钢管桩自动喷漆系统设计

刘健旺

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300459）

1 涂料损耗的相关定义

理论涂布率是一个理论计算值，是对配方的固体含量进行计算，并经过试验验证获得的理想数据，即1 L 涂料在施工中完全涂覆在完全平整的表面上并获得一定漆膜厚度时所能覆盖的物体表面面积。这个数值是涂料产品本身的一个固定特征数据，与涂料本身以外的任何因素无关。

实际涂布率是指在施工过程中通过涂装施工将涂料按规定要求涂覆于指定表面，在实际各种主客观环境条件下，每升涂料实际所能涂覆的面积。实际涂布率的大小除了受到各种外部条件的影响和制约，施工控制和个人操作也会对其产生影响。也就是说，它是可以在实际施工中加以控制的。

涂料损耗（损耗系数）和用量系数的换算关系，是指在计算给定油漆的覆盖率（涂布率）（单位为m2·L-1）时，即固体含量为100%的液体漆施工干膜厚度为1 μm，能覆盖1 000 m2。即理论涂布率与实际涂布率间的差数，用理论涂布率的百分数表示[1]。

式中：c为损耗系数；a为实际用量；b为理论用量；d为实际涂布率；f为理论涂布率。

2 涂装时影响涂料损耗的因素

2.1 对膜厚控制的要求

一方面，要求漆膜厚度完全均匀是不可能达到的。施工中，通常规定总干膜厚度的最低值或范围。涂装工为达到规定的最低膜厚要求而不可避免产生的损耗（因为人工操作不可能恰好达到要求的标准膜厚），称为涂料的分布损失。另一方面，在一些施工难度大的部位，过量涂装（超厚）不可避免，如工件靠近地面仰脸侧涂装。纵向、环向的焊缝处，将加大涂料的消耗量。

2.2 表面粗糙度

要达到涂料的良好附着力，要求对被涂表面进行喷砂处理。被涂表面越粗糙，涂料的损耗越大。因为有相当一部分涂料陷入喷砂处理而产生的凹陷处，而此部分在测量膜厚时是不能反映出来的。对于多道涂层施工，每道涂层表面的平滑程度和施工后表面的砂纸打磨效果，将直接决定后道涂料的损耗[2]。

2.3 待涂构件的形状/大小

待涂构件的形状/大小将直接影响施工过程中涂料的损耗。一般情况下，复杂结构的涂装施工，涂料损耗比较简单且结构大。结构尺寸较小时，损耗也会远远大于面积较大的结构。

2.4 施工方法

涂料的涂装方法有刷涂、辊涂、传统空气喷涂和高压无气喷涂等。涂料中，对于大面积施工的涂料，一般要求采用高压无气喷涂。这种方式虽然比较快，但涂料的耗损会远远大于传统的空气喷涂、刷涂和辊涂。

2.5 施涂设备选用

选用不同的涂装设备，很大程度上会影响涂料的损耗。例如，用高压无气喷涂涂装小尺寸的构件，采用较小喷幅的枪嘴时损耗会较低。往往施工方为满足紧张的施工进度要求，达到较高的喷涂效率，会采用较大喷幅的枪嘴，增加了涂料的损耗。此外，不同品牌的无气喷涂设备在喷涂时可能形成不同的喷涂雾化效果，因此损耗也各不相同。

2.6 外界的环境条件

施工周围各种环境也会不同程度地影响涂料损耗。有风的户外场所施工，相对于通风良好而相对封闭的车间而言，涂料损耗更高。

2.7 施工工艺及施工过程管理

不同的施工工艺和施工管理，会显著影响涂料损耗。例如，待涂构件的摆放、操作者和被涂物件的相对位置等，都可能直接决定了操作者不同的喷涂姿势和角度，且涂料损耗各不相同。因此，合理设计施工流程，有利于合理控制涂料损耗。

2.8 不可避免的浪费涂料

涂料浪费不可避免，通常包括包装桶上的残留、涂漆设备上的粘附（如泵内与管路损失、辊子和刷子的残留等）。对于双组分涂料，混合后的涂料可能会因超过使用寿命时间而造成浪费。

2.9 施工者的操作水平

不同的施工操作者由于其个人操作水平的不同，在大量施工中可能会产生完全不同的施工损耗。

3 案例

唐山液化天然气项目一阶段配套码头工程钢管桩共计714 根，直径分为1.4 m 和1.6 m 两种。由于工期任务紧张，为了不耽误用户生产安排，没有在前期采用自动喷漆施工方法，而是均采用传统手工喷漆方式。在项目快结束的时候，采用钢管桩自动喷漆施工工法完成最后7 根钢管桩的防腐。所提的涂覆基材选择钢管、涂覆材料参数如表1 所示。

