海上施工專用管雙端面高效坡口整形機(jī)方案研究

張鋒，趙永強(qiáng)，崔麗芳

（1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000；2.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河北廊坊065000；3.中國石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊065000）

海上施工專用管雙端面高效坡口整形機(jī)方案研究

張鋒1，趙永強(qiáng)2，崔麗芳3

（1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000；2.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河北廊坊065000；3.中國石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊065000）

在海上管道施工中，管端坡口加工是整個(gè)管道施工的重要環(huán)節(jié)，坡口加工的質(zhì)量和速度直接影響到整個(gè)管道施工的質(zhì)量和效率。海上施工專用雙端面高效坡口整形機(jī)采用雙向動(dòng)力、軌道底座一體化設(shè)計(jì)，能與撥管器完美結(jié)合，不但提高了整個(gè)坡口加工的效率和質(zhì)量，同時(shí)縮小了操作區(qū)的占空比，將大大節(jié)約施工成本，加快施工進(jìn)度。文章提出了研究的具體技術(shù)方案及應(yīng)用前景。

海上施工；雙端面坡口整形機(jī)；方案研究

0 引言

在海上管道施工中，管口的加工是整個(gè)管道施工的重要環(huán)節(jié)，坡口的加工質(zhì)量和速度直接影響到整個(gè)管道施工的質(zhì)量和效率。現(xiàn)有加工方式是用兩臺(tái)坡口機(jī)在管的兩端分別進(jìn)行坡口加工，并用吊鏈進(jìn)行操作，生產(chǎn)效率低下，嚴(yán)重影響了整個(gè)施工的進(jìn)程。雙端面坡口技術(shù)及設(shè)備研究將有效地改進(jìn)現(xiàn)有管端坡口方式及工藝流程。經(jīng)檢索，尚未見國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)，包括世界著名的從事管道施工技術(shù)及設(shè)備開發(fā)的美國CRC-EVANS公司、法國DASA公司等開展此項(xiàng)技術(shù)研究的報(bào)道。

本文的海上施工專用雙端面高效坡口整形機(jī)采用雙向動(dòng)力切削盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能同步對(duì)兩端管口同時(shí)加工，生產(chǎn)效率是現(xiàn)有坡口機(jī)的2倍，而且提高了坡口加工質(zhì)量，縮小了操作區(qū)的占空比，節(jié)約了施工成本，特別適合在海上有限空間內(nèi)的作業(yè)。

1 雙端面高效坡口整形機(jī)的結(jié)構(gòu)

雙端面高效坡口整形機(jī)為全位置管道自動(dòng)焊接設(shè)備的配套設(shè)備，主要組成如圖1所示。

圖1 雙端面高效坡口整形機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

在海上管道施工中，雙端面高效坡口機(jī)布置在撥管流水線上，無需占很大的操作空間，并通過全液壓控制雙端面同步進(jìn)行坡口加工。

1.1 主機(jī)頭的結(jié)構(gòu)及原理

雙端面高效坡口整形機(jī)主切削機(jī)頭雖然在結(jié)構(gòu)上與管端坡口整形機(jī)有許多共同點(diǎn)，但在技術(shù)上又有獨(dú)到之處（見圖2）：主切削機(jī)頭不是吊裝的，而是與滑動(dòng)臺(tái)浮動(dòng)聯(lián)接，吊臂主要是為了設(shè)備安裝和吊裝運(yùn)輸，整個(gè)機(jī)頭通過浮動(dòng)滑動(dòng)與軸向連接座實(shí)現(xiàn)軟聯(lián)接。同時(shí)，浮動(dòng)滑臺(tái)布置在軸向拖動(dòng)底座上，并可以通過油缸拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)切削機(jī)頭的軸向快速移動(dòng)，以節(jié)約設(shè)備與管的對(duì)中定位時(shí)間。

圖2 主機(jī)頭結(jié)構(gòu)

