油气管道防腐补口自动除锈机的研制.pdf

2 0 1 2年第 4 0卷第 2期 石 油机械 CHI NA P ET ROLEUM MACHI NERY ． ． 新产品开发 油气 管道 防腐补 口 自动 除锈机 的研制 王长江 乐 天 尹 1 ．中国石 油天然气管道科 学研 究院 铁 马志锋 张 毅 2 ．油 气管道输送安全 国家工程 实验 室 摘要 针对现有油气管道 防腐补 口施工中开放式管道表面处理存在的环境污染严重、工人劳 动强度大、粉尘危害工人健康 、砂料浪费严重及过程质量难 以控制等一系列问题，设计 了一种油 气管道 防腐补 口自动除锈机。该 除锈机 为三瓣 式开合结构，主要 由浮动式旋转机构、限位机 构、 横 向行走机构和除静电机构组成，工作过程为 “弓” 字形轨迹 除锈。试验及现场 应用效果表 明， 油气管道防腐补 口自动除锈机结构合理 、性能稳定 、操作简单 、野外适应能力强，除锈连续无遗 漏 ，除锈质量等级大于 S a 2 ． 5级，每道 口的平均除锈时间为 8 m i n ，可有效节约工时。 关键词 油气管道 防腐补 口 自动 除锈机 中图分类号 T E 9 8 5 ． 8 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 2 0 0 4 7 0 4 0 引 言 随着我国管道建设事业 的突飞猛进 ，油气管道 防腐补 口由手 工 向机械化 的过 渡成 为一种必 然趋 势 ，而作为影响管道防腐质量关键因素的管道表面 处理亦概莫能外。 目前 的管道施工中 ，补 口段的管 道表面处理多为人工操作开放式喷砂除锈 I 2 ，由 此带来 了环境污染严重 、工人劳动强度大 、粉尘危 害工人健康 、砂料浪费严重 、人为因素影响大及过 程质量难以控制等问题 ，导致补 口质量不佳 ，继而 降低管道 的使用寿命 ，增 大管道 运营 中的安 全 隐 患。针对以上问题 ，一些相关科研工作者设计了砂 料可 回收的喷砂除锈设备 ，虽可解决喷砂除锈中的 环境污染及砂料浪费严重等问题 ，但难 以从根本上 解决管道表面处理的问题 J 。中国石油天然气管 道科学研究院于 2 0 1 1 年成功研制出可解决管道表面 处理现存问题的油气管道防腐补 口自动除锈机。 1 技术分析 1 ． 1 结构 1 ． 1 ． 1 除锈 系统 总体 结构 除锈系统总体结构如图 1 所示。履带工程车可 实现 自动除锈机在施工现场的移动及为其提供电动 力 ；空压机 主要 为 自动除锈 机提供压缩空气 动力 源 ，根据工作参数及性能指标要求 ，选用 I n g e r s o l l R a n d生产 的 X P 3 7 5型空压机 ；砂罐系统主要为 自动除锈机提供磨料 ，根据工作参数及性能指标要 求 ，选用 J Z R一 5 0 0 1 1双枪 回收式砂罐系统 ；自动 除锈机作为 除锈 系统 的关键组 成部分 ，为 自主研 发，可实现油气管道管 口全位置的 自动除锈 。 图 1 除 锈 系统 总 体 结 构 示 意 图 1 一履带工程车 ；2 一空压机 ；3 一砂 罐 系统；4 -- 自动除锈机 ；5 一 吊臂。 1 ． 1 ． 2 自动 除锈 机 结构 油气管道防腐补 口自动除锈机为三瓣式开合结 构 ，主要 由浮动式旋转机构 、限位机构 、横向行走 机构及除静电机构组成 ，结构如图 2所示。浮动式 旋转机构可实现 自动除锈机沿待除锈管段的周向旋 转 ；横向行走机构用于实现喷枪在待除锈管段的横 基金项 目中石油集团公司科技攻关项 目 “ 油气 管道机械化补 口装备及 新型补 口涂料研究 ” 2 0 1 1 B一 3 3 0 2 。油气管道 防腐补 口 自 动除锈 机已 申请发明专利 ，申请号 2 0 1 1 2 0 3 5 2 4 0 0 ． 0 。 2 0 1 2年 第4 O卷 第2期 王长江等 油气管道防腐补 口自动除锈机的研制 - 4 9．- 图 5 限 位 机 构 示 意 图 1 一行程开关 ；2 一左 限位块 ；3 一限位条 ；4 一 右限位 块。 4除静电机构。除静 电机构 由固定块 、导 电钢丝及导线接头组成 见图 6 。导电钢丝安装 在下固定块上 ，并与上固定块通过螺栓连接固定于 浮动式驱动机构的支撑杆上 ，且保证工作过程中导 电钢丝头部与管道表面持续接触 ，导线的一端连接 于导线接头 ，另一端接地 ，保证静电的彻底清除。 