新型矿浆管道清管器的研发

中油管道检测技术有限责任公司 新型矿浆管道清管器的研发新型矿浆管道清管器的研发小组名称：管道清管QC小组单位名称：中油管道检测技术有限责任公司编制日期：2018年1月2日目 录一、课题背景2二、小组概况3三、选择课题4四、目标设定7五、目标可行性分析75.1技术查新75.2理论分析85.3科研实力9六、提出方案并确定最佳方案126.1提出方案与方案细化126.2确定最佳方案12七、制定对策16八、对策实施178.1实施一178.2实施二188.3实施三24九、效果检查259.1目标完成情况259.2效益分析26十、标准化28十一、总结和下一步打算2811.1总结2811.1.1专业技术2811.1.2自身综合素质2911.1.3管理技术3011.2下一步安排30一、课题背景矿浆管道清管作业：包钢动力总厂一条138公里的矿浆管道，经过7年的生产运行，管道内结垢严重，造成压力增高、运力下降，高压运行存在管道材质疲劳，发生爆管的危险。中油检测作为国内知名管道检测公司，具有近三十年的国内外管道清管检测经验。故包钢动力总厂与中油检测合作，由中油检测为该管道进行清管作业。中油检测现有的清管器适用于介质为天然气、成品油、原油管道清管，面对包钢动力总厂矿浆管道实际工况，清管器必须具有更强的通过性能、耐磨耗性能和清污性能。为此我们必须研制适合用于矿浆管道的清管器。名词解释：机械清管器：聚氨酯皮碗和骨架连接而成的，由压缩空气、水或管道输送介质推动的、用于清理管道内的积垢、凝蜡、杂质等的专用设备。图1-1机械清管器照片 图1-2皮碗照片皮碗：由聚氨酯材料浇注、压制、硫化成型，用于机械清管器的皮碗。二、小组概况QC小组概况一览 表2-1小组名称管道清管QC小组注册编号CPPI-2017-01小组成立时间2017.6.29活动时间2017.7.1-2018.1.2课题类型创新型课题名称新型矿浆管道清管器的研发当年活动次数16QC培训时长56h序号成员姓名年龄文化程度职称组内分工1仲维斌49大学本科高级工程师（组长）项目策划，制定活动计划2刘争36研究生工程师监督指导，项目现场活动策划3任洪泽48大学本科工程师监督指导，制定活动计划，控制项目质量4赵鹏36大学本科工程师与项目现场沟通协调，采集数据5张文29大学本科工程师采集、整理信息6李冬34大学本科助理工程师对策实施，制作成品7张畅24大学本科助理工程师化工理论归纳，试验方案设计，资料整理编制8王晶45大学本科助理工程师数据整理9王馨饶23大学本科助理工程师数据整理，绘制图表10梁也28大学本科助理工程师对策实施制表人：任洪泽 时间：2018.1.2三、选择课题2017年6月，中油检测着手为包钢长距离越野铁精矿矿浆管道进行通球清管技术服务。该管道运行参数如下：管道运行参数表 表3-1序号项目内容1设计压力（PI）13.9MPa2最大允许运行压力（MAOP）14.5MPa3最大运行压力（MOP）14.5MPa4当前工作压力范围1214MPa（输矿）5当前排量范围480m3/h6管道长度138km制表：任洪泽 时间：2017.7.2由于该管道长期输送磁铁矿矿浆，主要成分为磁铁矿、水、砂石，管道曾经在10公里、80公里、90公里三处换管维修，通过对现场换管后的管道内部的测量，管道垢质呈鱼鳞状，厚度约34毫米，垢质坚硬，底部有明显流痕。图3-1管道内整体情况图3-2管道内污物结垢项目组通过经验数据计算，预测使用中油检测现有的常规清管器时，清管器皮碗在运行过程中与管道内粗糙结垢摩擦，皮碗磨耗明显增加，可能导致泄流，致使清管器停留在管道中，不能完成清污任务。