直焊缝钢管涂层厚度补偿装置的开发与应用

程继兵，刘耀民，赵福本，王 健

（中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司，河北 秦皇岛 066206）

0 前 言

钢管防腐涂层局部厚度不足的问题一直存在于直焊缝钢管的防腐生产过程中。在3LPE防腐过程中，约200℃的聚乙烯膜片经过压辊碾压后涂敷在钢管表面，由于直焊缝的存在，高温聚乙烯膜片在经过碾压后涂敷在脊状焊缝上时，减薄量较为明显，因此，焊缝处涂层的厚度总是低于管体涂层厚度。国外一些管线对焊缝与管体涂层厚度的比例要求严格，一般要求减薄量不低于90%。而为保证焊缝处涂层的厚度，只有增加挤出量，加大膜片厚度才能满足质量要求。笔者研究开发了一种涂层厚度补偿装置，以期对直缝焊管的防腐生产提供参考。

1 焊缝补偿装置的基本原理

焊缝涂层补偿装置原理如图1所示。焊缝涂层补偿装置由步进电机、牵引辊、压辊、1#超越离合器、2#超越离合器和链条等几部分组成，步进电机由1台PLC控制，提供牵引辊动力。由于步进电机与牵引辊之间（1#离合器）及牵引辊与压辊之间（2#离合器）采用超越离合器联动，当电机转速较膜片速度低或不旋转时，1#超越离合器处于分离状态，2#离合器闭合，牵引辊由与压辊连接的链条带动，随膜片同速转动。此时，膜片厚度无较大变化。当电机速度超过膜片速度时，牵引辊与电机之间的1#离合器闭合，电机带动牵引辊高速旋转，而此时牵引辊与压辊之间的2#离合器分离，脱离压辊牵引。步进电机以链传动方式带动涂层牵引辊高速旋转，通过牵引辊与涂层膜片之间的相对运动，从而改变牵引辊与压辊之间膜片的张紧力，张紧力减小后膜片厚度随之增加，再经压辊碾压涂敷在焊缝上达到提高焊缝处涂层厚度的作用。

图1 焊缝涂层补偿装置原理图

从图1可以看出，牵引辊的转速是影响膜片厚度的关键。当牵引辊与膜片同速时，牵引辊与膜片之间无相对运动，对膜片的厚度无影响。当牵引辊速度大于膜片速度时，牵引辊与膜片之间产生相对运动，速度越大，产生的相对运动越大。由于摩擦力的存在，膜片与压辊之间的张紧力减小，幅宽加大，进而厚度产生变化。

2 PLC对步进电机的控制

在电机的选择上，由于该装置采用三相混合式步进电机，该电机综合了反应式和永磁式步进电动机两者的优点，是目前性能最高的步进电动机。在力矩的选择上，通过对单位膜片拉力的测算，得出膜片的拉力，圆整后选择了该范围的静力矩，静力矩即保持力矩，指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。步进电机在极低速旋转时，所产生的力矩近似等于保持力矩，步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减。

直焊缝涂层厚度控制装置对精度有一定的要求，如以步矩角整步运转，电机震动较大，对涂层会有影响，因此增加了脉冲分配器来细分步矩角，从而提高电机运行精度。采用3M2080型脉冲分配器，设计调整细分值使步距角达到0.36°，初步试验表明，该步距角度可满足精度要求。

电机的控制和脉冲周期决定电机的转速，脉冲数量决定电机转动的时间，控制好上述两个参数即可控制膜片厚度的变化。对于判断超越离合器的离合与非离合状态是控制焊缝涂层厚度的关键点。采用测速比较的方法来判断离合器的状态。在牵引辊的轴端装1台高精度编码器，通过编码器测得牵引辊的实际转速。系统根据实际转速以及设定的补偿量计算出驱动电机所需转速。

在编写程序中，对于测速的算法采用捕捉系统时间的方法，脉冲计数采用固定脉冲数中断的方式，充分利用了PLC的内部功能，使测速更加准确，经过与标准仪器的校对，误差在1%之内。

3 工控机人机界面设计

人机界面设计使用了组态王软件，采用昆仑通态TPC1063E型触摸显示屏，如图2所示。触摸屏显示牵引转速及电机的相关参数并可设定手动和自动补偿模式。工控机可接收焊缝自动识别系统的检测信号，并计算2次检测的时间间隔、焊缝高度及焊缝检测数量。

图2 焊缝涂层补偿装置工控机界面

4 试验数据分析

焊缝涂层补偿装置在3LPE防腐生产线上分别进行了工艺可行性分析试验、不同牵引辊转速下对涂层厚度的影响等试验。

4.1 工艺可行性分析试验

试验没有针对焊缝进行直接补偿，电机以约100 r/min的转速旋转，对管体使用易高456型在线测厚仪，数据见表1。从表1可以看出，补偿后的管体涂层厚度明显大于未补偿的厚度。

表1 管体涂层厚度数据表mm

4.2 焊缝涂层厚度补偿试验

采用φ711 mm×16 mm规格钢管进行焊缝厚度补偿试验，防腐级别为加强级。根据检验工艺卡的内容，焊缝处涂层厚度不得小于2.24 mm，管体处涂层厚度不得小于3.2 mm。取样在正常的生产过程中进行，仅停止FBE及AD涂敷，其他工艺参数与工艺卡相符。试样点厚度的测试使用千分尺，精度为0.01。补偿后焊缝处涂层的平均厚度为 3.148 mm；在未补偿的试样中焊缝处涂层的平均厚度为 2.722 mm。焊缝涂层厚度补偿数据见表2。由表2可以看出，涂层厚度的最薄处在焊缝，最厚处在焊缝的两侧约2 cm处。

表2 焊缝涂层厚度补偿数据表 mm

4.3 不同牵引辊转速对涂层厚度的影响

不同牵引辊转速下的涂层厚度数据见表3。通过试验数据分析可以得出，在传动线频率和挤出量一定的情况下，改变牵引辊的旋转速度，可以发现焊缝处涂层的厚度会发生明显的变化。

表3 不同牵引辊转速下涂层厚度数据表

5 焊缝自动识别系统

焊缝自动识别系统采用了Meta最新的VistaWeld SLS激光传感器。该系统曾用于焊管工艺中对焊缝的焊接跟踪，而应用于焊管防腐尚属首次。在此应用中，激光传感器固定在钢管的侧面，如图3所示。当钢管旋转时，其表面的外焊焊缝将快速地从传感器100 mm的视场中通过，系统软件将能够检测到几幅连续的焊缝图像并发出数字信号用于控制补偿控制器。系统在准确识别焊缝的同时，能够显示出焊缝的形貌，通过焊缝形貌测量出焊缝高度并在端子上输出1个对应的模拟量信号给补偿控制器，补偿控制器根据模拟量调节电机转速，实时调节涂层的补偿厚度。

图3 焊缝自动识别系统激光传感器

6 结 语

通过在生产线上的试运行，焊缝涂层补偿装置的使用得到很好的验证。对同种规格钢管涂层厚度的测量数据分析可知，使用焊缝涂层补偿装置后，钢管平均涂层厚度可减少0.23～0.32 mm，焊缝处涂层厚度质量良好。

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