宋慧涛 孙文 李建兵
中国水利水电第七工程局有限公司机电安装分局 四川彭山 620860
摘要：我单位依托正在承担的白鹤滩左岸压力钢管制造及安装项目，着重围绕超大型压力钢管防腐工艺全自动化除锈技术、表面清洁度、粗粗糙度等级高精度控制方法、露天场地条件下多种密封除尘装置组合的有效环保手段以及丸料零损耗循环、分级回收新概念。深入开展相关技术理论研究和新型装备研发，从根本上解决当前水电站压力钢管防腐除锈“自动化程度不高、工作时间长效率低、劳动强度高、质量不稳定、环境污染及职业病危害大”等诸多难题，建立超大型压力钢管防腐除锈精确控制自动化创新施工技术。本文对超大型压力钢管内外壁自动化抛丸机设备研究与应用进行阐述，为今后类似水电站工程压力钢管防腐技术提供了可借鉴经验。
关键词：压力钢管 除锈 自动化
1、技术背景
目前，水电工程压力钢管防腐除锈技术，其除锈施工一般在密闭防腐作业厂房内干式喷砂完成。由于整个工序全部为人工操作，工作周期长，单节直径为10m的钢管喷砂除锈时间为6～8h；劳动强度大，整个除锈过程不间断操作，不能有漏喷或少喷区域；质量不稳定，除锈质量主要依赖于操作工人的技能水平，易出现表面清洁度外观不均匀，粗糙度仪器量测数值波动大等问题，无法做到精确量化控制；职业病危害大，除锈过程中产生的粉尘较多，尽管采用了抽风式、湿式或布袋式等除尘方式，除尘效果得到明显改善，但仍存在除锈过程中钢砂四处飞溅、粉尘弥漫，易产生尘肺职业病危害等问题。
基于上述前提，近年来部分压力钢管制作厂采用了污染较小的喷丸除锈工艺，即建立一种环保型自循环回收系统及除尘系统的防腐车间，由原先的喷砂除锈改为自循环喷丸除锈施工工艺。该工艺可勘测金属结构表面再进行喷丸处理，操作方式简单可靠，喷丸打击力大，除锈清理效果明显，除锈等级得到了有效的保证，而且能源消耗低，材料损耗及维护工作量少，磨料的利用率、喷射清理的效率均得到较大提高，施工环境得到有效改善。但该工艺的运用仍局限于在密闭的防腐车间内进行，需建造防腐除锈车间，且其工作周期长的问题未得以解决，丸料的有效回收率尚有不足，对环境的污染和职业健康危害同样存在隐患。
另外，我国的石油化工、船舶制造等行业也已有采用自动化喷砂、喷丸生产线-钢管表面除锈喷砂或喷丸生产线的案例，该技术具有环保、无污染，整个喷砂系统实现喷砂、回砂、除尘同步进行，适宜于成批钢管内、外表面的连续进行喷砂除锈的新技术、新工艺。但该项技术主要适应小直径的钢管内、外壁除锈，而对于水电站压力钢管尤其是超大直径压力钢管的全自动现场防腐操作则不适用，同样面临表面清洁度、粗糙度等级高精度控制问题。
随着环境、职业健康保护意识和施工技术要求的不断提升，压力钢管制作所采用的常规喷砂除锈、喷丸除锈工艺的质量、效率均已不能满足施工精细化、洁净化、标准化管理的要求，若干问题亟需解决，如不同形状大型压力钢管自动喷丸除锈，表面清洁度、粗糙度高精度控制、粉尘控制、自动化操作等。其中部分关键技术曾在其他行业管道防腐中取得了有益的成果，但因受制于水电工程特点及现场施工复杂性、工程项目个体差异性大等问题，以及更为重要的作业层面高精度控制、全自动化除锈工艺尚未得到有效的研究和实践检验，大型压力钢管防腐工艺技术水平亟需进一步提高。
随着数字化技术快速发展，施工自动化、智能化与精细化信息控制是未来施工生产发展的必然趋势，是先进生产力的典型代表和行业进步的显著标志。因此开发应用超大型压力钢管防腐工艺全自动除锈技术是十分必要和迫切的，传统工艺与方法唯有向现代化施工技术突破与迈进，才能在站稳行业脚跟、拓展技术市场、引领行业进步以及提升企业信誉等方面创建全新局面。
2、研究内容及目标
研究一种超大型压力钢管内、外壁全自动除锈设备，突破水电工程压力钢管传统人工喷砂及控制的除锈工艺，实现电气控制系统自动调节喷丸参数的机械化作业，全面提升超大型压力钢管防腐喷砂除锈的质量与效率，规避喷砂除锈造成的职业健康危害，提高职业健康和环境保护水平。
找出表面清洁度、粗糙度与钢管旋转速度、抛丸器与钢管壁的距离、抛丸速度、单位时间抛丸量等各参数间的关联性，确定精度控制关联技术参数；
总结不同形状多直径管节的内外壁全自动化除锈新技术、新工艺。
探索全自动除锈设备机械智能化、自动化技术在机械设备上的应用方法，为开拓智能化防腐喷砂除锈施工技术奠定基础。
3、依托项目情况