公司进行了模拟牵拉试验，试验结果如下：牵拉试验数据表 表3-2序号牵拉速度皮碗磨损情况最大拉力11m/s明显磨损，磨损厚度大于10mm1.55t22m/s严重磨损，磨损厚度大于14mm1.57t33m/s严重磨损，磨损厚度大于15mm，有撕裂现象1.57t44m/s严重磨损，磨损厚度大于17mm，撕裂现象明显1.57t制表：任洪泽 日期：2017.7.10所以对于该管道清管作业，现有清管器不能满足要求！为满足项目要求，QC小组开展研究，研究课题：新型矿浆管道清管器的研发。小组成员进行技术查新，寻找研究思路。通过查阅论文文献和期刊杂志，发现英国国际清管协会杂志报道了国外清管企业通过改良清管器皮碗的材质、造型和清管器骨架形式，完成工况复杂的长输天然气管道清管检测作业的案例，可以将这些方法类推到矿浆管道清管器的清管作业上。图3-3 参考PPSA杂志小组成员通过讨论制定活动计划。图3-4 活动计划甘特图制图：任洪泽 日期：2017.7.12四、目标设定目标值：(1) 用于包钢动力总厂矿浆管道的清管器运行长度在140千米以上；(2) 运行后清管器皮碗四方位平均磨损厚度小于10毫米/140千米。五、目标可行性分析5.1技术查新小组成员通过查阅新近的聚氨酯工业杂志等材料，发现在国际聚氨酯行业中有通过调整原材料配比实现聚氨酯产品改性的先例，例如亨斯曼等化工品牌公司通过调整多元醇和小分子二醇的比例拓宽了聚酯产品种类。图5-1查新参考杂志同时，小组成员查阅多篇聚氨酯弹性体改性和清管器设计的优秀论文。图5-2查新参考论文文献5.2理论分析小组成员通过查阅文献资料，结合生产实际，确定了：(1) Q/SY 1262-2010机械清管器技术条件中规定了现有机械清管器的普适运行距离，如下表所示：现有机械清管器普适运行距离表 表5-1工况适宜运行距离原油、成品油管道宜为500km水、天然气管道宜为200km空气压缩机通球扫线宜为100km制表：张畅 日期：2017.7.13由此可知，矿浆管道清管器运行长度在140千米以上的目标具有可行性。(2) 通过查阅文献和生产经验，分析皮碗耐磨性的影响因素：聚酯多元醇种类是一定的，不能任意改变；模具温度和硫化时间由机器设定，经常改变会使生产工艺复杂化，同时与机器精准度有关；聚酯多元醇比例、1,4-丁二醇比例和脱模时间可控性强，可以通过调整三者实现聚氨酯产品改性。同时，文献明确：提高扩链系数，磨耗下降，耐磨性能增加。 此处引用：刘凉冰，影响聚氨酯弹性体耐磨性的因素，化学推进剂与高分子材料，2016年第14卷第2期。根据MDI弹性体聚合反应机理：扩链系数=NH2+OH/NCO其中，NH2和OH由聚酯多元醇和1,4-丁二醇提供，NCO由MDI预聚体提供，聚酯多元醇构成柔性链段即软段，而MDI预聚体和小分子扩链剂1,4-丁二醇构成刚性链段即硬段。因此，设MDI预聚体的比例不变，则在一定范围内，增加聚酯多元醇的比例或减少1,4-丁二醇的比例，耐磨性提高。故运行后清管器皮碗四方位平均磨损厚度小于10毫米/140千米的目标具有可行性。5.3科研实力小组科研实力雄厚：(1) 中油检测为中国最早获得英国国际清管协会（PPSA）会员资格的单位，清管技术实力受到国际认可，小组能够查阅协会内部期刊杂志及相关各类文献，可为课题研究提供充足的基础资料；图5-3英国国际清管协会证书(2) 小组成员具有丰富的清管器设计经验和现场技术服务经验，曾参与中油检测清管器的图纸设计和产品制造、Q/SY 1262-2010机械清管器技术条件的编制等相关研发活动；(3) 中油检测清管器车间具有进口聚氨酯浇注机、烘箱以及聚氨酯试片制片机，清管器装配工具齐全；(4) 公司的国家工程试验室具备测试皮碗定伸强度、拉伸强度、伸长率、撕裂强度和阿克隆磨耗的专业仪器；图5-4部分实验仪器图5-5皮碗打翻试验台(5) 此外还有牵拉试验场能够为清管器试验提供场地。