平整，而且膜厚度调节方便；设备投资低。虽然不太适用于大型工件，但对流水线作业，尤其是板状物体特别合适，如现在已开发了300m/min的粉末涂料预涂钢板（彩色钢板）的生产流水线。2) 粉末电磁刷涂这是一种模拟静电复印或激光打印得新的粉末涂料施工方法，尤其适合于将粉末涂料高速的涂覆于平板型的底材上。该装置由磁刷台和可将被涂物贴附的磁鼓组成,粉末涂料就如复印机的磁粉,平板型的被涂物就如待复印的纸张。当静电开通,随着被涂物通过,磁刷使其涂上了粉末涂料。这一方法是粉末涂料涂装方面的开创性进展。3) 紫外固化粉末涂料紫外固化粉末涂料与一般粉末涂料的差异在于固化体系。它的基料由主体树脂不饱和聚酯(或丙烯酸树脂)+光引发剂如乙酰苯酮衍生物组成。其固化分2步进 行,第一步是通过红外线(或结合其他热源)加热至100120使粉末熔融、聚结、流平;第二步是通过紫外线使之在几秒至几十秒之间快速固化。由于温度 低、速度快,所以特别适宜于木材、橡胶、塑料及纸张等热敏性材料的应用。4) 真空吸涂法真空吸涂法一般用于管道内壁的粉末涂装。静电喷涂对于小口径管道较难达到均匀喷涂的要求，涂膜厚度也达不到要求，而且容易出现针孔等弊病，因此对于小口径管道和带有弯管的管道，真空吸涂法就显示出其优越性。小口径自来水管内壁涂塑一般采用镀锌管吸涂聚乙烯粉末或无毒环氧粉末涂料。所以前处理工艺比较简单，只需要适当喷砂处理即可。水管的预热大多采用烘箱或烘道进行。其工艺流程如下：前处理预热真空吸涂固化成品。5) 粉末电泳涂装法1) 原理 粉末电泳（EPC）是粉末涂装和电泳涂装的结合，也就是在有电泳性质的树脂水溶液中，把固体粉末粒子像颜料一样分散，然后使这些粒子带电进行电沉积的涂装方法。 在有电泳性质的树脂水溶液中，把粉末粉料像颜料一样分散在溶液中，粉末粒子的表面浸润了作为分散介质的树脂水溶液，使它带上分散介质所具有的电荷。这些粒子向电极方向移动并在其表面析出，显示出通常的电泳涂装性质。我们把分散介质称为基料（Bi），被分散的粉末粒子叫做分散粉末（Po）。Bi和Po同时在电极上析出，烘烤时它们将同时构成涂膜的成分。Bi和Po有相容性（互溶性），在固化时会互相影响。Bi和Po用于EPC的必要条件如下：一是Po粒子要有良好的电泳性能。粒子不一定粒度小就好，而要有一定的粒度分布。Po是由一般的固体树脂和颜料组成的，它们都不溶于Bi的水溶液中。当然Po中的颜料应均匀分散在固体树脂中。二是 Bi 同Po的树指基本上相容性，固化时可以自行固化或者与Po树脂进行交联。目前用于工业化的Po是环氧树脂，Bi是环氧类的阴极电泳树脂（阳离子型树脂）。 2) EPC的优缺点： EPC的主要优点在于： a、涂装效率高，在数秒钟内即可获得涂膜，电泳槽体积小； b、通过调节电压和电极的位置，可方便地控制涂膜厚度40100um范围内; c、可得到高性能的漆膜； D、不存在粉尘爆炸和操作都吸进粉尘危害健康的问题，烘烤时基本没有刺激性气体释放，不污染大气环境；fE e、容易回收，可以用沉淀法沉降粉末后加收再利用。 EPC的主要缺点如下： a、EPC有涂膜厚，且含有一定的水分，烘烤时容易出现气泡和针孔，烘烤温度较高； b、容易产生缩边，特别是当溶液搅拌得不均匀时，会影响涂膜质量。 EPC的工艺参数为： a、Bi和Po影响 EPC的特点与Po、Bi、Po/Bi有关。