图 6除 静 电机 构 示 意 图 1 一导 电钢丝 ；2 --导线接头 ；3 --上 固定 块 ； 4 一 下 固定块 ； 5 一 支 撑杆 。 1 ． 1 ． 3 工作 原理 打开快速接头 ，使浮动式驱动机构的开合部分 围绕旋转轴张开一定的角度 ，以换向轮置于管道顶 端的方式将 自动除锈机安装于待补 口管段 ，而后应 用快速接头及锁紧弹簧 ，将除锈机锁紧 ，使浮动式 驱动轮 、换 向轮与管道表面完全接触 ，并有一定的 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，浮动式驱动机构上电动机的动力 经减速齿轮组 、等速齿轮组传至浮动式驱动轮 ，继 而驱动 自动除锈机周向旋转。同时 ，横向行走机构 上电动机的动力经等速齿轮组 、蜗轮蜗杆齿轮组传 至齿轮柱 ，继 而驱动横 向行 走机构沿 导 向光杆移 动。开启电气控制系统 ，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 “ 弓”字形轨 迹除锈 ，从而实现 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 口段的左侧 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 自动除锈机 的横 向除锈 。 待一道管 口除锈结束后 ，通过控制系统将 自动 除锈机复位 ，而后打开快速接头 ，使浮动式驱动机 构的开合部分 围绕旋转轴张开一定 的角度 ，以保证 自动除锈机能顺利通过管堆。上提换向提手 ，同时 扳动换向把手 ，将换 向轮旋转 9 0 。 ，使其行走方 向 与管道的轴线方向一致 ，而后借助外力促使除锈机 沿管道移动 ，待到达下一道补 口位置后 ，重复以上 开合动作 ，实现除锈机的再作业。 1 ． 2 主要技术参数 适用管径 1 0 1 6 m m 4 0 i n ； 横向移动速度 0～ 3 3 m m ／ s ； 轴向移动速度 0～ 5 0 m m ／ 步 步进式旋转 ； 除锈宽度 3 0 0～6 0 0 mm； 除锈等级 S a 2 ． 5～ 3 ． 0； 工作效率 1 6～3 0 m ／ h 。 1 ． 3 关键技术 1 ． 3 ． 1浮动 式驱动 轮 浮动式驱动轮 由等速齿轮组 、弹片及驱动轮组 成 ，通过弹片预紧力的调节可很好地适应管道的不 圆度及管道表面的不平度 ，且可增大轮面与管道表 面的摩擦力 ，防止除锈机因摩擦力不足而打滑。 1 ． 3 ． 2 蜗 轮 蜗杆传 动 与 自锁 蜗轮蜗杆既可实 现横 向行走机构的动力传动 ， 又可实现横向行走机构的 自锁 ，确保横 向行走机构 的正常工作及停止工作时不因其他外力作用而移动。 1 ． 3 ． 3 V形轮 夹紧 定位 机 构 V形轮夹紧定位机构连接于横向移动机构的底 板上 ，依靠碟形弹簧实 现 V形轮与导 向光杆 的弹 性预紧接触 ，以确保横向行走机构在浮动式旋转机 构上的准确定位与良好从动。通过调节碟簧预紧力 实现 V形轮与导 向光杆 的最佳 接触 ，可减小除锈 机横向移动时的阻力 ，并减少 V形轮材料的磨损 。 1 ． 4 性能特点 油气管道防腐补 口自动除锈机具有结构合理 、 动作准确 、操作 简单、性能稳 定 、野外适 应能力 强 、除锈效果好以及除锈用时短等特点 ，可保证除 锈质量 ，节约施工成本。 2 试验及现场应用情况 油气管道防腐补 口自动除锈机经过多种试验 ， 于 2 0 1 1年 9月在 中贵输气管线工程 中成功应用。 一 5 0一 石 油机械 2 0 1 2年第 4 O卷第 2期 试验及应用结果表明，管道 防腐补 口自动除锈机性 能稳定 ，对野外施工环境的适应能力强 ，能有效降 低工人的劳动强度，对环境无 污染 ，除锈均匀 ，过 程质量可控 ，除锈质量等级 ≥s a 2 ． 5级 ，每道 口的 平均除锈时间为 8 m i n ，比手工除锈用时少 ，有效保 证了管道防腐补口质量及工程进度 ，节约施工成本。 3 结 论 1 油气管道 防腐补 口自动 除锈机 的工作 过 程为 “ 弓”字形轨迹除锈 ，结构合理 、动作准确 、 操作简单 、工作性能稳定 、野外适应能力强 。 