基于组合法的管道防腐胶带缠绕机的创新设计与应用

唐胜菊 郭德科

(1.四川广播电视大学，成都 610073；2.中国石油西南油气田分公司川西北气矿剑阁天然气净化厂，四川 广元 628017)

0 引言

管道作为一种重要的物料运输工具，在石化、燃气行业应用十分广泛。然而埋地管道在水、盐、碱、压力的作用下极易被腐蚀，因此管道防腐显得尤为重要。通常埋地管道防腐是用人工方式在表面处理后的管道上缠绕防腐卷材。为减轻施工人员负担、提高缠绕质量，目前已有多款管道防腐胶带缠绕专用机具投入使用，但普通的防腐胶带缠绕机需4人均匀用力，否则易造成胶带变形以及与管道贴合不一致等问题[1]214，同时当缠绕机转动到管道底部时，难以保证缠绕机与管道贴合紧密，不易观察防腐胶带压边搭接的均匀性[1]214。受到多年战争影响的伊拉克经济落后，在当地施工时，常会面临施工材料短缺、施工设备落后、施工队伍技术水平偏低等难题，高质量的缠绕机在经济落后、物资匮乏的伊拉克地区极难采购[2]。防腐管道在现场应用十分普遍，而防腐胶带缠绕这一工序却因专用缠绕机具采购难，而不得不采用人工手动缠绕方式，因此造成生产效率低、工人劳动强度大，且难以保证施工质量的问题。为解决这一问题，需就地取材设计一种制作成本低、操作简便、施工效率高的新型管道防腐胶带缠绕专用机，以提高施工效率和施工质量。

1 新型管道防腐胶带缠绕机方案设计

1.1 设计要求与技术指标

考虑现场施工环境，要求缠绕机应结构紧凑、操作简便，能保证施工质量，有效降低工人劳动强度，缠绕动作能一次成形，同时还要保证设备制作成本低、制作工艺简单、安全实用、污染小。为满足设计要求，其主要技术指标要求如下：

(1)为了兼顾工作效率与设备运行的稳定性，缠绕机的缠绕速度需控制在一定范围内，通过试验得出，防腐胶带在管道轴向上行进速度要达到1～1.2 m/min[3]90。

(2)为使防腐胶带搭接宽度保持一致，并能在管道表面贴合紧密，防腐胶带的搭接宽度应为40～60 mm，防腐胶带搭接厚度应≥4 mm[3]90；

(3)改进设计的防腐胶带缠绕机要能满足常用长输管网所选的各类中段管径管道防腐胶带缠绕需求。

1.2 工作原理及方案设计

依据现场施工经验及设计要求，利用模块化设计思想，确定缠绕机的主要功能模块。为使防腐胶带能均匀缠绕于管道表面，缠绕机首先应具有缠绕功能，根据这一要求，应有合适的动力传输机构为整个机具的运转提供动力；要有相应的传动系统保证动力部件与执行部件的匹配；同时，为实现防腐胶带在管道轴向缠绕，还应设计行走机构；最后，还要有辅助机构来保证机具整体功能的完整性。因此新型管道防腐胶带缠绕机的主要功能模块应包括：动力模块、缠绕模块、传动模块、行走模块和辅助模块5大功能模块。由此得出，新型管道防腐胶带缠绕机的工作原理：操作人员手持防腐胶带，将防腐胶带初始搭接在管道一端，调节胶带缠绕角度和搭接宽度，通过选取一款低速电机带动管道旋转，操作人员手持工具，使防腐胶带与管道之间产生一定的预紧力，并利用行走机构沿管道轴向匀速前进，确保防腐胶带以既定的技术参数缠绕在管道表面。其工作原理如图1所示。