白鹤滩水电站坝址位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游四个水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的第二个梯级，白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，电站正常蓄水位为825.0m，水库总库容206.27亿m3，电站总装机容量16000MW，左、右岸地下厂房各布置8台单机容量1000MW的水轮发电机组。
白鹤滩水电站左岸压力管道采用单洞单机竖井式布置，共设置8条引水隧洞。压力管道自上平段末端起全部采用钢板衬砌，包括上弯段、竖井段、下弯段及下平段。①～⑥引水隧洞管单条压力钢管共88节，管线长度232.654m，⑦～⑧引水隧洞管单条压力钢管共89节，管线长度235.654m，左岸压力钢管制造工程量大，共706节，施工工期紧张，采用集中生产方式，分成2个厂共3个车间进行防腐施工，作业时间长，施工强度高，高峰期每天需完成3节。管体形式多样，压力钢管内径跨度8.6～10.2m、管线长度1.241m～3.0m、壁厚24～68mm、包含直管、弯管、锥管等共27种管节型式。质量要求高，为关键工序质量停止点，内壁除锈等级Sa2.5级，外壁除锈等级Sa2.0级，表面粗糙度Ry60～100um。
4、技术研究路线
图1 超大型压力钢管防腐工艺全自动化除锈技术研究路线图
5、设备研发
考察小型石油管道全自动喷砂设备，并创新研发一种全自动抛丸机，具备超大型钢管内、外壁同步施工，覆盖钢管所有表面、丸料自动输送、喷射、回收、密闭等功能；应用于车间或施工现场以及露天场地等环境下的钢管批量自动无尘除锈作业，简化人员配置，提高压力钢管防腐作业效率，如图2所示。
图2 超大型压力钢管内、外壁全自动抛丸机
5.1、配置丸料贮丸箱，丸料分离筛网及丸料控制阀
通过丸料分离筛网，控制进入抛丸器的磨料直径范围；调节丸料控制阀，控制进入抛丸器的进砂量。配合钢管旋转速度，达到控制工件钢管内、外壁不同除锈等级及粗糙度的目的。
5.2、可调节抛丸液压设备研究
根据白鹤滩项目施工，通过增设多套液压油杆，实现抛丸密封箱小幅度旋转、前后移动的功能及抛丸密封箱的可调节性。通过抛丸密封箱的小幅度旋转功能，满足弯管、锥管的除锈工作；通过远程控制箱在喷砂过程中的微调，满足整节弯管不同锥度情况，做到精细化控制。
抛丸密封箱的径向调节功能，一方面满足对弯管、锥管的锥度调节，另一方面，在贮丸箱控制阀落砂量一致的情况下，达到内外壁区别、精细化控制粗糙度的目的。
5.3、不同形状多种直径管节的内外壁自动化除锈技术研究
鉴于目前国内外自动抛丸机，采用抛丸装置旋转方式除锈施工，多适用于小型钢管，不适用大型钢管除锈施工。为满足超大型钢管全自动除锈作业，研发一种钢管旋转机构，采用4个同步电机转动，链条带动滚轮旋转，然后由4个滚轮带动钢管旋转，实现钢管自动旋转功能。
为满足设备适用不同形状钢管除锈作业，钢管旋转机构还需具备半径、倾角可调节功能。通过在电机底部设置可调节基座，调节基座分两种情况，一种情况因为除锈工位相对固定，调节基座也相对固定，仅需沿管节中心小幅度旋转电机及滚轮方向；一种情况为远离除锈工位的调节基础，同时具备倾角调节的半径调节，倾角调节方式相同，半径调节以滑道形式实现。
改进电机为变频控制，一方面通过保证钢管旋转过程中的稳定，来确保钢管除锈质量稳定；另一方面，研究钢管不同旋转速度情况下，表面清洁度及粗糙度的变化情况。
5.4、多功能密封除尘装置自动除尘技术研究
为分别满足密封、循环、吸尘隔离等多项功能，设置如下装置：
抛丸密闭箱。内、外壁抛丸密封箱呈“凹”型开口对称布置，中部为工件钢管壁通道，抛丸密闭箱主体为钢板箱体，开口位置设置软性防冲击耐磨塑料，保证丸料密闭不泄露。
丸料密闭循环系统。该循环系统由回料绞龙、提升机、储料箱、下料阀、下料管、抛丸器等组成。该系统的工作原理为：丸料从提升机底部提升到顶部贮丸箱，贮丸箱里安装一个筛网将大的物料与抛丸进行分离，分离好的丸料经丸料控制阀控制进入抛丸器的进砂量。丸料在离心力的作用下，经过高速旋转的导叶，以一定速度射向钢管壁，达到清除铁锈及增加钢板表面粗糙度的目的。抛出的丸料反射后回落到绞龙里，经由回料绞龙将丸料送回到提升机底部。