Po/Bi比值和Po的粒度对EPC的性能影响很大，Po/Bi比值和Po变大时，涂膜变厚。 b、电沉积条件的影响 电沉积电压和电沉积时间对EPC有影响。EPC随电沉积条件而变化。EPC在非常短的沉积时间内就能达到一定的沉积量。据介绍，所达到的沉积量与一般电沉积涂料相比，沉积电压增高，涂膜变厚，反之则下降。 EPC的应用情况是：国外已经将EPC应用于汽车涂装。EPC也适用于建筑钢材、钢管等产品的防腐蚀涂装。因此EPC基本上属于粉末涂装范畴。 EPC汽车涂装的工艺流程如下： 磷化处理EPC水洗回收水洗净阴极电泳水洗回收烘烤打磨面漆 EPC技术还处于发展初期，其内容涉及树脂合成、分散技术、粉末制造、电化学等多种学科，因此该技术还有待进一步研究开发。三、研究内容1主要研究内容及拟关键技术1) 电机与拖动关键技术：通过PLC控制三相异步电动机实现喷枪的自动控制。2) 干燥固化设备关键技术：预热烘道和固化烘道的加热形式、热能损耗量和循环空气量的计算。3) 端口防腐关键技术：端口处理器的研制；中频加热器技术参数的选用；输送系统的改良。4) 粉末回收关键技术：通过PLC控制三相异步电动机控制升降门；集粉槽与两套回收装置的联动。2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析3) 研究方法：A. 理论计算：通过相应公式的理论计算得出设备需要进行改进的工作量，如预热烘道和固化烘道的功率、热能损耗量和循环空气量的计算。B. 实验法：通过对设备结构、参数等的调整来确定设备最佳的工作状态，如预热烘道和固化烘道软帘的排列方式、不同口径管道流化气压、出粉量的调节。C. 三维建模法：对新制作设备进行三维建模后模拟其动作情况，检查是否打到预期的设计目的，如电动小车的设计及新型链条的运行情况模拟。D. 个案研究法：通过查阅文献或参观专业公司的相关设备来学习先进喷涂设备的设计思路并加以消化吸收。4) 技术路线及实施方案A. 钢管旋转装置加装2套电动小车，由电控柜控制，使其能60.5M的区间内自由变换，其下更短的管道采用浸涂解决。B. 预热烘道、固化烘道各延长1/3，加装新的电热管及8道软帘，增加功率并添设保温设施。C. 端口设置一套端口处理器，对破坏的端口漆面进行处理，并加设2套中频加热器，对端口进行加热并补喷。固化箱有桥式改为平直式，采用新型链条，解决2次破坏问题。D. 喷粉工作台加装两道升降门，喷粉作业时自动下降，减少扬尘。同时喷粉台下制作固定式集粉槽，方便粉末回收。E. 结合1和3两条，即可解决短管加工问题。5) 可行性分析A. 电动小车属于较为成熟的设计，且原设备的外喷结构可参考利用。短管借用公司阀门车间的浸涂设备即可。B. 预热烘道、固化烘道延长后加装新的电热管分别为120支和108支，功率提升为360KW和108KW，延长了管道在烘道中的时间和吸收的热量，能够更快的升温并提供更大的热量。同时加装8道软帘后时烘道始终保持在一个相对密闭的状态下，能有效减少热量的散失，减缓烘道降温的速度，如保温效果良好更可以减少持续加热的时间，以达到节约成本的目标。C. 端口处理器河中平频热器经询价和现场比较处理效果后已选定供货商。将于3月中旬完成采购，4月底调试完毕进行投入试生产。D. 固化烘道改为水平后，配合新型链条能够将支撑点减小为4个尖点，经试验通过局部固化后能完全避免涂层二次破坏的产生。