钢管防腐生产线管端自动贴纸装置设计及应用

0 前 言

随着社会对石油天然气等能源需求的急剧增加， 管道输送作为长距离油气输送的最佳方式， 近年来得到了飞速发展

。 为了防止埋地钢质管道的腐蚀破坏， 确保长输管道的使用寿命和安全运行， 采用外防护涂层是目前主要的技术手段

。 钢管外表面防腐生产工艺， 主要由表面预处理、 钢管加热、 环氧粉末喷涂、 聚乙烯缠绕、 成品管冷却、 成品管检验等工序组成

。管端贴纸工艺在钢管表面预处理工艺之后、 钢管加热工艺之前， 是钢管防腐生产线普遍采用的一道 工 序。 根 据GB/T 23257—2017 第6.8 条 款“管端预留长度宜为100～150 mm” 的要求

， 该工序在钢管外涂覆前， 在其两端100～150 mm 处贴上适当宽度的牛皮纸带， 将这一部位的涂层与钢管外表面隔开， 以便后续去除防腐涂层。

目前， 国内大部分防腐生产线普遍采用人工贴纸， 不仅存在管端贴纸的质量差异， 且在钢管输送过程中容易发生纸张脱落， 对后续钢管外表面涂覆质量及管端修磨工序产生一定程度的影响。 因此， 针对上述问题研制了一种钢管管端自动贴纸装置， 改变传统人工贴纸作业方式， 以降低工人劳动强度， 提高管端贴纸质量， 实现岗位自动化。

在研发阶段，可以通过网络化操作降低人工成本，网络化的操作不仅让我们在进行成本管理的时候提高效率，而且还最大可能地减少了人工费用的花费；增强研发人员成本意识，严格控制企业的成本是研发人员在互联网行业从事工作的必备要求，作为研发人员必须深刻地认识到研发费用监督的迫切性；整合信息资源缩减研发支出，利用互联网进行信息整合之后，就完全不用担忧不一样的系统、不一样的数据库之间的集成效果，进而实现信息资源配置最优化、拓宽信息资源应用领域和最大化挖掘信息价值的管理过程。

1 整体设计思路

本设计目的在于针对现有管端贴纸岗位存在的不足和缺陷， 提出了一种钢管防腐管端自动贴纸装置。 通过伺服控制系统， 执行钢管管端自动贴纸作业， 大幅降低人工贴纸的劳动强度， 提升贴纸的工作效率和工艺精度， 实现由传统人工贴纸方式向自动化的转变。

自动贴纸设备通过设计线性移动平台实现管径219～2 540 mm、 长度8～13.5 m 范围内钢管的自动贴纸。 自动贴纸装置分布于钢管两端， 配合钢管在升降旋转辊上沿轴向旋转完成贴纸作业， 整个过程需保证将带背胶纸带传送至指定位置， 并与钢管防腐管端外表面贴合， 还要考虑到整体结构必须同步运行， 防止钢管尺寸不一致导致无法与纸张贴合。 本设计使用控制程序， 包括微电脑控制器配置参数属性， 通过三坐标线性滑移平台完成自动贴纸工序， 整个过程无需人工操作干预， 便可实现精准作业。 钢管防腐管端自动贴纸装置整体结构由贴纸机头、 三坐标线性滑动平台、 旋转辊、 控制系统组成， 系统结构如图1 所示。

2 关键结构设计

2.1 贴纸机头

子美最倜傥，自表其能，上之天子，谓“沉郁顿挫，随时敏捷，扬雄枚皋，尚可跂及。 有臣如此，陛下其舍诸？”自东方朔以来，斯趣仅见载。 观其《遣怀》、《壮游》诸作，又谓许身稷契，致君尧舜，脱略时辈，结交老苍。 放荡齐赵间，春歌冬猎，酣视八极。 与高、李登单父台，感慨俊骨龙媒，赋诗流涕，上嘉吕尚传说之事，来碣石万里风。 ……固是笔端有胆，亦由眼底无人。 古之“狂也肆”，子美有焉。