表1 涂覆基材选择钢管、涂覆材料参数

3.1 自动喷漆系统组成

自动喷漆系统由可行走滚轮架、自动喷漆小车及相应的轨道等组成。喷漆小车带可上下、左右调节的固定架体。架体根据需要配不同数量的喷枪。喷漆小车配漆管、气管、电缆线及相应的随动装置。

3.2 基本参数

滚轮架旋转线速度为5 ～50 m·min-1（变频调速），滚轮架行走速度为1 ～10 m·min-1（变频调速），喷漆小车行走速度为2 ～20 m·min-1（变频调速）。

3.3 工作原理

本项目为钢管外表面防腐层施工，采用钢管原地匀速旋转和喷枪直线匀速行走相组合的方式。在钢管外表面覆盖等宽螺旋漆面，在两端保持喷枪不动，形成圆周覆盖面。

漆雾扇面由手工方式的垂直于钢管轴线改为与钢管轴线在同一水平面上，使得漆雾与钢管表面距离基本相同，通过钢管原地匀速旋转和带压力的喷枪匀速直线行走两种动作组合形成均匀螺旋漆面。由于运动稳定，距离、压力、位置相对稳定，可实现漆膜厚度的精准控制。

4 工作流程及操作要点

4.1 工作流程

工作流程图如图1 所示，具体流程：钢管吊运至可行走滚轮架上实现工件就位，同时调整管与滚轮的纵向位置使喷涂面积满足既定要求；由滚轮架带动需喷涂钢管运行至喷漆车间内的既定位置，开启滚轮架转动电机，使电机带动钢管做圆周运动；喷漆小车就位开始横向喷涂；过程中不断检测喷涂表面质量等施工信息，直至完成全部喷涂施工；喷漆小车停在工件一侧，随即喷头停止喷雾；滚轮架圆周运动使电机停机、行走电机启动，带动工件被运出喷漆车间吊装下一节钢管，从而实现工件的连续喷涂作业。

4.2 操作要点

4.2.1 始发处与终止处的处理

在始发处，喷漆小车在原地喷漆，钢管桩旋转满一圈后，开始启动喷漆小车的行走。在终止处，喷漆小车原地静止直至钢管桩旋转满一圈后，开始往回运动或者停止喷漆。

4.2.2 钢管桩不防腐段处的处理

每根钢管桩两端都存在工艺和设计需要的不防腐段。为防止漆雾污染不防腐段，在可行走滚轮架上安装挡板。喷漆小车在起始处与终止处喷漆时，将油漆喷到挡板上。挡板表面贴塑料膜，可根据需要揭除塑料膜。

4.2.3 钢管桩与可行走滚轮架的相对固定

运送钢管桩时，钢管桩与滚轮架之间可能产生相对运动，需要将主动滚轮架和从动滚轮架用连杆连接，使其保持行走方向相对静止，确保钢管桩在运送时不会掉落。

5 质量控制

5.1 钢管桩轴向窜动控制

钢管桩旋转时会往一端窜动，如果不采取措施控制，钢管桩表面刚喷完的防腐面会被破坏甚至整根钢管桩掉落。为此在钢管桩端部下方设置挡轮，挡轮围绕竖直方向轴线转动，与钢管桩旋转保持随动，不会与钢管桩端部干磨。

5.2 漆面均匀度控制

为使漆面均匀，需要保证钢管桩匀速旋转和喷枪匀速直线运动，且喷幅大小、喷枪移动速度与钢管桩旋转速度匹配。为此在满足喷射压力大小与稳定的前提下，喷枪的安装与固定要牢固可靠。安装架的刚度大，尽量减少喷枪晃动。喷漆小车的移动轨道要与可行走滚轮架的轨道平行。可行走滚轮架的主动滚轮轴线、从动滚轮轴线应在同一轴线上，并与可行走滚轮架的轨道平行[3]。

漆雾扇面由手工方式垂直于钢管桩轴线改为与钢管桩轴线在同一水平面上。

6 喷漆效果

由于运动非常稳定，油漆喷到钢管桩表面的距离、速度、角度都很稳定，保证了漆膜质量，使得喷漆表面外观大大好于传统方法，完全消除了流挂现象，最终的成型面更加光滑、更加均匀、更加致密，大大改善了手工喷漆形成的橘皮现象，同时达到3 450 N 拉拔力所需的时间仅为相同情况下手工喷漆方法的一半（设计拉拔力不小于2 510 N）。作业前，清理车间内的杂物，检查车间内是否有易燃易爆物品。作业期间关闭车间大门，周围人员不得吸烟。防腐车间内摆放2 个以上灭火器。

喷漆作业时，防腐车间的门关闭，喷漆产生的VOC 气体通过防腐车间内的上排风、下吸风管路通往VOC 处理设备（活性炭吸附+催化燃烧），经处理合格后排放到大气中[4]。

