可变尺寸管道外壁除锈装置研究

时间：2024-07-28

王帅余金煌

（安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230601）

1 研究现状

管道输送以其独特的技术和经济优势，在能源、燃料、市政、化工等领域发挥着重要的作用。随着石油化工行业的发展，输油管、输气管、供排水管及污水回注管等对于金属管道的需求量日益增长。金属管道在安装使用前都会进行除锈上漆处理，防止其内外表面被腐蚀。但在固定安装使用后，由于长期暴露于日晒雨淋等环境，管道外表面的防护漆易脱落，进而出现腐蚀。金属管道的腐蚀常常会引起灾难性的后果，如导致火灾、泄漏和环境污染等，并造成巨大经济损失。因此，输送管道外表面腐蚀生锈后，需要及时进行清理并涂刷保护漆，防止进一步腐蚀。目前，对于金属管道外表面除锈装置的研究，主要集中于管道安装前的除锈研究。

王春霞利用化学除锈剂，有效溶解了钢铁制品表面的铁锈[1]。王银炯等人从船舶智能化除锈装置的设计要求出发，利用高温高压预处理和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）智能化操作相结合的方案，设计了一种船舶智能除锈装置[2]。程智勇等人采用脉冲激光除锈技术使材料本体表面升温，以达到除锈的目的[3]。苏宇等人利用现有设备设施，设计研发了一种遥控式智能高架车，实现了超高压水除锈自动化作业[4]。陈应明提出在钢铁表面进行喷砂除锈，即运用一定规格尺寸的磨料，在一定的空气压力下喷射到钢铁表面，利用磨料本身的硬度、冲击韧性和棱角去除钢铁表面的铁锈[5]。朱甲兵研究设计了一种自适应钢管外表面除锈装置，通过调节剖分式筒形刷结构，自适应钢管外径变化进行除锈[6]。李奇文等人提出了一种钢管外表面在线除锈方法，先淋湿钢管，然后通过除锈机的两组毛刷相对钢管旋转方向反向旋转清除钢管表面的铁锈，再通过高压水冲洗附着的铁泥，最后用压缩空气干燥钢管[7]。杨鑫伟等人提出一种钢管外表面除锈系统，包括输送装置和除锈装置，通过输送装置将钢管移动到除锈装置，再使用除锈轮对钢管外表面进行除锈[8]。目前，常用的大型钢管除锈机采用抛喷丸的方式对钢管内外表面进行除锈。这些除锈装置均为固定安装，将待除锈的钢管放置或运送到除锈装置内进行除锈作业，无法应用于已经安装使用后外表面再次生锈的金属管道。

针对已安装在生产线上的输送管道，普遍采用的除锈方法是人工除锈。该方式除锈操作灵活，但劳动强度大，环境污染严重，对于高空悬置的输送管道还需要配合升降车才能进行除锈。何小琳等人研究提出一种爬行式钢管外表面打磨器，通过3 个等角度安装的钢丝轮打磨头往复旋转运动进行打磨，并根据仿生学原理，通过丝杠螺母配合电磁铁模拟尺蠖的爬行进给[9]。但钢丝轮打磨头易损坏，而且来回往复运动、急停急启对电机的损耗较大，除锈效率不高。

针对以上除锈难题，设计了一种管道除锈装置，其不仅能够打磨管道表面，去除表面的锈迹，降低粗糙度，防止因生锈影响管道质量，而且适用于不同尺寸的管道，实现了自动操作，保证了管道的除锈质量，节约了工程造价。

2 总体设计及工作原理

设计的金属管道外壁除锈装置具有体积小、费用低、除锈效果好和易于使用等优点，主要由上移动座、下移动座、轴向丝杆、联轴器、步进电机、径向丝杠、移位转盘以及砂轮机等组成。该装置的整体结构如图1 所示，部分结构如图2 所示，技术参数如表1 所示。

表1 技术参数

图1 除锈装置整体结构

图2 除锈装置部分结构

从左机架的置管孔中插入生锈钢管，并通过三爪卡盘和从动三爪卡盘，使用扳手旋紧扳手孔，使3 个卡爪进行向心运动并均匀夹紧生锈钢管。根据钢管直径的不同，通过移位转盘调整上移动座沿径向丝杠的前后运动，进而调整砂轮机相对生锈钢管的径向距离。调整完毕后，砂轮机应靠近生锈钢管但不与其接触。首先，打开电机箱开关，三爪卡盘带动钢管一起转动。其次，打开砂轮机开关，砂轮机开始转动。调整移位转盘使上移动座向前运动，进而使砂轮机与钢管接触。最后，打开步进电机开关，使中移动座沿轴向丝杠左右往复旋转运动，完成除锈作业。

本装置使用砂轮打磨的方法进行除锈，工作原理如下。砂轮高速旋转的同时，砂轮机在中移动座的轴向运动带动下，通过轴向传动丝杠的传动作用沿钢管进行轴向往复运动，且钢管本身在三爪卡盘的带动下不断旋转，从而实现整个钢管外表面的完全除锈。砂轮基座上的纵向丝杠可以调整砂轮和钢管的距离，同时三爪卡盘和从动三爪卡盘可通过卡爪调整直径大小，从而适应不同管径钢管的除锈作业。该装置整体操作简便，除锈效果好。