多布袋脉冲反吹滤网除尘设备。该设备工作原理为：采用吸尘风机、脉冲反吹滤袋式除尘器除尘，通过布置于抛头器密封箱顶部的吸尘风机主动吸尘，形成负压效果，将粉尘送入脉冲反吹滤袋式除尘器，通过多布袋缓冲及脉冲反方向吹动布袋减速后，粉尘及较小的丸料落入底部滤网，粉尘透过滤网落至粉尘存储箱，其余砂丸则循环进入斗料提升机。
6、表面清洁度、粗糙度高精度控制技术
（1）定义工件表面清洁度等级及粗糙度标准，明确优良及合格品情况。压力钢管喷砂除锈表面清洁度、粗糙度合格标准为：内壁除锈等级Sa2.5级，外壁除锈等级Sa2.0级，表面粗糙度Ry60～100um。喷砂清洁度等级标准图例详见图5、喷砂粗糙度标准比较样板图例详见图6。
（2）钢管表面清洁度、粗糙度通过钢管旋转速度、抛丸器与钢管壁的距离、抛丸速度、单位时间抛丸量等4个参数控制。
①通过调整低速变频电机控制电机转速，达到控制钢管的旋转速度；
②根据实际除锈效果，测量并调整抛丸器与钢管壁的距离，确定抛丸距离；
③通过抛丸器电机转速，控制抛丸速度；
④调节丸料控制阀，控制进入抛丸器的进砂量，最终确定单位时间抛丸量。
（3）试验并研究上述各参数之间的关系，形成一套相关联的技术研究成果，达到控制钢管除锈等级及表面粗糙度的目的，并最终为智能化控制提供依据。
7、研究成果
根据以上研究内容，超大型压力钢管内外壁自动化抛丸机设备在白鹤滩工程已成功应用。取得成果如下：
（1）超大型压力钢管内、外壁自动化抛丸设备，设计采用6个抛丸器同时对钢管内、外壁进行自动抛丸除锈，工作效率提升3倍以上，极大减少人力资源投入、减低施工人员劳动强度；同时因为工作效率的提升，极大缩短防腐工序周期，有效减少场地占用及提高场地利用率，节约施工成本。
（2）配套丸料自循环系统，优化丸料回收工序，不仅极大减少丸料一次性投入量、提高丸料利用率，同时减少丸料耗损，节约施工成本。
（3）通过采用多种密封装置组合的除尘技术，露天条件下施工密封良好无泄漏，不仅可以减少防腐车间投入，减少对运输台车的占用；同时减少大型除尘设备的投入，降低生产成本，绿色环保。
（4）试验并研究表面清洁度及粗糙度高精度控制技术，通过整理总结的参数控制，机械化操作施工，不仅提高并稳定表面清洁度质量水平，同时对粗糙度做到精细化控制，极大减低质量成本，甚至改变对该关键工序的检测程序。
（5）深度研究钢管表面清洁度、粗糙度与钢管旋转速度、抛丸器与钢管壁的距离、抛丸速度、单位时间抛丸量等参数之间的关系，总结一套成熟的参数控制成果，为该抛丸机后续智能化、程序化改进提供理论基础。
8、结论
白鹤滩超大型压力钢管内、外壁全自动抛丸除锈设备，是首次在国内水电行业金属结构产品上的创新应用。它沿用抛丸除锈方式，在传统工艺上进行全面改良，实现人工操作向机械化、自动化的转型，堪称水电工程压力钢管除锈施工的一场技术革命。它替代了传统压力钢管制作中的防腐车间和钢管运输台车，可有效减少施工用地，减少施工成本投入，且更利于工程结束后的转场和二次利用；可大大提高劳动生产率，降低人工成本。批量生产的数量越大，其经济效益则越突出；该设备不仅有效提高压力钢管防腐施工除锈质量水平，且极大减少资源投入、节能环保，可广泛应用于水电行业或其它行业类似工程，市场应用前景广阔。
参考文献：
【1】（Q／CTG 29—2015）《水工金属结构防腐蚀施工及质量验收规范》。
【2】（SL 105-2007）《水工金属结构防腐蚀规范》【S】。
【3】（DL/T 5358-2006）《水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程》【S】。
作者介绍：
宋慧涛（1985—），男，工程师，二级建造师，在水电七局机电安装分局从事技术管理工作。
孙文（1983—），男，高级工程师，二级建造师，在水电七局机电安装分局主要从事技术管理工作。
李建兵（1978—），男，高级工程师，项目经理，在水电七局机电安装分局从事项目管理工作。
论文作者:宋慧涛,孙文,李建兵
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/22
标签：钢管论文; 抛丸论文; 除锈论文; 压力论文; 喷砂论文; 表面论文; 粗糙度论文; 《防护工程》2018年第4期论文;