作业完成后的油漆桶、杂物，需要按照危化品处置要求进行集中处置，不得随意丢弃。

7 经济效益

7.1 原材料节约

试验钢管直径1.4 m、长12 m、干膜厚度800 μm（理论湿膜厚度1 050 μm），实际喷到钢管外表面的油漆量是42.2 L（计算方式为π×1.4×12×1 050÷1 000）。原用漆74.8 L，利用率为56.45%；现用漆54.0 L，利用率为78.20%。可见，喷漆环节油漆利用率提高21.75%。公司年度油漆消耗量20 万L 约1 000 万元，喷漆环节用量占90%，每年可减少油漆浪费198 万元（计算方式为1 000×90%×22%）。

7.2 人工成本节约

按一天喷20 根桩算，采用手工方法喷漆需要12个工日，用自动喷漆系统需要8 个工日，用工量减少1/3。年度油漆消耗量20 万L，大约用工1 200 个工日，用自动喷漆系统可减少用工量400 个工日（计算方式为1 200×1/3）。按每个工日300 元计算，每年可减少人工成本12 万元（计算方式为300×400）。

7.3 节能和环保效益

提高油漆利用率，一定程度上减少了相同工程需要的油漆量和产生的VOC 气体，起到了较好的环保效果。同时，由于基本没有油漆滴淌，VOC 气体可集中处理，基本避免了非工作时间VOC 气体的排放。

钢管桩的待喷面是弧形的，而喷嘴是由一个点喷射出去的。用传统方法喷漆时，枪嘴始终无法与钢管桩外圆面保持等距，存在同一时间油漆喷射距离不均、压力不等的情况。一方面，采用传统方法会产生漆雾飞扬的情况，造成浪费；另一方面，由于附着厚度不均，本着全面满足用户厚度要求的原则，只能多喷漆，再次造成浪费。因此，传统手工喷涂环节的油漆利用率一般不到60%，浪费严重。

采用钢管桩自动喷漆施工工法时，喷幅范围内带均衡压力喷射在钢管桩圆周象限点处，始终保持直线接触，基本没有肉眼可见的漆雾，且喷射均匀，厚度均匀，大大提高了油漆利用率，实际的油漆利用率可以达到80%。

7.4 工作效率

手工喷一根试验桩大约需要50 min，自动喷漆配一个喷枪只需要25 min，配两个喷枪估计需要15 min。若配4 个喷枪同时喷两根平行布置的钢管桩，平均下来喷一根试验桩只需要7.5 min，为手工喷一根试验桩时间的0.15 倍。

7.5 劳动强度

手工喷漆时，作业人员需要一直与钢管桩外圆面保持等距离移动喷枪，劳动强度大，工作时间久容易出现质量问题。自动喷漆时，作业人员只要在开机前夹持好喷枪，作业时操作控制启停即可，劳动强度低。

7.6 作业环境

手工喷漆时会形成较多流挂、滴淌等，地面上、车体上都是厚厚的干漆，既影响美观又容易造成滚轮阻塞。自动喷漆杜绝了流挂、滴淌等现象的出现，喷漆车间内地面上、车体上基本没有油漆痕迹，且配上喷漆车间内的进、出风系统，可打造精品工程，给客户留下良好印象[5]。

8 喷漆产能对比

8.1 自动喷漆产能

自动喷漆时，在不加大喷漆泵和喷枪流量的前提下，由一位工作人员控制。按一个喷枪考虑，单桩实际喷涂时间为25 min，进出喷漆房时间共10 min，吊装时间共4 min，一个作业周期共计39 min。如果放两套行走滚轮架，配一台喷漆小车，两根桩同时喷，相当于43 min 喷2 根（吊装时间翻倍），一天有效工作时间8 h，扣除非正常作业（包括调漆、洗枪等）时间1 h，7 h 内完成喷漆19 根（计算方式为7×60÷（43÷2））。

以上体现单遍漆作业时间计算过程，实际按照不同情况，理论计算结果如表2 所示。

表2 自动喷漆能力汇总表

8.2 手工喷漆产能

手工喷漆时，大约50 min 喷一根试验桩，一位工作人员一天最多能喷6根（计算方式为7×60÷（50+10+4））。

9 结语

钢管桩自动喷漆系统充分体现了现代化快速、经济、高效、健康作业的理念。采用钢管桩自动喷漆系统，各项指标平稳，在经济性、质量、工作周期、作业环境、劳动强度、用工量以及职业健康等各方面，相比于手工喷漆方式均有显著提高，得到了业主单位的高度认可。该系统可广泛运用于各类中、大直径钢管的喷涂，尤其适用于对喷漆成本控制较严、喷漆速度要求较快、持续性流水作业以及作业环境对人体伤害性较强的领域。此外，钢管桩自动喷漆系统极大增强了公司在钢管桩防腐领域的产能、影响力及核心竞争力，为日后相似工程的承揽奠定了技术基础。