控制系统是整个钢管防腐管端自动贴纸的核心， 贴纸机头、 滑动平台的移动和进纸动作指令均由控制系统完成， 控制系统主要包括微电脑控制器、 人机界面 （HMI）、 纸张计数器和伺服控制系统。 本设计采用的微电脑控制器为定制开发的模块产品， 具有个性化、 智能化等特点， 通过钢管规格参数匹配， 微电脑控制器将预先输入不同规格钢管对应的管端贴纸工艺参数， 通过数据调取完成自动控制指令的实施等一系列动作， 快速实现贴纸机头与不同规格钢管的位置切换， 保证定位准确无误。

贴纸机头是整个装置的关键， 此机构需要完成进纸→裁纸→推送至钢管管端系列动作，确保纸张的准确定位及贴纸质量。 贴纸机头结构如图2 所示， 由放纸机构、 纸带测量机构、纸带压紧机构、 贴纸压平机构和裁纸机构组成。放纸机构是容纳纸带的装置， 根据牛皮纸纸筒的形状， 放纸机构采用半圆弧的紧凑设计， 且纸盒外壳设计有铰链式防尘盖， 用于防止纸带被灰尘污染， 为其在工业生产环境下提供了保护， 弹簧式锁紧扣方便现场人员更换纸带等开合操作。 纸张测量机构是对纸张使用长度和剩余长度进行检测的装置， 采用计数器和摩擦轮组合完成纸张长度的精准测量， 不仅保证了纸张的合理利用， 而且提升了贴纸的质量。 纸带压紧机构通过气缸推动夹头将纸张夹紧、 固定，方便下一步的裁纸作业。 裁纸机构包括裁纸气缸和压纸轮， 裁纸刀通过裁纸架固定在裁纸气缸处； 贴纸压平机构由升降气缸、 平移气缸、贴紧轮组成， 贴紧轮安装在升降气缸推头处，升降气缸安装在平移气缸滑块处， 贴纸压平过程保证了将裁好的纸张尾部紧贴于钢管防腐管端的外表面。

Vc含量作为衡量柠檬果醋品质的又一重要指标，表明柠檬果醋的保健价值，本文通过紫外分光光度法测量柠檬果醋的Vc含量。由表5可知，柠檬果醋的Vc含量随发酵时间的推移而逐渐降低，但基本保持不变。推断可能是由于外界因素导致Vc含量的降低，如光照、温度等。

2.2 三坐标线性滑动平台

本设计使用的三坐标线性滑动平台由双导轨x 轴线性模组、 单导轨水平线y 轴线性模组以及竖直z 轴线性模组三部分组成。 滑动平台与机头的组合结构如图3 所示， 三坐标线性滑动平台模组采用铝合金型材作为底板结构件，导轨模组为全封闭设计， 可有效防止异物进入传动机构， 延长装置的使用寿命。 伺服电机搭配减速机用于提供装备的动力和控制精度， 装置进给量由伺服电机控制， 伺服电机具有高精度、 高可靠性、 高速的精密传感装置与技术，以获取高精度的位置信息

， 控制精度高， 运行平稳性好， 过载能力强， 同时可根据钢管管径自动调节机头距管端的距离， 确保贴纸位置的精准定位。

三坐标线性滑移平台是一种高精度三坐标精密移动装置， 可保证移动位置定位的精度和重复定位精度， 可实现无间隙运动， 提高机械系统的运动刚度。 三坐标线性滑移平台能够在x、 y、 z三个方向实现精确移动， 即以x 方向的底板固定在基座上（x 轴线性模组）， y 方向的底板固定在x 方向的移动线性模组上， z 方向的底板与y 方向的线性模组固定， 从而能够到达指定的空间位置， 保证贴纸位置的准确无误

。

2.3 控制系统

在给排水控制系统运行中，通过对PLC的引入与使用，也能为其数据采集方式的优化及效率的提高提供保障，具体表现为：

伺服控制系统可对钢管在旋转过程中出现的窜动量的大小、 运动的位置、 速度及加速度的变化量进行有效控制， 不仅可以完成动态补偿， 确保纸张搭接处误差达到工艺要求， 同时还可以根据预先输入的管端预留长度， 完成贴纸位置的精准定位， 最终达到钢管管端贴纸宽度的标准统一。 纸张计数器能准确测量贴纸的长度， 有效对出纸量进行控制， 防止过量使用而造成的纸张浪费， 同时具有断料检测功能， 有效提醒操作人员及时更换备用纸张。