（1） 前導(dǎo)向部分和后護(hù)欄部分。這兩部分主要起到保護(hù)及引導(dǎo)的作用。

（2） 脹緊定位部分。通過脹緊定位部分與被加工管的固定，保證切削刀盤與管軸線的垂直度，進(jìn)而保證成型管口的形狀精度和位置精度，為后續(xù)的全位置自動(dòng)焊接提供技術(shù)保障。由于整個(gè)切削機(jī)頭通過主軸箱與滑動(dòng)座浮動(dòng)聯(lián)接，整個(gè)脹緊定位部分是懸臂結(jié)構(gòu)，故脹緊定位的兩排脹靴的跨距盡量小、脹緊定位部分的重量盡量輕，才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的脹緊定位動(dòng)作，并保證加工管端坡口的精度。

（3） 切削刀盤部分。這是整個(gè)坡口加工的主要部分，包括浮動(dòng)仿形刀座、切削刀具、切削護(hù)板等。切削刀盤上均布4～6個(gè)刀座，每個(gè)刀座采用彈簧浮動(dòng)技術(shù)，可以對(duì)管口進(jìn)行仿形加工，以保證加工坡口的精度。多組刀桿組合可加工出各種型式的復(fù)合坡口（U、V、X型）。

（4） 主驅(qū)動(dòng)及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部分。這是切削及連續(xù)切削的主要機(jī)構(gòu)。設(shè)備在海上施工船上應(yīng)用，所選材料、熱處理工藝配備及選用液壓元件必須對(duì)海上施工環(huán)境有高適應(yīng)性——元器件表面耐腐蝕性強(qiáng)、潤(rùn)滑材料要適應(yīng)海洋氣候的特點(diǎn)等。

（5） 主軸箱及后護(hù)欄部分。主軸箱不僅是全部結(jié)構(gòu)的搭建基礎(chǔ)，同時(shí)也是連接浮動(dòng)滑臺(tái)的主部件；后護(hù)欄僅僅起到對(duì)后部的保護(hù)作用。

1.2 浮動(dòng)滑臺(tái)部分的結(jié)構(gòu)

雙端面高效坡口整形機(jī)要實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)軸向移動(dòng)，并快速準(zhǔn)確定位以及對(duì)管口進(jìn)行加工，浮動(dòng)滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。常規(guī)坡口機(jī)脹緊定位都是靠操作手和吊管機(jī)手配合進(jìn)行，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力；而雙端面高效坡口整形機(jī)主軸箱與軸向滑臺(tái)之間通過3組彈簧實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)聯(lián)接（見圖3），在脹緊部分進(jìn)入管內(nèi)后可實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度的調(diào)整，保證定位準(zhǔn)確、快捷，同時(shí)支撐整個(gè)主切削機(jī)頭。

圖3 浮動(dòng)滑臺(tái)部分的結(jié)構(gòu)

3組彈簧分別起不同的作用：前支撐浮動(dòng)彈簧組與主支撐彈簧組承載整個(gè)主機(jī)頭的重量，并起前后平衡的作用；后支撐浮動(dòng)彈簧組適應(yīng)脹緊定位過程中的上下、左右自動(dòng)調(diào)整。滑動(dòng)臺(tái)與軌道底座之間通過軌道實(shí)現(xiàn)軸向滑動(dòng)，并由軸向拖動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)主機(jī)頭的軸向快速移動(dòng)；軸向拖動(dòng)油缸設(shè)計(jì)有壓力傳感系統(tǒng)，能根據(jù)每一個(gè)主機(jī)頭的進(jìn)給位置自動(dòng)移動(dòng)或停止，從而實(shí)現(xiàn)全液壓自動(dòng)控制。

1.3 軌道底座的結(jié)構(gòu)

軌道底座不僅是滑動(dòng)臺(tái)的導(dǎo)向載體，同時(shí)也是整套設(shè)備的支撐基礎(chǔ)。它由兩平行的導(dǎo)軌體及雙向拖動(dòng)油缸組成，既承載雙切削主機(jī)頭的重量，又拖動(dòng)滑動(dòng)臺(tái)沿導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，滿足切削機(jī)頭的快速移動(dòng)（見圖4）。

