环保型管道自动喷砂除锈装置的研制

刘明珠 （中国石油集团工程技术研究院 天津300451）

0 引言

随着我国管道建设的迅速发展，管道施工技术取得了日新月异的进步，除锈方式逐渐由传统的钢丝刷除锈、电动钢丝刷除锈转变为喷砂除锈。多年来，管道铺设过程中外壁防腐作业前的表面除锈清理一直采用人工开放式的喷砂除锈作业。这种方法虽然能够满足管道表面清理质量的要求，但是施工效率极低，且由于砂料喷向管道表面后不回收，现场砂料消耗量很大，造成原料的较大浪费。更为严重的是，在喷砂过程中现场粉尘弥漫，环境污染非常严重，对操作工人的生命安全和身体健康都造成极大威胁，同时会对周围其他作业工种的正常施工带来不利影响。

随着我国管道建设步伐的加快，越来越多的管道需要进行现场除锈清理工作。而多年来，管道自动喷砂除锈技术和产品一直被国外专业公司垄断，国内在这方面起步较晚，基本处于空白状态。针对管道除锈清理作业的特殊环境要求，研制了既可改善喷砂作业环境、减轻劳动强度、提高喷砂除锈作业效率，又能降低原材料成本的环保型管道自动喷砂除锈装置。

1 喷砂除锈的工作原理及存在问题

1.1 喷砂除锈工作原理

管道喷砂除锈是以压缩空气为动力，将磨料（喷丸玻璃珠、钢丸、钢砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂）高速喷射到需要处理的管道表面。由于磨料的冲击和切削作用，管道表面的机械性能得到了改善，管道的抗疲劳性提高，增加了管道表面和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的平和装饰。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。图1给出了常规喷砂除锈设备各部分的组成，在喷砂除锈过程中，空气通过车载式压缩机加压至0.4～0.6 MPa后储存于储气罐中，开启阀门，储气罐中排出的高压气体吹动车载式砂罐，从车载式砂罐中流出的石英砂形成高压粒子流，经高压软管和喷枪不断地喷射，依靠石英砂的冲击和摩擦作用除去钢管表面的污垢、氧化皮、铁锈、油漆涂层和泥土等附着物，使金属表面重现光泽，并具有一定的粗糙度。

图1 管道野外喷砂除锈示意图

1.2 喷砂除锈作业中存在的问题

喷砂除锈作业处5～10 m的范围内布满了石英砂粉尘，影响了庄稼的生长，造成农作物的减产。噪音约有100 dB，造成作业人员的听力受到损害。作业人员在施工时完全被粉尘包裹，尤其是在夏季施工，厚重的防护服会使作业人员严重失水，而发生中暑。常规喷砂除锈是开放式施工作业，石英砂一般不回收。以一条直径为813 mm，长为360 km的管道为例，全线焊口数约为30 000个，每个焊口消耗石英砂120 kg，全线共需石英砂3 600 t，以500元/t计算，仅购买石英砂材料就需要花费180万元。

2 环保型管道自动喷砂除锈装置的结构原理

针对常规喷砂除锈中存在的问题，设计了环保型管道自动喷砂除锈装置。该装置采用了直插式快速装卡机构和数字驱动控制技术，以及双喷头采用涡流负压回收技术同时作业，实现了高效环保的喷砂除锈，铁砂与粉尘等清理物的自动回收分选分离，铁砂的循环使用，锈污、毒害油漆的彻底清理等功能。

如图2所示，环保型管道自动喷砂除锈装置由外框机构、旋转机构和摆动机构组成。其中，外框机构起到整体的定位和支撑作用，两个外框机构之间通过旋转机构相连接。旋转机构安装在外框机构的导向轮槽中，通过其上的驱动电机作用可使旋转机构绕管道中心轴线进行240°旋转，以此来实现装置对管道周围的喷砂除锈功能。摆动机构固定在旋转机构的导轨上，其上安装有喷砂枪。在摆动电机的驱动下，可沿导轨轴向运动，实现装置对管道轴向的喷砂除锈功能。

图2 环保型管道自动喷砂除锈装置结构图

2.1 外框机构

外框机构如图3所示，它是由外框板、齿圈、导向轮和定位支撑组成的。外框机构是整个装置的支撑体，其主要功能是支撑和联接各个部件，确保各部件间及各部件与管道的相对位置精度。其中，齿圈通过螺栓连接固定在外框板上。每个外框板上均布了14个导向轮，内圈均布5个导向轮，外圈均布9个导向轮。其通过轴套安装在外框板上的安装孔内，轴套通过螺栓与外框板连接。同时，导向轮内部采用了偏心轴的结构设计，通过调整偏心可以调节导向轮与旋转机构的相对位置，确保其相切。两个定位支撑分别通过螺栓连接安装在外框板上的安装孔内，起到整体定位与支撑的作用。

