管道涂敷3LPE工艺参数研究与计算

徐昌学，马厚逢

（中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊065000）

管道涂敷3LPE工艺参数研究与计算

徐昌学，马厚逢

（中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊065000）

管道涂敷3LPE工艺参数直接影响到防腐层质量、防腐材料的消耗和生产速度，涂敷3LPE工艺参数的确定是涂敷生产的核心工作。基于最常用的管道涂敷作业线结构，就管道涂敷3LPE中的FBE喷涂参数、聚乙烯挤出机组参数、内涂敷参数的调试以及计算方法进行了研究和实际验证，总结出了各参数的计算公式，对管道涂敷3LPE可起到指导作用。

管道；3LPE防腐涂层；涂敷；工艺参数；计算公式

0 引言

3LPE防腐层是现阶段应用最普遍的防腐层之一。管道涂敷3LPE是管道防腐施工的主要方法，涂敷3LPE工艺参数直接影响到防腐层质量、防腐材料的消耗和生产速度，涂敷3LPE工艺参数的确定是涂敷生产的核心工作。目前管道涂敷3LPE工艺参数的确定基本停留在凭经验试调、修正、再调试、再修正的状况，既影响到调试的准确性，也耗费了大量时间、人工和涂敷材料。本文基于国内最常用的涂敷生产作业线结构，在确定轮胎中心距、轮胎偏转角度和轮胎转速的基础上，就FBE喷涂参数、聚乙烯挤出机组参数、内涂敷参数的调试以及计算方法进行了研究和实践验证，推算总结出了计算公式，以期对管道涂敷3LPE起到指导作用。

1 FBE喷涂参数的研究

FBE喷涂要建立点的运动成线，线的运动成面的模型结构，对点的影响就会带来面的变化。因此中频电源输出功率的控制、喷粉量与喷枪支数的设计、喷粉压力与静电电压的确定都关系到FBE的喷涂效果。

1.1 中频电源输出功率的计算与调试

1.1.1中频电源输出功率的计算

中频电源是将电磁能转化为热能的设备，其输出功率为：

式中P——中频电源输出功率/kW；

d——钢管直径/mm；

Vs——生产速度/（m/min）；

δ——钢管壁厚/mm；

ρ——钢材密度/（g/cm3），取7.85；

c——钢材比热容/（J/（kg·K）），取493；

T2——预定钢管加热后的温度/K；

T1——钢管加热前温度（环境温度）/K；

η——总热效率（可取80%）。

1.1.2中频电源输出功率的调试

按确定的值在中频电源柜上调节，试运行钢管时用测温笔实测钢管加热后的温度，如有不符再进行修正。

1.2 喷粉量的计算

W1＝10-6πdVsδ1ρ1/η1

式中W1——喷粉量/（kg/min）；

δ1——粉末层厚度/μm；

ρ1——粉末密度/（g/cm3）；

η1——着粉率（按90%或实测值）。

此处以粉末密度代替涂层密度，数值偏小，粉末密度各厂家不同，可按标准取上限1.5。

1.3 喷枪支数的计算

式中N1——喷枪支数；

M——单枪额定喷粉量，根据厂家说明或实测数据/（kg/min）。

1.4 喷粉压力的确定

总气压：（0.4±0.02）MPa，单枪一次气压：（0.1±0.01）MPa，单枪二次气压：（0.04±0.01）MPa，流化床气压：（0.04±0.005）MPa。

1.5 静电电压的确定

静电电压宜为60 kV。

2 聚乙烯挤出机组参数的研究

聚乙烯挤出机组包括胶粘剂挤出机和聚乙烯挤出机。挤出机的过滤系统、烘干系统、加热系统、混炼系统、密封系统要有品质保证。更直观反映的是挤出量、挤出电机转速、膜片宽度和厚度的稳定性和可调性。