圖4 軌道底座的結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)臺(tái)和油缸聯(lián)接的端面設(shè)計(jì)有壓力傳感器，當(dāng)切削大盤上的浮動(dòng)滾輪接觸管口時(shí)，拖動(dòng)油缸壓力迅速升高，壓力傳感器將壓力信號(hào)傳輸?shù)綁毫刂崎y，切斷拖動(dòng)油缸的油路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)及快速定位。拖動(dòng)油缸啟動(dòng)、停止以及工作中的速度可預(yù)先設(shè)定（根據(jù)實(shí)際情況），以匹配整個(gè)操作過程的設(shè)定，滿足操作要求。

在海上管道施工中，軌道底座可與撥管流水線完美融合在一起，大大降低了占空比。所以，軌道底座必須是高精度可裝拆式的，這是設(shè)計(jì)中應(yīng)著重注意的技術(shù)關(guān)鍵。

1.4 液壓控制系統(tǒng)的工作原理

液壓控制系統(tǒng)控制滑動(dòng)臺(tái)的快速進(jìn)退、脹緊定位、切削盤的快進(jìn)快退、切削盤的主切削旋轉(zhuǎn)以及工作過程中的刀盤進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于施工船上電力充足，可采用380 V電機(jī)帶動(dòng)液壓泵；控制閥可集中設(shè)計(jì)在落地的箱體內(nèi)，盡量減輕主機(jī)頭的重量。液壓控制系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

圖5 液壓控制系統(tǒng)工作原理示意

為了保證雙端面坡口機(jī)的高度同步動(dòng)作并降低設(shè)備成本，雙機(jī)頭可采用同一個(gè)液壓站進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要考慮到兩端機(jī)械阻尼的差異，進(jìn)而選擇流量、壓力精細(xì)可調(diào)的控制閥進(jìn)行控制，才能達(dá)到良好的使用效果。由于在海洋施工船上應(yīng)用，所有液壓元件及系統(tǒng)組成都要高度適應(yīng)海洋環(huán)境。

2 海上施工專用雙端面高效坡口整形機(jī)的應(yīng)用展望

海上施工專用雙端面高效坡口整形機(jī)技術(shù)研究將進(jìn)一步革新管端坡口加工技術(shù)。若此成果能在海上管道施工中得到推廣應(yīng)用，可以大幅提高管端坡口加工效率，降低施工成本，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

另外，該技術(shù)也可應(yīng)用于陸上管道施工中。陸上管道施工時(shí)，管端坡口是在施工現(xiàn)場(chǎng)加工，不但設(shè)備投入量大，而且效率低，速度慢。若采用雙端面高效坡口整形機(jī)，可以將整條管道的管材集中堆放，進(jìn)行快速加工，然后運(yùn)至各施工工地。這種技術(shù)方案不但環(huán)保，而且生產(chǎn)效率要比原有施工方案大大提高。同時(shí)，可改變現(xiàn)有吊管機(jī)配合坡口機(jī)的施工方法，每個(gè)機(jī)組就可少配備一臺(tái)吊管機(jī)，一個(gè)工程項(xiàng)目就可節(jié)省幾千萬元的設(shè)備資金。

[1] 張鋒.大口徑管道管端坡口整形機(jī)［J］.石油工程建設(shè)，2002，（3）：49-51.

Abstract：In offshore pipeline construction,the bevel cutting of pipe-ends is a very important process.It’s quality and speed influence the quality and speed of whole pipeline construction.The highly efficient dual end facing machine used for offshore pipeline construction adopts bidirectional driving power and integrated track bottom design to combine it with pipe pusher perfectly.The dual-end facing machine not only raises quality and speed of cutting,but also economizes room,declines construction cost and speeds up construction progress.The concrete technical scheme of the dual-end facing machine and its application prospect are put forward in this paper.

Key words:offshore construction;dual-end facing machine;scheme research

（65）Scheme Research of Dual-end Facing Machine Used for Offshore Pipeline Construction

ZHANG Feng（CNPC Pipeline Research Institute,Langfang 065000,China）,ZHAO Yong-qiang,CUI Lifang

TE973.3

A

1001－2206（2011）01－0065－03

張鋒（1970-），男，山東諸城人，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于華北電力大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)，現(xiàn)從事管道施工裝備研究。

2010-03-22；

2010-12-06