螺旋缝埋弧焊钢管全外焊缝磨削机设计

朱 贺，田岩平，王树祥，王铁民，李继平

（辽阳石油钢管制造有限公司，辽宁 辽阳 111003）

对螺旋缝埋弧焊钢管进行3PE（三层结构聚乙烯防腐层）外防腐时，外焊缝会导致焊缝处防腐层厚度减薄，而外焊缝高度是一项重要的影响因素，外焊缝高度越高，防腐层所受张力越大，减薄越多［1-5］。GB/T 23257—2017《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》中规定，焊缝部位的防腐层厚度不应小于规定值的80%，比GB/T 23257—2009标准要求的70%提高了10%。由此可见，国内钢管防腐标准对焊缝部位防腐层厚度要求越来越严格，而在国际钢管防腐项目中，往往要求焊缝部位防腐层厚度按照相关标准规定值执行，即按照管体最小防腐层厚度执行。实际生产中，为了保证外焊缝处防腐层厚度，一般通过增加聚乙烯涂层的整体厚度，使焊缝处涂层减薄后厚度仍能达到标准要求，这导致管体防腐层厚度整体超出标准要求很多，大量增加了聚乙烯的消耗。特别是在钢管外焊缝高度较高时，会大大增加钢管3PE外防腐的生产成本。

为了降低螺旋缝埋弧焊钢管3PE外防腐生产成本，有效控制外焊缝高度就非常关键。API Spec 5L—2018《管线钢管规范》和GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》中对埋弧焊接钢管外焊缝高度的规定为：由制造商选择，高于允许值的焊缝可修磨至可接收高度。在螺旋缝焊管生产过程中，通过对焊接工艺和焊接参数的调整可以在一定程度上降低外焊缝高度，实现对外焊缝形貌的优化，但其中影响因素较多，实施起来比较复杂，为避免因焊缝高度过度降低带来的质量风险，外焊缝高度对3PE外防腐而言仍然偏高。因此，在螺旋缝焊管制造过程中，可采取修磨钢管全外焊缝的方式进一步降低焊缝高度。但采用人工修磨方式时，不仅劳动强度大，而且难以保证焊缝修磨的均匀性。

基于以上考虑，结合对螺旋缝焊管生产制造工艺和钢管焊缝修磨技术的研究，设计出一种能够在线对螺旋缝埋弧焊钢管的全外焊缝进行连续磨削的机械装置——全外焊缝磨削机。该全外焊缝磨削机由砂带磨削机构、位移机构和机架3部分组成。全外焊缝磨削机结构如图1所示。

图1 全外焊缝磨削机结构示意

1 全外焊缝磨削机设计思路

螺旋缝焊管的外焊缝在管体上呈等距螺旋分布，如果通过移动磨削设备来寻找钢管外焊缝并对其进行磨削，不仅需要占用较大生产空间，而且项目投入大，实施起来比较复杂。结合螺旋缝焊管生产制造特点，设计制作出一台焊缝磨削设备，将其固定安装在螺旋缝焊管焊接生产线上，在钢管沿着传输辊道螺旋行进的过程中对其外焊缝进行定点连续磨削。这种设备布置方式不仅节省了空间，而且项目基础投资较少，实现了对钢管全外焊缝进行修磨的目的。

在磨削机结构设计过程中，首先考虑设备磨削方式的选择，砂带和砂轮在磨削工艺上的应用最广泛。通过对比可以发现，砂带磨削作为一种弹性磨削，具有磨削、研磨、抛光等多种作用效果，在对钢管焊缝的磨削中具有磨削效率高、磨削噪音小、磨削效果好等诸多优势；因此，选择砂带磨削［6-7］。

在对焊缝磨削方向和磨削角度的选择中，试验发现砂带在钢管6点钟位置，垂直于钢管轴线并逆着焊缝行进方向进行磨削时，焊缝磨削效率更高，磨削质量更好。

在对钢管外焊缝连续磨削过程中，为了避免砂带局部宽度位置磨损过度而影响焊缝磨削质量，在磨削过程中设计位移机构来驱动磨削机头做左右往复移动，使砂带整个磨削面循环打磨焊缝，这极大地提高了砂带的使用寿命。