E. 喷粉工作台加装两道升降门后能与其下方的覆盖整个喷粉作业区的集粉槽形成全封闭喷涂作业区，粉末几乎不会飘散出来，配合2套脉冲反吹式粉末回收装置能较好的解决扬尘问题。3预期目标1) 流水线具备加工管长6米0.5米区间内的各规格管道的能力。2) 涂层质量符合CJ/T120-2008给水涂塑复合钢管中对环氧树脂涂层之要求 。3) 端口涂层完整，无破坏现象。4) 喷涂后车间无需大面积清扫。四、研究基础1. 参照标准GB 7691-87 涂装作业安全规程劳动安全和劳动卫生管理GB 14449-9 涂装作业安全规程涂层烘干室安全技术规定GB 15007-1995 涂装作业安全规程粉末静电喷涂工艺安全2. 主要技术性能指标钢管吸涂速度：每根38S钢管内喷涂速度：每根60340S钢管外喷涂速度：每根60340S钢管内外塑涂塑形式：外层预热粉末喷涂 内层预热粉末喷涂或吸涂吸涂加工口径：DN25DN100mm吸涂加工口径：DN25DN100mm钢管长度：1.5M6M预热烘道温控范围：1503505%电热功率：240KW固化烘道温控范围：10032005%电热功率：72KW电热温控形式：数字式温控PID调节粉末类型：环氧树脂、聚乙烯烘道内钢管输送形式：双节距输送链自动输送摆线针轮减速器驱动钢管出烘道接送方式：气动式钢管外喷涂行走形式：电动式粉末回收装置回收风量：3400m/h，风压3000Pa粉末回收方式：脉冲反吹一级过滤脉冲反吹控制形式：微电脑控制及手动控制粉末喷枪出粉量：300g/min(单枪)内喷涂移动形式：电动小车式移动吸涂装置工作形式：气动式外喷涂、粉末回收移动形式：电动小车式移动钢管旋转形式：电动式旋转设备占地面积：约15M*9M设备中间局部宽度：18M(W)设备重量：约13.8T3. 设备基本规格、数据钢管预热烘道烘道外形尺寸：6.8M(W)*2.4M(H)*4.8M(L)内净尺寸：6.6M(W)*0.7M(H)*3.5M(L)烘道支架材料：100*100方钢管等烘道：双槽式夹心保温板，内壁不锈钢板，外层彩钢板。 保温材料密度K100矿物棉温控仪表：N-8000数字式温控仪加热形式：电热管加热不锈钢电热管：4KW*60支钢管固化烘道烘道外形尺寸：6.8M(W)*2.4M(H)*3.5M(L)内净尺寸：6.5M(W)*0.7M(H)*4.6M(L)烘道支架材料：100*100方钢管等烘道：双槽式夹心保温板，内壁不锈钢板，外层彩钢板。 保温材料密度K100矿物棉温控仪表：N-8000数字式温控仪加热形式：电热管加热不锈钢电热管：4KW*18支钢管涂装设备粉箱容量：500*500*600*2套，流化气压：0.25Pa吸涂装置：气动式涂装拨管装置：气动式喷头清粉、回收换向：气动式行走速度调节：电子变频调速脉冲反吹式粉末回收、内外喷回收、余粉回收等共三套主要性能指标粉末回收率95%风量：3400m/h，风压4800Pa电机功率7.5KW风量：500m/h，风压1800Pa电机功率5.5KW微处理脉冲控制仪主要技术性能指标：CPU位INTEL公司8L9827八位单片机芯片电可擦EEPROM工作频率：12MHZ输出脉冲宽度：0.01S5S十档可调2%脉冲间隔时间：0.1S60S十档可调2%驱动输出端:8路，并带8路LED显示每路输出端：DC24V 1A大功率达林顿管无触点输出工作电压：220V25W（配套脉冲