2.1 胶粘剂挤出机参数的计算与调试

2.1.1胶粘剂挤出量的计算

式中W2——胶粘剂实际挤出量/（kg/h）；

δ2——胶粘剂层厚度，按标准取值/mm；

ρ2——胶粘剂密度/（g/cm3），参考值为0.931。

2.1.2胶粘剂挤出机电机转速的计算

以挤出机标定的某一转速下的挤出量或实测得到的数据为额定挤出量，推算出需要的挤出量时的电机转速。挤出量与电机转速基本为线性关系，但机筒温度、模口阻力等因素均会影响实际值，经多次测定后可引入一个修正系数。

式中We胶——胶粘剂额定挤出量/（kg/h）；

n胶——胶粘剂挤出机电机实际转速/（r/min）；

ne胶——额定挤出量时电机转速/（r/min）；

k——修正系数，经验数。

2.1.3胶粘剂膜片缠绕宽度的计算

如前分析，膜片缠绕螺距就是钢管前进的螺距，当膜片宽度等于螺距时，是一圈挨一圈的缠绕，既不搭接也无缝隙。所以：

式中b胶——胶粘剂膜片缠绕宽度/mm；

θ——轮胎偏转角度。

缠绕时圈与圈之间应有适当搭接，所以实际膜片宽度应略大于以上计算值。

2.1.4胶粘剂膜片宽度的调整

膜片从挤出到缠绕因拉伸而变窄，因此，膜片宽度系指膜片缠绕宽度。通过调整模头位置，可使缠绕宽度恰好达到要求的值。如无法调到此值，则需要重新调整轮胎偏转角度θ。

2.2 聚乙烯挤出机参数计算与调试

2.2.1聚乙烯挤出量的计算

式中W3——聚乙烯实际挤出量/（kg/h）；

δ3——聚乙烯层厚度/mm；

ρ3——聚乙烯密度/（g/cm3），参考值为0.944。

2.2.2聚乙烯挤出机电机转速的确定

式中We聚——聚乙烯额定挤出量/（kg/h）；

n聚——聚乙烯挤出机电机实际转速/（r/min）；

ne聚——额定挤出量时电机转速/（r/min）；

k′——修正系数，经验数。

2.2.3聚乙烯膜片缠绕宽度的确定

由于聚乙烯缠绕一层达不到要求的厚度，一般需要缠绕3～5层，所以：

式中b聚——聚乙烯膜片缠绕宽度/mm；

N——聚乙烯膜片缠绕层数（取一个适当的整数，如3、4、5）。

同样，由于圈之间的适当搭接，实际膜片宽度应略大于以上计算值。

2.2.4聚乙烯膜片宽度的调试

聚乙烯膜片从挤出到缠绕因拉伸而变窄，因此，膜片宽度系指膜片缠绕宽度。调整模头前后位置，使缠绕宽度恰好为要求的值。如无法调到此值，说明N取值不当，应换一相邻值再试。如仍不满足要求，则需要重新调整轮胎偏转角度θ。

根据需要，还可通过调整挤出机模口开口度对膜片厚度进行调整。

2.2.5机筒各段加热温度的调整

根据不同厂家的原料，按厂家推荐的数据或经验设定各段温度，但进料段温度不宜过高。

3 内涂敷参数的研究

内涂敷参数的调整主要是确定喷涂速度和喷涂机流量的关系，喷涂机流量是较客观的参数，因此需要调整的是喷涂速度，实际上就是调整喷涂小车电机的频率。

3.1 喷涂机喷涂流量的测定

喷涂机流量不是定值，喷嘴型号、涂料黏度、喷涂机的空气压力对其都有影响，确切的喷涂流量应通过实测得到。具体实测方法是：在实际工况下，用秒表计时，用容器接取从喷嘴喷出的涂料后称重（同时使用两只喷枪应是两枪之和），计算出实际喷涂流量。可实测三次，求得其平均值，单位为g/min。

3.2 涂料密度的测定

由于双组分涂料的配比各厂家不尽相同，必要时还需要添加稀释剂，应按实际工况实测混合后的涂料密度。具体方法可用密度计或量杯天平测量。

3.3 涂料干湿膜厚度比的测定

业主或标准要求的是干膜厚度，但调试或计算时需要湿膜厚度。

按实际工况配制混合涂料，在几块试片上制作涂层，分别量出湿膜厚度，自然干燥或烘干后测得干膜厚度，干膜厚度与对应湿膜厚度之比即为干湿膜厚度比，为准确起见应取几块试件的平均值。