3 工程部件设计

3.1 往复机构设计

往复运动从形式上可分为往复直线运动、往复摆动、往复曲线运动和往复复杂运动等，其中往复直线运动最常见，应用也最广泛。实现往复运动的常见机构有凸轮机构、曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构等，本设计利用凸轮机构原理使打磨器在移动座中沿管道做往复直线运动，实现过程如下。基座顶端固定安装下移动座，下移动座的中间固定安装轴向丝杠。联轴器套接在轴向丝杆的左端，步进电机固定在联轴器的左端。径向丝杠穿过上移动座的中间位置后，固定安装移位转盘。移位转盘上安装转柄，通过转动转柄可控制砂轮机在前后方向移动。轴向丝杠通过联轴器与步进电机相连，步进电机在程序控制下不断改变转动方向，实现中移动座的固定往复运动，从而使砂轮机在左右方向移动。

3.2 旋转机构设计

常见的旋转机构有螺旋式旋转机构、凸轮式旋转机构和曲柄式旋转机构。本设计采用的凸轮式旋转机构是由凸轮、从动件和机架3 个基本构件组成的高副机构，通过凸轮的回转运动推动从动件进行往复摆动。设计的三爪卡盘、右机座、左机架以及从动三爪卡盘在同一轴线上。基座底端开设支脚结构，基座中间开设5 个减重槽。电机箱中的电机控制三爪卡盘的主动转动，三爪卡盘夹紧钢管，实现钢管的转动。

3.3 三爪卡盘设计

三爪卡盘又称三爪自定义卡盘，由卡盘、卡爪和油槽等组成，如图3 所示。卡盘按驱动卡爪的动力不同，可分为手动卡盘和动力卡盘两种。其工作原理是利用卡盘扳手转动圆周上3 个伞齿中的任意一个，带动平面螺纹转动，从而带动3 个卡爪一齐移动，起到自定义装夹工作的作用。卡盘顶端开设有油槽，主要作用是引导润滑油。卡盘侧面开设有扳手孔，右端安装有右机座，内部安装有3 个卡爪。卡爪内端面开设有固定槽，作用是防止卡爪表面粗糙度差导致无法夹紧钢管。卡爪在卡盘的内部槽中沿径向运动，且两两之间的夹角为120°。

图3 三爪卡盘示意图

4 可变尺寸管道外壁除锈装置的特点及应用优势

可变尺寸管道外壁除锈装置的除锈特点如下。第一，可调尺寸。可变尺寸管道外壁除锈装置通常可调节尺寸，能够适应不同直径和长度的管道。第二，多功能性。除了除锈，该装置还具备其他功能，如清除污垢、涂层、油漆等，应用范围较广，在工业维护和修复中更具实用性。第三，自动化与操作简便。该装置具有自动化的功能，如自动控制除锈过程、调整装置尺寸等，而且其操作相对简便，降低了操作人员的工作强度。第四，环保性。部分设计采用环保的除锈方式，如水射流除锈技术等，减少了对环境的污染。第五，安全性。设备配备了一些安全保护措施，以确保操作人员在使用过程中的安全，如防护罩、紧急停止按钮等。

该装置具有4 点应用优势。第一，彻底除锈。可变尺寸管道外壁除锈装置能够有效去除管道外壁的锈蚀，恢复管道的表面质量，有助于延长管道的使用寿命。第二，表面净化。除锈过程会连带去除管道外壁的污垢、油漆、涂层等，使管道表面得以净化，为后续工作（如防腐涂层施工）奠定良好基础。第三，提高效率。使用可变尺寸管道外壁除锈装置可以实现自动化或半自动化的除锈过程，从而提高除锈效率，节省时间和人力成本。第四，改善管道流通。去除锈蚀和污垢可以恢复管道的内部光滑度，有助于改善流体的流通能力，降低流体输送阻力。

5 对比试验

通过管道穿越项目的现场试验，对外壁锈蚀较严重的200 根不同管径的管道进行不同方式的除锈。本次采用的除锈方法有可变尺寸管道外壁除锈装置除锈、化学除锈和激光除锈等，如图4 所示。

图4 生锈管道及不同方式除锈效果

从图4 可知，3 种除锈方式均能够达到较好的除锈效果。但在试验过程中，化学除锈和激光除锈都存在环境、成本和人员操作等方面的问题。

化学除锈涉及化学溶剂或酸碱溶液的使用，这些物质可能对环境造成污染，特别是在处理废液时需要注意环境保护和处理要求。操作人员在使用化学物质进行除锈时可能面临健康风险，如吸入有害气体、接触腐蚀性物质等，需要采取适当的防护措施。化学除锈可能对管道材料造成损伤，尤其是对金属管道，过度使用强酸碱溶液可能导致管道金属表面腐蚀，影响管道的强度和耐久性。处理化学除锈过程中产生的废液可能含有有害物质，需要进行专门的处理，增加了废液处理的难度和成本。进行化学除锈还需要一定的技术和操作经验，操作人员需要具备相关知识和技能，以确保安全和有效性。

激光除锈涉及复杂的设备和高精度的技术要求，可能导致除锈过程的成本较高。激光技术需要大量的能源供应，特别是对于高功率的激光系统来说，能源消耗很大。激光技术涉及高能量光束，操作人员需要经过严格的安全培训，做好安全防护，以防止激光辐射对人员和环境造成损害。激光辐射可能导致管道金属表面产生热应力，从而使金属脆化或变形，影响管道的强度和耐久性。激光技术还可能产生有害气体或废物，需要进行适当的处理和处置，以减少对环境的影响。

综上所述，采用可变尺寸管道外壁除锈装置除锈方法既可以减少环境污染、时间消耗以及成本支出，而且相对于激光以及化学除锈方法，对工作人员的技术要求较低，减少了很多潜在的危险。