西安派普韋爾機器人技術(shù)有限公司

摘 要：管線(xiàn)總腐蝕穿孔量90%來(lái)自?xún)缺诟�蝕，而焊縫部位腐蝕失效更占絕大部分[1-2]。針對目前存在的技術(shù)瓶頸，研發(fā)了內補口系統，適應DN250及以上管徑；對焊縫及預留區域采用噴砂處理；配置砂料回收系統；采用無(wú)氣噴涂裝置；一次進(jìn)入完成30～40補口，無(wú)線(xiàn)遙控，管內視頻畫(huà)面及控制指令實(shí)時(shí)傳輸。提升了現場(chǎng)內補口工藝的準確性和完整性，有效解決了表面處理不達標和人員安全性差的問(wèn)題，現場(chǎng)試驗效果良好。

單根鋼管在防腐廠(chǎng)預制防腐層，兩頭預留一段（長(cháng)度約50～100 mm）未防腐表面，在施工現場(chǎng)鋼管對焊而形成焊縫，針對焊縫及焊縫兩側預留區域的表面處理和防腐層涂覆顯得尤為重要。

鋼管表面進(jìn)行噴砂處理，使得表面達到金屬近白，即錨紋為Sa2.5級，表面粗糙度為40～60 μ m，然后在裸露金屬表面閃銹前進(jìn)行噴涂作業(yè)[3]，成熟的預制工藝使得鋼管防腐層質(zhì)量穩定、一致性?xún)?yōu)良�，F場(chǎng)焊接后，針對焊縫及焊縫兩側預留區域進(jìn)行防腐補口。目前國內管道建設工程中，管徑大于DN800的管道，由工作人員攜帶涂料進(jìn)入管道進(jìn)行刷涂，這樣做既不能保證補口涂層的質(zhì)量，又給工作人員帶來(lái)不安全因素；管徑在DN300―DN800的管道，采用內補口車(chē)進(jìn)行補口，針對焊縫及焊縫兩側預留區域的表面處理采用鋼絲刷打磨的方式[4]，而這種打磨方式，鋼管表面錨紋往往達不到要求。

采用人工方式進(jìn)行內補口作業(yè)存在諸多問(wèn)題：①手工刷涂，無(wú)法保證涂層的均勻性、連續性，致使存在較多微隙氣泡。②管內操作空間有限，不能保證100%的表面被覆蓋。③安全性差，管內氧氣稀薄，易對人員造成傷害。采用目前技術(shù)的內補口車(chē)作業(yè)也存在一些問(wèn)題：①打磨刷處理表面，錨紋達不到Sa2.5級，降低了涂層與表面的粘接力。②打磨結構做回轉運動(dòng)，不能保證焊縫環(huán)形區域的打磨效果一致性。③打磨過(guò)程中產(chǎn)生的塵埃和雜質(zhì)四溢飄散，無(wú)法保證被處理區域的清潔度，也會(huì )污染相鄰補口部位未表干的涂層。

針對上述問(wèn)題，有必要設計開(kāi)發(fā)一種能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)焊縫內噴砂要求的補口機器人系統，實(shí)現對焊縫及焊縫兩側預留區域的表面處理達Sa2.5級、砂料回收再利用、全程作業(yè)無(wú)線(xiàn)遙控，以及對補口質(zhì)量實(shí)時(shí)控制。

1 結構設計

1.1 設計原理

整套內補口機器人設備猶如一列小火車(chē)（圖 1）， 從頭至尾依次是兩臺牽引車(chē)、噴砂車(chē)、回收車(chē)和噴涂車(chē)，每輛車(chē)之間由萬(wàn)向節聯(lián)接，可以保證車(chē)與車(chē)之間有一定的自由度。第一臺牽引車(chē)攜帶高清攝像機和通訊模塊，高清攝像機可以檢查管道內部有無(wú)異物，還可以觀(guān)察焊縫焊接質(zhì)量，并且將高清畫(huà)面通過(guò)通訊模塊實(shí)時(shí)傳輸給管外的控制人員。兩臺牽引車(chē)攜帶足量的電池組，供給后面的各個(gè)車(chē)。牽引車(chē)的牽引單元采用電機加渦輪蝸桿減速箱模式，速度輸出穩定。牽引車(chē)后面聯(lián)接著(zhù)噴砂車(chē)，噴砂車(chē)兩端安裝有氣囊，內部安裝著(zhù)噴砂嘴，當攝像機準確定位焊縫后，氣囊充氣將噴砂嘴密封在內部，噴砂嘴高速旋轉且做以焊縫為中心的直線(xiàn)往復運動(dòng)，此時(shí)，回收車(chē)上的砂料被送入噴砂嘴，高速打擊到鋼管表面，如此反復作業(yè)數回，將焊縫及焊縫兩側預留區域處理成金屬近白色，即錨紋為Sa2.5級，表面粗糙度為40～60μm。作業(yè)完畢，氣囊收回，回收車(chē)將管道底部的砂料及雜質(zhì)收回，以備在下一道焊縫再使用�；厥哲�(chē)后面聯(lián)接著(zhù)噴涂車(chē)，該臺噴涂車(chē)可以噴涂已混合的無(wú)溶劑環(huán)氧樹(shù)脂涂料，也可以按照既定比例邊混合邊噴涂無(wú)溶劑環(huán)氧樹(shù)脂涂料。噴涂車(chē)上攜帶攝像機，可以保證噴槍準確定位焊縫，并且做以焊縫為中心的直線(xiàn)往復運動(dòng)，將焊縫、焊縫兩側預留區域及防腐層搭接區域完全覆蓋。