2 全外焊缝磨削机结构组成

全外焊缝磨削机的主要技术参数为：磨削线速度30 m/s，磨削效率425 mm3/s，适用管径406~2 438 mm，适用焊缝宽度≤30 mm，适用焊缝高度≤6 mm，适用焊接速度≤3.0 m/min。

2.1 砂带磨削机构

砂带磨削机构由电动机拖板、电动机、砂带轮、砂带、张紧机构、磨削轮支架、磨削轮、顶轮等部分组成［8-10］。砂带磨削机构如图2所示。

图2 砂带磨削机构示意

（1）电动机选择。参照螺旋缝埋弧焊钢管生产线上管端外焊缝磨削机的电动机型号，结合全外焊缝磨削机工况特点和全外焊缝磨削技术要求，磨削机磨削电机初步选择Y系列三相异步电动机YX3-112M-2型，电机转速为2 890 r/min，电机额定功率为4 kW。磨削电动机选择安装后，经现场试用验证满足实际使用要求，选型合适。

（2）砂带选择。综合考虑砂带使用性能和磨削效果等因素，磨削砂带选用锆刚玉砂布环带。

（3）磨削轮设计。为了加强砂带与焊缝的接触性能，提高砂带传动效果，磨削轮采用橡胶轮。

（4）顶轮设计。顶轮位于磨削轮两侧，采用万向球轴承安装在轴承座中制作而成，轴承座高度可根据需要通过下部的螺纹结构进行调整。磨削机工作时顶轮上的万向球轴承与钢管表面相对滚动接触，通过调整顶轮高度来控制钢管外焊缝磨削量，同时也避免了在焊缝磨削过程中伤及母材。

（5）磨削轮支架设计。磨削轮支架采用铰链与机架连接，在磨削轮两侧顶轮机构受到管体不均衡作用力时，支架可控制磨削轮实现左右浮动控制，可有效降低焊缝两侧错边等钢管几何尺寸缺陷对外焊缝磨削的影响。磨削轮支架装配如图3所示。

图3 磨削轮支架装配示意

（6）张紧机构设计。张紧机构由张紧轮、张紧轮支架、拉力弹簧等几部分组成。张紧机构采用杠杆原理，砂带工作时对砂带起张紧作用，避免砂带出现较大振动，影响磨削效果［11］。

（7）电动机托板。电动机托板采用燕尾滑台结构，通过摇动手杆调整电动机位置，从而实现砂带张紧程度的调整。

2.2 位移机构

位移机构由齿轮减速电机、凸轮机构及直线导轨组成，凸轮机构如图4所示。齿轮减速电机输出转速为6 r/min，通过增加电子调速器调整减速机输出转速，工作中齿轮减速电机实际输出转速为4 r/min，位移转盘偏心距设计为45 mm。磨削机工作时，由齿轮减速电机带动凸轮机构，从而使设备整体在直线导轨内做往复移动，每15 s完成一次往复运动，运动位移量为90 mm。

图4 凸轮机构示意

2.3 机 架

机架由顶板、气缸、支架、底板、轨道等组成，结构如图5所示。气缸在设备工作时控制磨削机头的升降，气缸杆上设有双头螺母，通过对气缸杆长度的调整来控制磨削轮对钢管外焊缝的压力。

图5 机架结构示意

3 全外焊缝磨削机工作原理

磨削机工作时，由电动机带动环形砂带高速运动，同时在气缸推力的推动下磨削机头上升，磨削砂带在磨削轮的作用下接触钢管外焊缝，并对焊缝进行磨削加工。在磨削过程中，通过调整磨削轮两侧的顶轮高度来控制外焊缝磨削量，通过调整气杆伸长量来控制磨削轮对外焊缝的作用力。磨削机在磨削焊缝时，由位移机构驱动磨削机构做往复横向运动，使整个砂带磨削面循环打磨外焊缝，确保外焊缝磨削量的稳定和砂带使用寿命的延长。