3 运行过程

钢管防腐管端自动贴纸装置运行过程分为两个阶段。 第一阶段， 当钢管进入贴纸工位时， 岗位操作人员将钢管规格、 管端预留宽度等参数通过HMI 录入控制系统， 贴纸机头会根据反馈指令自动完成位置的调整， 伺服控制系统根据管端预留宽度完成贴纸位置的定位， 贴纸辊轮将背胶牛皮纸端部贴于管端外表面， 此时贴纸工序准备就位； 第二阶段， 由变频器控制旋转辊带动钢管开始轴向旋转， 此过程将背胶牛皮纸缠绕于钢管管端外表面上， 其内置的纸张计数器对出纸量进行测量， 当测量值与钢管周长相同时， 设备自动完成裁纸， 同时旋转辊停止旋转， 纸张压平机构将纸张尾部压紧贴平， 保证压接处平整。 装置运行的整个过程无需人工干预， 钢管贴纸质量均匀一致， 整齐美观。

4 应用效果

管端自动贴纸装置已在钢管防腐生产线实际应用， 效果良好。 长期以来， 在钢管防腐生产过程中采用传统人工贴纸方式， 钢管两端至少需要两人共同作业， 单班次生产需完成150 根钢管贴纸作业， 劳动强度大， 人工成本高， 管端齐整度及预留纸张宽度不精准， 原材料浪费较为严重。 该设备投入应用后， 大幅度提高了作业效率， 降低了劳动强度， 同时减少了一名岗位员工的工作任务， 人工成本明显下降； 纸张搭接处严格控制在±3 mm， 贴纸宽度统一， 满足标准要求， 且钢管贴纸外表面整齐美观。 钢管防腐管端自动贴纸装置投入使用后， 不仅钢管防腐质量得到有效提升， 而且降本增效成果显著。

5 结束语

钢管防腐管端自动贴纸装置结构设计合理，通过微电脑程序控制彻底解决了钢管外防腐生产过程中钢管管端人工贴纸带来的工作效率低下、质量控制不稳定等问题， 实现了自动化贴纸。 实际使用效果良好， 既省去了人工贴纸工序， 又节约了成本， 提高了钢管防腐生产效率和钢管外防腐质量。

[1] 吉建立，许勇，黄龙，等. 国内外油气管道防腐层阴极剥离试验方法及标准对比[J]. 焊管，2013，36(10）：68-72.

[2] 张其滨，刘金霞，赫连建峰，等. 管道3PE 涂层的阴极剥离性能研究[J]. 腐蚀与保护，2006，27（7）：331-333.

[3] 武怀明. 3LPE/PP 防腐管管端涂层处理新工艺[J]. 石化技术，2015，22（2）:38-78.

[4] 张爱丽. 钢质管道3PE 防腐层施工与质量控制技术[J].化学工程与装备，2011（9）:130-134.

[5] 屈磊，沈洪洋，姜珮，等. 质管道防腐生产中表面预处理应用探讨[J]. 焊管，2018（9）:47-50.

[6] 张波， 朱建喜. 车削式3LPE、3PP 防腐管端预留新工艺及设备浅析[J]. 机电产品开发与创新，2014，27（4）:141-142.

[7] 周建彬，王铭浩，押延宁，等. 管道3LPE 防腐涂层管端保护工艺[J]. 化工管理，2019（16）:178-179.

[8] 中国国家标准化管理委员会. 埋地钢质管道聚乙烯防腐涂层：GB/T 23257—2017[S]. 北京：中国标准出版社，2017.

[9] 吉爱红，汪炜，陆俊华. 三坐标精密移动平台的研制[J].机械，2004，31（10）：53-55，62.

[10] 杨晓霞，王帅，邓永停，等. 利用扩张状态观测器的交流永磁同步电机控制[J]. 电子测量与仪器学报，2016（5）:810-816.