图1 工作原理

这种由管道旋转做主运动，操作人员在行走机构上保持匀速运动，防腐胶带轴线与管道轴线倾斜角度保持不变的缠绕方式，用逆向思维改变了以往防腐胶带缠绕机悬挂于管道外壁做旋转运动来实现胶带缠绕的方式，避免了因胶带缠绕机在管道表面悬挂不稳、上下轮抓力不一致等因素造成的胶带在管道上下表面缠绕贴合不一致、贴合质量差等问题，提高了缠绕质量。其结构示意图如图2所示。

图2 结构示意图

2 缠绕机的机构组成

2.1 动力机构

动力机构主要由动力源及其配件组成，它是保障机器正常工作，为整个机具平稳运行提供动力的机构，合理选择动力机构对机器的正常运转影响很大。选择动力源时，既要考虑设备的输送能力和负载能力，又要考虑结构紧凑性[4]。因该油田目前现场施工设备有限，动力设备难采购，可选替代设备较少，最终根据现场施工条件，选取32 r/min的低速套丝机作为缠绕机动力机构。套丝机自带的减速装置，正好可以满足缠绕机上防腐胶带行进速度为1～1.2 m/min的设计要求，且套丝机作为一种现场应用广泛的螺纹加工工具取材方便，其工作原理与车床套丝类似。从结构上看，套丝机上的板牙孔正好可以作为传动管道穿套入口，套丝机上的板牙尺寸可调，可满足多管径传动管道安装需求，扩宽了施工工具选择面。

2.2 同轴传动工具

根据套丝机工作原理，先将传动管道放入套丝机管子卡盘，撞击卡紧，为使需缠绕防腐胶带的被加工管道转动起来，需在传动管道与被加工管道之间设计传动套管作为同轴传动工具，套丝机电机带动传动套管转动的同时带动被加工管道旋转。同轴传动工具作为传动部件，由DN50钢管及传动爪组成。工作时，将传动套管放入套丝机内，并用三角爪锁紧，按下启动开关，调节板牙头上板牙开口大小，顺时针扳动进刀手轮，使板牙头上的板牙以恒力贴紧转动的管子端部，低速套丝机电机将动力通过同轴传动工具传递给被加工管道，带动管道旋转；待防腐胶带缠绕至预定长度时，板牙端自动张开，缠绕加工结束，关闭电源，撞开卡盘，取出管道即可。电动套丝机同轴传动工具示意图如图3所示。

图3 传动工具示意图

2.3 管道抱箍

为满足不同管径的管道防腐胶带缠绕需求，需针对不同尺寸的管道设计不同的夹具。为此，选用比被夹管道大一号的管道制作管道抱箍卡瓦，依据现场施工需求，分别制作了DN100～DN600不同管径的管道抱箍卡瓦，在卡瓦上焊接固定片和动力传动杆，在固定片上打孔，用螺栓固定抱箍与管道。管道抱箍采用分体式结构，对称剖分为两部分，由2块带手柄的半圆钢环组成，2块分离的钢环由1组紧定螺栓连接而成，这样既能保证连接精度又方便拆装。管道抱箍示意图如图4所示。

图4 管道抱箍示意图

2.4 管道滚动支撑

为实现管道滚动缠绕防腐胶带的功能，需要设计管道滚动支撑。根据要求，将管道两端放置于2个滚动轴承支撑上，管道两端设置滚动支座，保证管道不发生纵向位移。管道滚动支撑示意图参见图2。

2.5 行走机构和手持工具

行走机构由带轨道的运动平台构成，操作人员站立于该运动平台上，按设计速度沿与管道平行的轨道横向移动，实现整个管道防腐胶带缠绕的轴向运动。设计缠绕胶带手持工具，当防腐胶带缠绕至被加工管道时，需操作人员手握手持工具，保证胶带于管道间产生一定的预紧力，使胶带与管道贴合紧密，搭接均匀。

