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基于组合法的管道防腐胶带缠绕机的创新设计与应用

发布时间:2022-07-17 13:49:25 来源:华体会官网登录系统 作者:华体会官网进入

内容简介:  (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)  摘要:针对伊拉克某油田所面临的现场施工设备采购难、施工设备简陋等问题,基于组合法创新设计原理,  就地取材,研制了 一种结构紧凑、操作便捷、缠绕质量佳的新型管道防腐胶带缠绕机。提出的由低速电动套  丝机带动管道旋转做主运动的新型缠绕方式,改善了传统缠绕机悬挂于管道外壁螺旋前进带来的胶带贴合  不一致、缠绕质量不佳等问题。现场应用表明:该设备能有效解决现场施工效率低,工人劳动强度大等问题。  收稿日期:202...
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  (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)

  摘要:针对伊拉克某油田所面临的现场施工设备采购难、施工设备简陋等问题,基于组合法创新设计原理,

  就地取材,研制了 一种结构紧凑、操作便捷、缠绕质量佳的新型管道防腐胶带缠绕机。提出的由低速电动套

  丝机带动管道旋转做主运动的新型缠绕方式,改善了传统缠绕机悬挂于管道外壁螺旋前进带来的胶带贴合

  不一致、缠绕质量不佳等问题。现场应用表明:该设备能有效解决现场施工效率低,工人劳动强度大等问题。

  收稿日期:2020 -12 -10 基金项目:2019四川广播电视大学重点科研项目(KTGCJS2019001Z) ;2020四川广播电视大学重点教改项目(XMKYC2020005Z)。 作者简介:唐胜菊(1985—),女,四川江油人,讲师,工学硕士,研究方向为计算机辅助机械制造。

  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]90o

  (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M4 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。

  动力机构 K 传动机构 ? 行走机构 (低速电动机)7同轴传动工具)=(匀速小车)

  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。

  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⑷。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。

  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。

  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L5J48,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⑴49。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 0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。

  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°时,胶带缠绕效果最佳L 5J49。 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z,假设缠绕机的转速为y,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

  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。

  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。