在使用全外焊缝磨削机的过程中，需要适时更换砂带，根据不同规格螺旋缝焊管外焊缝形貌尺寸和焊缝磨削量要求，一条砂带可磨削的外焊缝长度为80~100 m。更换砂带时，先要停止电动机，将气缸缩回，磨削机头下降，通过摇动磨削电动机托板摇杆，使砂带处于松弛状态，然后再取下砂带并进行更换；砂带更换完毕后，反向摇动摇杆使砂带轮归位，此时砂带处于张紧工作状态，重新启动电动机并控制气缸伸出，然后继续进行焊缝磨削作业。砂带更换一般在30 s内即可完成。为了保持焊管生产和外焊缝磨削的连续性，砂带更换一般在钢带对头焊缝通过磨削机工位时进行。

4 实际应用

在全外焊缝磨削机的实际应用中，为了防止对螺旋缝焊管外焊缝过度磨削伤及母材，一般将磨削后的外焊缝高度控制在0.30 mm以上，使用深度游标卡尺进行外焊缝高度测量，深度游标卡尺的测量精度为0.02 mm。笔者随机抽测Φ508 mm×8.8 mm和Φ1 016 mm×20.62 mm规格螺旋缝焊管各50根，随机抽测磨削前、后每根焊管外焊缝的高度，记录数据并绘制外焊缝高度曲线。两种规格螺旋缝埋弧焊钢管的外焊缝高度曲线如图6所示。

从图6可以看出：经全外焊缝磨削机磨削后，两种规格螺旋缝埋弧焊钢管的外焊缝高度明显降低，且钢管外焊缝高度的均匀性明显提高，Φ508 mm×8.8 mm规格焊管的外焊缝高度在0.3~0.6 mm；Φ1 016 mm×20.62 mm规格焊管的外焊缝高度在0.3~0.7 mm。除此之外，经磨削后的外焊缝顶端过渡角均大于130°，焊缝表面粗糙度可达0.1μm［12］。焊管外焊缝顶端过渡角α如图7所示。磨削前、后的焊管外焊缝如图8所示。

图6 两种规格螺旋缝埋弧焊钢管的外焊缝高度曲线

图7 焊管外焊缝顶端过渡角示意

图8 磨削前、后的焊管外焊缝

在对不同规格螺旋缝焊管进行全外焊缝磨削前，需要对磨削机做出相应调整。首先根据不同规格焊管螺距确定好磨削机磨削工位，然后根据外焊缝磨削量和磨削效率要求调整磨削机顶轮机构、气缸杆的伸长量和砂带张紧度，如果调整不合适容易出现焊缝磨削不均匀、砂带跑偏和磨削电机故障等问题。当然，对螺旋缝焊管外焊缝的磨削效果很大程度上还取决于焊管外焊缝质量，焊缝存在2.0 mm以上“错边”“噘嘴”等缺陷时［13］，外焊缝磨削很难获得较理想的磨削效果。除此之外，砂带磨削焊管外焊缝时产生的灰尘和飞溅物也会对现场作业环境造成一定影响。

5 结 语

在螺旋缝焊管加工制造过程中，对管端焊缝的修磨有非常成熟的磨削工艺和明确的标准要求，而对全外焊缝进行磨削的实例还很少，这当中有较多的影响因素，需进一步地加以考虑和分析。全外焊缝磨削机的设计，为螺旋缝焊管在全外焊缝磨削方面提供了一个新的思路，目前已取得实用新型专利，专利号ZL201820185908.8。全外焊缝磨削机的制造成本较低，设备操作简单，实用性强，但该设备在砂带使用寿命、磨削机构调整和磨削精度控制等方面还有较大的改进空间。下一步，将在延长砂带使用寿命、简化磨削机构调整、加强磨削飞溅物处理等方面进行改进和完善，使其磨削效率更高，适用性更广，以期更好地服务于生产实际。