3 缠绕机的工艺参数分析

缠绕机施工工艺参数是决定防腐胶带缠绕质量，避免施工盲目性的重要因素，在设计施工之前，根据施工管径和管速等确定实际操作的参数范围十分必要。

3.1 防腐胶带宽度尺寸

常用的防腐胶带带宽有150 mm、180 mm、200 mm、300 mm等多种规格[5]48，防腐胶带的带宽会影响胶带在管道上的缠绕效果。管道直径不变的情况下，胶带宽度越小，缠绕越平滑，缠绕质量越好。但考虑到搭接宽度的要求，胶带宽度偏小会造成防腐胶带浪费，而胶带的宽度越大浪费越少，但又会降低胶带缠绕的平滑度，影响防腐效果[5]49。对此，针对DN40至DN600的多种常用管道，分别用这4种带宽的防腐胶带在设计管速内进行对比试验。结果表明：管道尺寸低于DN70时，选用180 mm带宽的防腐胶带，胶带缠绕褶皱较明显；管道尺寸低于DN100时，选用200 mm带宽的防腐胶带，胶带缠绕褶皱明显增多[5]49。通过多次实验，获得管道直径与胶带宽度的匹配表，如表1所示。

表1 管道尺寸与胶带宽度匹配表

3.2 胶带轴线与管道轴线夹角

胶带轴线与管道轴线之间的夹角是影响胶带搭接、缠绕进程和缠绕质量的另一个因素，为保证加工质量，需设定合适的螺旋缠绕角度。现场分别试验了30°，40°，50°，60°，70° 5种角度，不同管径的防腐胶带缠绕效果。统计分析得出，当胶带轴线与管道轴线之间夹角成60°时，胶带缠绕效果最佳[5]49。

3.3 缠绕机的转速

可根据防腐胶带带宽及胶带在管道轴向上运动速度之间的关系，计算缠绕机的转速。依据缠绕机的工作原理，管道旋转1周，防腐胶带沿管道轴向前进1个螺距L，假设缠绕机的转速为V，防腐胶带每分钟轴向行进距离为H，胶带搭接宽度为40 mm，可求出缠绕机的转速为

(1)

式(1)中，V为缠绕机转速，r/min；H为胶带每分钟前进距离，mm/min；L为胶带缠绕到管道表面形成的螺距，mm；L=(b-40)/cos60°；b为胶带带宽，mm。

4 试验与应用

4.1 试验内容

为验证设备的合理性及可靠性，制作了1台新型管道防腐胶带缠绕样机，在现场实际操作环境下，试验样机施工效果。试验步骤严格按照正常操作流程进行，实验内容主要包括：传动套管的安装与调试，同轴传动工具的安装与传递可靠性测试，DN100～DN600不同管径的管道抱箍的锁紧能力和安装拆卸的便利性测试，行走机构的运行平稳性测试，防腐胶带缠绕搭接宽度合理性及支撑机构的平稳性测试等。

4.2 结果与分析

通过现场试验发现，新型管道防腐胶带缠绕机，能较好地完成防腐胶带缠绕工作，传动套管安装拆卸方便，传动机构传力可靠，管道抱箍的锁紧力满足施工要求，行走机构运行平稳，低速电机的选择符合功率要求，能够满足防腐胶带在管道轴向上行进速度为1～1.2 m/min的设计要求。经多次试验测量发现，缠绕的防腐胶带搭接宽度在40～60 mm之间，防腐胶带在管道整周搭接面平滑无褶皱，可有效提高约80%的施工效率，因此满足设计要求。施工效率提升数据如表2所示。

表2 防腐胶带缠绕机施工对比数据

5 结论

基于组合法创新设计原理，就地取材改造设计的新型管道防腐胶带缠绕机，不仅解决了现场专用施工设备缺乏的问题，还改变了将缠绕机悬挂于管道外壁旋转施工带来的贴合不均，防腐胶带在管道上下面贴合度不一致等问题，提升了管道防腐质量；将原来的施工人数由4人操作变为1人操作，降低了人员操作的劳动强度，提升了约80%的施工效率；新设计的缠绕机结构简单合理、运行平稳、操作便捷、制作成本低，完全满足现场施工需求，也为其他同类型油田现场施工解决类似问题提供了思路。