图5-6中油检测牵拉试验场综上所述，本次活动设定的目标具有可行性。六、提出方案并确定最佳方案6.1提出方案与方案细化由前文所述查新获得的启发，小组人员采用头脑风暴法，集思广益，在清管器骨架材质、形式和皮碗的形状、材质等方面进行探讨，充分考虑影响新型矿浆管道清管器机械性能和使用效果的关键因素，确定了“高耐磨皮碗装配刚性骨架机械清管器”的方案，如下图所示。图6-1方案细化树图制图：张畅 日期：2017.7.216.2确定最佳方案(1) 对于骨架材质：刚性骨架作为清管器的支撑轴，其焊接性能直接影响到清管器的运行安全，对比低碳钢和钛合金两种骨架材质的焊接性能，同时考虑骨架的加工周期和采购渠道，如表6-1，清管器刚性骨架材质对比表 表6-1刚性骨架材质型号材质分别抽取5台骨架其中不开焊数量焊接性能加工周期/工作日采购渠道结论低碳钢DN350Q2355良好56广泛采用钛合金DN350TA23易开焊7较少不采用制表：刘争 日期：2017.7.24故采用低碳钢材质作为刚性骨架材质。(2) 对于骨架形式：以低碳钢材质为例，小组成员对比DN350清管器加强筋刚性骨架和无加强筋刚性骨架的重量，刚性骨架设计参数表 表6-2清管器骨架类型筒体壁厚/mm整体长度/mm重量/kg结论加强筋刚性骨架5.546111.6不采用无加强筋刚性骨架6.54749.5采用制表：仲维斌 日期：2017.7.27注：清管器整体重量越小，对减少清管器皮碗磨耗有利，从而促进运行过程顺利、清扫作业有效，故重量为骨架形式比选指标，应选择重量轻者故采用无加强筋刚性骨架。(2) 对于清管器皮碗的形状：根据实际需求，对DN350清管器皮碗进行皮碗打翻试验，以确保密封性能；对碟型清管器、直碟混合型清管器、钢刷清管器和测径清管器而言，适用清管器类型大于3种。小组成员对比了碟型皮碗、直型皮碗和深锥皮碗的设计参数，确定碟型皮碗为终选定的清管器皮碗形状优化方案。清管器皮碗类型对比表 表6-3皮碗形状清管器皮碗名称皮碗外径/mm打翻压强/MPa密封性本矿浆管道使用清管器类型结论碟型清管器直碟混合型清管器钢刷清管器测径清管器碟形碟型皮碗3550.82强采用平板支撑皮碗3550.41弱不采用锥形深锥皮碗3551.50强不采用制表：李冬 日期：2017.7.26(3) 对于清管器皮碗的材质：小组成员经过调研，发现生产清管器皮碗的原材料通常有两种：TDI聚氨酯原材料、MDI聚氨酯材料。针对皮碗“高耐磨”要求，重点比较TDI和MDI两种材料的磨耗性能和撕裂强度，同时依据挥发性越弱则越环保的原理考察二者的环保性能：TDI与MDI性能对比表 表6-4原料类别磨耗性能撕裂强度挥发性1.33kPa下的沸点采购渠道结论TDIAkron磨耗在0.0080.023565kN/m118，较易挥发广泛不采用MDIAkron磨耗在0.0010.0054590kN/m156，较不易挥发广泛采用制表：张畅 日期：2017.7.23因此选择MDI聚氨酯作为新型矿将管道清管器皮碗的材料。