图3 外框机构结构图

2.2 旋转机构

旋转机构如图4所示，它是由旋转板、导轨轴套、大齿轮、驱动齿轮、传动轴、导轨、齿条、联杆和联杆垫片等组成的。其中，两个旋转板通过10根联杆固定连接在一起，联杆两端分别插入旋转板上的安装孔，并在联杆端部通过联杆垫片与旋转板螺栓连接。行走电机通过连接板安装在旋转板上部，其输出轴通过平键与小齿轮连接，通过驱动小齿轮的转动，带动与其啮合的大齿轮。同时，大齿轮安装在传动轴上，传动轴通过轴承安装在两个旋转板之间，大齿轮的转动带动传动轴的旋转。驱动齿轮通过平键与传动轴相连接，传动轴的旋转同时带动驱动齿轮的旋转，其与外框机构中固定在外框板上的齿圈相啮合，由此来实现整体旋转机构绕管道中心轴线的旋转。导轨通过两端的导轨轴套安装在旋转板的安装孔内，导轨轴套与旋转板通过螺栓相连接。同时，齿条也通过两端的轴套安装在旋转板的安装孔内，轴套与旋转板通过螺栓相连接。旋转机构通过两个旋转板安装在外框机构的导向轮槽中，其上的驱动齿轮与外框机构的齿圈相啮合，以此来实现旋转机构绕管道中心轴线的旋转运动。

图4 旋转机构结构图

2.3 摆动机构

图5 摆动机构结构图

摆动机构如图5所示，它是由喷砂枪、摆动电机、连接板、行程开关、限位板、防护罩、摆动齿轮、直线轴承、支撑板、夹板和夹持座等组成的。其中，摆动电机安装在支撑板上，其输出轴与摆动齿轮通过平键连接。4个直线轴承通过螺栓连接固定在支撑板上，通过直线轴承将摆动机构安装在旋转机构的导轨上，由摆动电机驱动摆动齿轮的转动。由于摆动齿轮与旋转机构中的齿条相啮合，以此实现摆动机构沿管道轴线方向的运动。限位板通过螺栓连接固定在支撑板上，起到机械限位的作用。行程开关安装在限位板上，通过调节其行程来实现对管道喷砂范围的调节功能。连接板通过夹板与支撑板下端的矩形槽进行螺栓连接，通过矩形槽的结构可以调节安装在连接板上的喷砂枪沿管道径向的距离，夹持座通过螺栓连接固定在连接板的末端，起到支撑夹持喷砂枪的作用。

3 中试应用

2011年3月在中海油施工现场进行了环保型管道自动喷砂除锈装置的中试应用。

3.1 试验过程

3.1.1 将足量的石英砂加入砂罐中，在空压机未加压的情况下进行装置的旋转、摆动等空载运行试验。在正常的工作状态下运行一段时间，不存在不稳定因素，运行也很平稳，验证无误后，达到载荷运行条件。

3.1.2 装置停止运行，启动空压机，待压力达到试验要求，打开空压机阀门，进行喷砂试验，检查喷砂气管路是否畅通，并验证除尘器的除尘效果。

3.1.3 将装置安装到管道的适当位置，启动空压机，同时启动自动喷砂除锈装置进行管道补口的除锈作业。

3.1.4 运行过程中记录运行参数，工作一段时间后，停止除锈作业。检测除锈质量，计算除锈效率。

重复以上试验过程至少3次，以保证检验系统的稳定性。

3.2 测试结果

试验测试数据：空压机功率为38 kW，气源压力为0.8 MPa，工作时气源压力为0.6 MPa，排气量为5.0 m3/min。旋转机构速度为0～17.8 cm/s可调，除锈锚纹深度为50～75 μm，除锈质量达到Sa 3.0级，最大工作效率为18 m2/h。

环保型管道自动喷砂除锈装置运行平稳，旋转灵活，工作安全可靠。喷砂密封性良好，回收净化充分。

3.3 试验结论

环保型管道自动喷砂除锈装置的各项技术指标均达到了设计要求，实现了管道补口的自动喷砂除锈，同时可对砂粒进行自动回收，改善了管道喷砂作业的工作环境，减少了对周围环境的污染程度，且减轻了施工人员的劳动强度，提高了管道喷砂除锈的工作效率，节省了大量的原材料，有很好的推广应用前景。■

[1]郭奇超，刘艳利，焦如义，等.大型储罐环保型除锈机的研制[J].油气储运，2010，29（6）：436-439.

[2]张斌，刘武，周裕鑫，等.油气管道自动喷砂除锈装置的研制与应用[J].油气储运，2008，27（10）:32-35.

[3]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，2000，31（5）:114-116.