3.4 流量公式

类似于挤出量公式，针对钢管内壁的流量公式为：

L=10-3π(d-2δ)Vpδ4ρ4/λλ′

式中L——喷涂机喷涂流量/（g/min）；

Vp——喷涂速度/（m/min）；

δ4——要求的干膜厚度/μm；

ρ4——两组分（及稀料）混合后的涂料密度/（g/cm3）；

λ——涂料干湿膜厚度比；

λ′——考虑涂料喷涂损耗和涂层收缩的修正系数，经验数。

与外防腐不同的是，喷涂流量一般不太变化也不易控制，而容易实测获得；实际应用中往往根据流量反求喷涂速度，然后通过控制小车电机频率实现这一速度。

3.5 小车电机频率的调整

3.5.1喷涂小车行走速度

Vp=n实πd车/1 000

式中n实——小车车轮实际转速/（r/min）；

d车——小车车轮直径/mm。

3.5.2小车电机频率的调整

喷涂小车由变频电机通过减速机驱动，实测获得50 Hz时车轮转速是n50。

50/n50=f/n实

即n实＝n50f/50

式中f——小车电机需要调定的频率/Hz。

式中n50——50 Hz时小车车轮转速。

由于涂料的性能参数可能不稳定，环境因素对涂料性能和喷涂工艺都有影响，因此实际生产中应在条件发生变化时对喷涂流量和干湿膜厚度比再次进行实测。

3.6 其他参数调整

由于喷枪在直线移动时钢管作自转运动，所以喷涂轨迹是螺旋线，有一个螺距T内。类似于聚乙烯缠绕，喷嘴距喷涂面一定距离时沿钢管轴向的喷型宽度b内就相当于膜片宽度。

原则上讲，转速越高，螺距越小，涂层越容易达到均匀，最好的状况是满足：

式中b内——喷型宽度；

N内——液态涂料的喷涂层数，为整数；

T内——内喷涂螺距。

即喷型宽度是螺距的整数倍，这样，既不会造成局部涂层厚度不够影响质量，也不会造成局部厚度过大浪费材料。喷型宽度b内可通过实测获得。

从上式求得螺距T内后，再通过与喷涂速度Vp的简单换算并调整旋转电机频率实现。实际螺距应略小于计算值以使每圈涂层得到适当搭接。如计算螺距无法实现，可换一个N内值；如还不满足要求，说明需要调整喷涂速度或喷嘴安装位置（喷嘴距喷涂面距离）。

4 结束语

管道涂敷3LPE工艺参数由经验总结上升到理论公式计算，提升了生产管理和质量控制的水平，避免了操作的盲目性和随意性。精准控制工艺参数是消除防腐层质量隐患的有效保证。做到理论指导实践对于提高管道涂敷水平将起到积极的示范作用。

Abstract:Process parameters of pipe 3PE coating affect directly the anticorrosion coating quality,anticorrosion material consumption and production speed,so the determination of process parameters is the kernel work of coating operation.Based on the structure of the most commonly used coating operation line,the adjustment and calculation methods of FBE spray parameters,polyethylene extruding machine parameters and internal coating parameters are studied and tested in practical application,then the calculation formulas of those parameters are deduced and summarized.It will guide pipe 3PE coating operation.

Key words:pipeline;3PE anticorrosion coating;coating;process parameter;calculation formula

（47）Study and Calculation of Pipe 3LPE Coating Process Parameters

XU Chang-xue（China Petroleum Natural Gas Pipeline Scientific Research Academy，Langfang 065000,China），MA Hou-feng

TE988.2

B

1001－2206（2011）02－0047－03

徐昌学（1964-），男，重庆人，高级工程师，2002年博士毕业于西南石油学院石油天然气工程专业，主要从事管道防腐工程及管理工作。

2010-07-19