骨架皮碗材质形式形状材质低碳钢无加强筋刚性骨架碟形MDI综上所述，“高耐磨皮碗装配刚性骨架机械清管器”的最终方案为：图6-2方案比对树图制图：张畅 日期：2017.7.27七、制定对策通过组织讨论论证，小组对优化方案的可行性、安全性、重点难点等进行评估，制定5W1H对策表：对策表 表7-1序号方案对策目标措施地点完成时间负责人1骨架订制清管器骨架低碳钢无加强筋刚性骨架整体长度474mm，重量不大于10kg1咨询多家清管器骨架制造厂；2按图纸订制清管器骨架清管器骨架制造厂2017.9.29刘争2皮碗加工高耐磨皮碗并检验皮碗成品质量碟型皮碗，外径355mm，外观无缺损、无可见气泡；当清管器皮碗经牵拉试验运行20千米后，平均厚度磨耗量不大于1毫米；清管器皮碗Akron磨耗不大于0.002，撕裂强度在4580kN/m1设计正交试验，确定化学配比和硫化时间对于磨耗性能的最佳组合；2制定工艺流程；3加工皮碗并制作试片；4按机械清管器技术条件规定的方法进行检验清管器车间牵拉试验场研发车间2017.10.9张畅李冬梁也3清管器组装调试清管器清管器为四碟清管器，高度580mm，直径355mm，整体质量符合机械清管器技术条件要求1组装清管器；2按照机械清管器技术条件规定的方法进行检验3对清管器进行牵拉试验清管器车间牵拉试验场2017.10.28张文制表：张文 日期：2017.7.308、 对策实施8.1实施一小组成员咨询了4家骨架制造厂，订制了低碳钢无加强筋清管器骨架。图8-1骨架加工图图8-2骨架成品8.2实施二MDI聚氨酯的性能取决于化学结构，化学结构受化学配比和硫化时间控制，所以需通过试验确定二者数值，以确定最佳方案。小组成员通过查阅聚氨酯弹性体手册及相关论文文献发现：设定MDI预聚体的比例为100不变，则聚酯多元醇比例在55140、1,4-丁二醇BDO比例在13.89.5的范围内制成的MDI弹性体为适宜做清管器皮碗的聚氨酯制品，在此范围内提高聚酯多元醇比例或降低1,4-丁二醇BDO比例，有利于提高聚氨酯弹性体的耐磨性且其他机械性能符合标准要求。图8-3参考文献同时参考现有的邵85A皮碗配比一般为：MDI预聚体：聚酯多元醇：1,4-丁二醇BDO=100：80:12.5，故聚酯多元醇比例在80120，1,4-丁二醇BDO比例在12.510.5的范围内适宜本次课题目标。此外，小组成员还根据生产经验预测脱模时间在2030min的范围内，既可以保证反应程度从而保证物化性能，也可以保障生产效率，节约时间、节约生产资源。将聚酯多元醇比例、1,4-丁二醇比例和脱模时间这三个影响聚氨酯皮碗化学结构的关键因素相结合，保证实际生产过程的可操作性和简便性，三种因素各选取三个等差数水平进行正交试验。1）试验目的：聚酯多元醇比例、1,4-丁二醇比例、脱模时间这三者的最佳组合。2）评价指标：当清管器皮碗经牵拉试验运行20千米后，厚度磨耗量不大于1毫米。3）确定因素：聚酯多元醇比例、1,4-丁二醇比例、脱模时间3个因素。4）确定水平：聚酯多元醇比例有3个水平，1,4-丁二醇比例有3个水平，脱模时间有3个水平，具体情况如表所示。因素水平表 表8-1水平因素A聚酯多元醇比例B1,4-丁二醇BDO比例C脱模时间/min18012.520210011.525312010.530制表：张畅 日期：2017.8.35） 选用合适的正交表：选用L9（34）表。6） 正交试验按照上述组合方案在其他条件均等的情况下制作同样规格的DN350碟型皮碗,量得皮碗原始厚度为22毫米，图8-4试验用清管器照片在同样条件下进行模拟牵拉试验，结果如下：试验结果表 表8-2分组号试验号1A2B3C试验结果平均厚度磨耗量/mm10-1111（80）1（12.5）1（20）122212（11.5）2（25）103313（10.5）3（30）4442（100）138552217662325773（120）129883235993313I 26 29 22II 20 22 24III 17 12 17K1 8.67 9.67 7.33K2 6.67 7.33 8K3 5.67 4 5.67R 3 5.67 1.67制表：张畅 日期：2017.8.287） 结果分析看一看：将试验结果绘制成折线图，可以看出第3组至第9组试验结果符合评价指标。