管道外控制系統包括筆記本電腦和無(wú)線(xiàn)發(fā)射裝置，筆記本電腦上安裝有操作軟件。內補口機器人進(jìn)入管道，操作人員通過(guò)軟件和無(wú)線(xiàn)發(fā)射裝置對內補口機器人進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控，可以停車(chē)對焊縫進(jìn)行環(huán)視頻觀(guān)察和焊縫缺陷拍照（圖 2）。

1.2 控制系統設計

管道內補口機器人的電子控制系統結構，如圖 2所示�？刂浦靼灏惭b在牽引車(chē)上，主板上CPU包含存儲器和串口，存儲器用來(lái)存儲每個(gè)攝像機視頻照片和焊縫計數，串口用來(lái)實(shí)現控制主板和通訊模塊的通訊。牽引車(chē)上設置有通訊模塊、電池管理電路和電機控制模塊，電池管理電路用來(lái)對牽引車(chē)電池組合理優(yōu)化的充放電，使得電池組達到最佳續航能力。電池管理電路將電能依次分配給通訊模塊、攝像機、牽引電機1和2、氣泵電機、噴砂電機、送料電機、回收電機和噴涂電機。噴砂車(chē)設置有攝像機、氣泵電機、噴砂電機和噴砂電機控制模塊�；厥哲�(chē)設置送料電機、回收電機和電機控制模塊。噴涂車(chē)設置有攝像機、噴涂電機和電機控制模塊。操作人員在軟件界面編輯指令，通過(guò)牽引車(chē)載通訊模塊發(fā)射給控制主板，控制主板上CPU將指令分別送給牽引電機控制模塊、噴砂電機控制模塊、送料和回收電機控制模塊、噴涂電機控制模塊。

2 技術(shù)參數

將管徑范圍劃分為DN250―DN400、 DN400— DN600、 DN600―DN800，針對三個(gè)管徑范圍分別制作了噴砂車(chē)、回收車(chē)和噴涂車(chē)，在模擬管道內反復試驗，確定了初步的技術(shù)參數。 DN400―DN600內補口機器人技術(shù)參數列于表 1。

3 模擬管道試驗

為了更好的驗證結構，在試驗室搭建模擬管道。圖 3為DN400模擬管道試驗情況。

4 現場(chǎng)施工

經(jīng)總結歸納模擬管道試驗參數，將噴砂車(chē)、回收車(chē)和噴涂車(chē)的結構做了優(yōu)化調整，程序及控制流程也做了細化，在福建省福州市平潭綜合實(shí)驗區地下綜合管廊干線(xiàn)工程（一期） PPP項目上進(jìn)行了管道內補口作業(yè)，以進(jìn)一步驗證噴砂車(chē)、回收車(chē)和噴涂車(chē)結構的可靠性(圖 4)。施工管道管徑為φ426×8 mm和φ630×10 mm，長(cháng)度分別為11 323.0 m和14 013.7 m，焊口數量分別為1 258口和1 557口。

5 結論

詳細分析當前管道內防腐補口技術(shù)瓶頸，研制了可以適用管徑DN250及以上管道的內補口機器人系統。采用特殊的內噴砂機械結構，實(shí)現了對表面處理達到Sa2.5級的效果，使得涂層與鋼管表面更好的黏接。整套內補口機器人設備實(shí)現了全程無(wú)線(xiàn)遙控作業(yè)，提高了內補口作業(yè)效率。

參考文獻：

[1]王振科，游正安，吳洪濤，等．管道內防腐層補口技術(shù)研究進(jìn)展[J]．管道技術(shù)與設備， 2012，(3)： 48-50．

[2]周立莎（譯）．國外管道內防腐及內外防腐層補口方法．國外油田過(guò)程， 1994，（5）： 59.

[3]楊全安，朱方輝．油田焊接鋼質(zhì)管道在線(xiàn)擠涂防腐的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J]．腐蝕與防護， 2009(36)：167-172．

[4]楊金娥．管道內防腐智能補口機及防腐質(zhì)量檢測儀[J]．油氣田地面工程（OGSE）， 2001， 20（2） :41-42．

作者：何林，男， 1982年生，大學(xué)本科，工程師，研發(fā)部主管，主要從事油氣管道腐蝕檢測設備、管道內防腐補口設備及管道外防腐層檢測評價(jià)設備的研發(fā)和制造工作。