2 油气管道 防腐补 口自动 除锈机 除锈效 果 好 ，除锈连续无遗漏 ，过程质量可控 ，除锈质量等 级 ≥s a 2 ． 5级 ，每道 口的平均 除锈 时间为 8 mi n ， 有效节约工时 ，保证工程进度 。 3 油气管道防腐补 口自动除锈机可有效降 低工人的劳动强度，彻底避免粉尘对工人身体健康 的危害。 参考文献 [ 1 ] 侯玫 ，张传俊 ．现代工业中几种先进除锈方法的 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 对 比研究[ J ]．机械研 究 与应用 ，2 0 0 7 ，2 0 4 1 92 0 ． 王信 ，张博蓉 ，刘建国，等 ．管道外防腐涂层补 口新技术 [ J ]．石油工程建设，2 0 0 3 ，2 9 5 3 5 3 6． 朱幌秋 ，刁小燕 ，刘贤兴，等 ．钢管内外表面喷砂 除锈半 自动生产线设计 [ J ]．石油机械，2 0 0 6，3 4 2 2 0 2 2 ，3 2 ． 牛继磊 ，徐依吉，李根生 ．石油油管防腐预处理新 工艺 [ J ]． 腐蚀与防护 ，2 0 0 3 2 3 5 3 8 ． 姚冠新，施国洪 ． 钢管壁面喷砂除锈作业线的设计 [ J ]． 农业机械学报，2 0 0 0 ，3 1 5 1 1 41 1 6 ． 周晓君，韩延峰，王法永 ．喷砂除锈机理及参数化 研究 [ J ]．船舶工程 ，2 0 0 8 ，3 0 1 6 66 8 ， 29 ． 第一作者简介王长江，工程师，生于 1 9 8 3年，2 0 1 0 年毕业于西南石油大学机械电子工程专业，获硕士学位， 现从事油气管道施工装备的研究工作。地址 0 6 5 0 0 0 河北 省廊坊市。电话 0 3 1 6 2 1 7 3 0 3 4 。Ema i l c h a n i a n g w 1 2 6．c o m 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 2 8 本文编辑南丽华 上接 第 6页 从图可以看出，随着 固有频率 阶数的增大 ，钻 柱振动周期越来越小 ，即振动频率越来越大。从井 口到 1 0 0 0 m 之间，各阶振型振 幅接近 ，1 0 0 0 m 之后 ，即钻铤区域 ，各阶振型振幅较小 ，且越到井 底 ，振幅越小 。这是 因为该塔式钻具组合采用了大 直径钻铤 ，使 整个钻柱质量增 加 ，刚度也 明显增 加 ，重心偏低 ，所以在钻铤区域振幅较小。从钻柱 整体振动情况来看 ，随着固有频率阶数增加 ，扭转 振动的响应位移的最大值 出现的次数也在增加。 4 结 论 1 用 A N S Y S 模态分析技术分析钻柱扭转振动 是一种切实可行 的方法 ，通过对钻柱扭转振动进行 A N S Y S模态分析 ，得到了钻柱扭转振动的各 阶固有 频率 ，并揭示了钻柱长度的变化 井深 的变化 对 钻柱扭转振动固有频率的影响规律 ； 2 钻柱扭转振动的固有频率随着钻柱长度 的增加而显著减小，钻柱扭转振动最大角位移位置 因主振型的阶数不同而变化 ； 3 通过采 用合理 的钻机转 速 ，可 以避 开临 界转速 ，进而避免引起共振； 4 这些变化规律 ，对于在 常规 的 回转钻进 中为避免引起共振而采取合理 的减振措施等方面 ， 具有现实的指导意义。 参考文献 [ 1 ] 章扬烈 ．钻柱运动学与动力学 [ M]．北京石油 工业出版社 ，2 0 0 1 ． [ 2 ] 韩春杰，阎铁 ． 水平井侧钻过程中钻柱横向振动规 律的研究 [ J ]． 石油机械，2 0 0 5 ，3 3 1 7一l 0 ． [ 3 ] 徐桃园，张强，陈灿 ，等．大位移井钻柱纵向 振动理论分析与 A N S Y S计算 [ J ]．噪声与振动控 制，2 0 1 0 2 5 0 5 3 ． [ 4 ] 李子丰，张永贵，侯绪 田，等．钻柱纵向和扭转振 动分析 [ J ]．工程 力学，2 0 0 4 ，2 1 6 2 0 3 2 0 9． 第一作者简介王磊，生于 1 9 8 3年，现为在读硕士 研究生 ，主要从事油气井杆管柱力学方面的研究工作。地 址 6 1 0 5 0 0 四川省成都市。E ma i l w o n l a 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 0 9 本 文编辑刘峰