且第3组试验（A1B3C3）和第9组试验（A3B3C1）的结果较好。图8-5正交试验结果图制图：张畅 时间：2017.8.28算一算：确定较优位级，对于厚度磨耗量有A：K3K2K1；B：K3K2K1；C：K3K1K2,则依据计算结果优方案应取A3B3C3。确定主要因素，对于厚度磨耗量，1,4-丁二醇BDO比例B为主要因素，A、C为次要因素。为了验证正交试验结果的准确性，小组决定再做两组试验A1B3C1和A3B3C3，得下表：优化试验结果表 表8-3分组号1A2B3C试验结果厚度磨耗量/mm11（80）3（10.5）3（30）0.42131（20）0.633310.343（120）330.2制表：王晶 日期：2017.9.7由此可知，A3B3C3的组合方案即A聚酯多元醇比例B1,4-丁二醇BDO比例C脱模时间/min12010.530为最终选定的化学结构方案。同时，测定该化学结构方案下制得皮碗的硬度为邵氏74A左右，与现在普遍使用的邵氏85A硬度的皮碗相比，弹性形变能力强，通过性能更优秀。根据确定的化学结构方案，小组成员制定皮碗制作工艺流程，加工皮碗。图8-6皮碗制作工艺流程图制图：李冬 时间：2017.9.11由于清管器皮碗在现场使用前不能有损耗，所以在制作皮碗的同时制作试片，保证原料、配比、温度、时间等条件一致，按Q/SY 1262-2010机械清管器技术条件规定的方法对试片的机械性能进行测试，从而反映清管器皮碗的机械性能。出具报告：梁也 时间：2017.10.9将报告中的测试值与标准规定的范围对比，清管器皮碗的各项机械性能均在标准要求的范围之内。8.3实施三出具报告：张文 时间：2017.10.18在组装检验清管器后，抽取其中一台清管器，进行牵拉试验牵拉试验数据表 表8-4牵拉速度皮碗平均磨损厚度/mm运行长度/km最大拉力/t1m/s0.3201.55制表：任洪泽 日期：2017.10.28牵拉试验结果良好，新型矿浆管道清管器可出厂投入使用。九、效果检查9.1目标完成情况2017年11月，项目现场发送首台新型矿浆管道清管器，共运行23.53小时、138千米。全程运行正常，无憋压卡堵情况。作业结束，清管器收出后整体完整，皮碗整体磨损均匀。 图9-1 清管器到达收球筒 图9-2 运行后的清管器已知皮碗的原始厚度为22毫米，测量皮碗的剩余厚度。皮碗剩余厚度统计表 表9-1测量方位皮碗剩余厚度/mm第一个皮碗第二个皮碗第三个皮碗第四个皮碗3:00131818146:00141820189:001518201912:0015171916制表：赵鹏 日期：2017.11.25由磨损量=皮碗原始厚度-皮碗剩余厚度计算得，平均磨损厚度为5毫米，最大磨损厚度9毫米，最小磨损厚度2毫米。注：柱状图表示每次清除固体污物重量，折线图表示管道压强随清管次数的变化图9-3清污重量、管道压强与清管器运行次数复合图制图：赵鹏 日期：2017.12.15本阶段运行总时间/h267.6本阶段运行清管器数量/台13矿浆主泵转速管道压强/MPa输送流量/(m3/h)运行前52%14470运行后58%12.5500制表：张畅 日期：2017.12.16运行前后管道主要参数对比表 表9-2故目标实现，新型矿浆管道清管器研制成功。9.2效益分析社会效益由于新型矿浆管道清管器在本次检测技