管道頂管套管填充裝置的研制

魏瑄， 王利群， 王巍， 陳元， 吳寅虎， 張世偉

（中國石油天然氣管道第二工程有限公司，江蘇徐州221008）

0 引 言

輸油管道大多要穿越河流、公路、平原、沙漠、山區、山嶺、沼澤等復雜地形,穿越處作業空間狹小，使得在管道鋪設完成后填充困難，且采用傳統的“空壓機+橡膠管吹沙”的填充方式已無法滿足施工質量，而且效率低。由于管道溝渠未被填充或通風不良，有可能存在由于其他原因引起的局部區域石油氣富集，為以后的管道安全留有安全隱患。依據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》，在隧道穿越或者頂管穿越后應回填，必須壓實或夯實，防止沉降危害管道，因此本文提出了研制快速、高效、高質的填充設備——管道頂管套管填充裝置[1-3]。

1 管道頂管套管填充工藝和原理

1.1 填充工藝

將細沙置入管道頂管套管填充裝置料斗，由空壓機提供的壓縮空氣裹攜物料經過管道頂管套管填充裝置的輸料管送到噴頭處，在氣壓作用下將細沙填充到受噴面上。這種填充方式具有輸送距離長、工作風壓低、噴頭脈沖小、工藝設備簡單、填充效果好、適應性強等特點，如圖1所示。

圖1 填充工藝

1.2 工作原理

干式噴射機是把拌和好的管道填充物料供入噴射機料斗中，由撥料軸撥動填充物料進入轉子的料腔中，填充物料旋轉到出料口處時，一路壓縮空氣通過氣路系統把物料吹至出料口。另一路壓縮空氣進入旋流器，將填充物料加速并吹散，使得填充物料帶壓力到達填埋位置[4-7]。輸送填充物料用管預先固定在主管上，行走系統驅動整個裝置到達指定位置后，由噴射系統開始充砂，使得填充位置的填充密實。主要技術參數如表1所示。

2 詳細設計

管道頂管套管填充裝置由驅動傳動裝置、轉子總成、氣路系統、填充系統等部分組成。詳細結構如圖2所示。

圖2 管道頂管套管填充裝置結構圖

2.1 驅動傳動裝置

驅動傳動裝置由電動機及減速器構成。由電動機提供驅動力，按照3倍的安全系數進行選擇，功率 為 2.2 kW。減速器通過三級齒輪進行減速，減速比約為87。減速器位于裝置下部，采用豎直安裝的方式與電動機聯接，且與轉子軸向平行。

2.2 傳動轉子總成

在填充作業中，喂料轉子的轉速過快，會增加喂料難度，導致撥料不均勻，且對撥料器的力學強度要求增大；而轉速過小，在保持一定生產率的條件下，料腔孔截面積和料腔高度就需要增大，會浪費材料，以保證足夠大的填充量，同時不會給扇系形膠板造成太大的磨損，脈沖也小。

表1 管道頂管套管填充裝置的主要技術參數

喂料轉子的料腔數決定平面面積利用率，同時還影響噴料的連續程度。根據收集到的設備資料以及從轉子幾何尺寸、材料的力學強度等方面考慮，確定喂量轉子的直徑并在圓周的適當位置上均布10個直通型料腔。

2.3 氣路系統

管道頂管套管填充裝置氣路主要有主氣路、轉子氣路、旋流器氣路，分別由3個氣閥控制。氣路分配裝置是控制氣路走向的關鍵部件，由氣閥、管路及其附件組成。氣路中設有一個壓力表，以便監測輸送填充物料的工作壓力。

2.4 旋流器

旋流器是管道頂管套管填充裝置系統的關鍵部件之一。在旋流器內，通過轉子進入的砂子在此進行二次充氣吹散懸浮，使得砂子在管道內的流動性更好。

2.5 管道頂管套管填充裝置收放管路系統

在現場施工中，噴沙管在20～100 m之間，質量大，體積大，人工收放困難。管道頂管套管填充裝置管路收放系統通過電動機驅動滾筒完成對管路的收放作業。管路收放系統設計為鏈傳動結構。

2.6 行走系統

行走系統包括轉向系統、車架、車架箱體等。在設計時考慮車架強度、填充裝備、收放管裝備及電器的空間和位置。車架箱體是車輛的覆蓋件，是車輛功能和外形美觀的重要組成部分。車架上安裝了手剎制動裝置。

2.7 電氣系統

電氣系統控電柜具有防雨水結構，內部設有漏電保護器，面板設有控制管路收放的正反轉按鈕和急停開關。為實現填充驅動電動機速度的控制，系統加裝了德力西生產的變頻器。由于電動機功率為5.5 kW，變頻器功率按照功率匹配也應該選擇5.5 kW，但為防止過載等原因，選擇7.5 kW變頻器。

3 設計計算

管道頂管套管填充裝置填充系統需要噴砂管路。初步設計管路最大長度為100 m。

根據噴砂要求，選用的管子內徑為32 mm，外徑為48 mm，每米管子質量約為1 kg。通過和廠家交流，管子的最小彎曲半徑為200 mm。其他設計相關參數如表2所示。

表2 設計相關參數

3.1 滾筒有效總寬度

管子總質量m41=100 m×1 kg/m=100 kg；假設滾筒外徑d40=400 mm，每層布管圈數n41=8，則滾筒有效寬度最小為W41=8×48 mm=383 mm；實際纏繞時，每圈之間有一定空隙，設為3 mm，則總空隙W41=8×3 mm=24 mm。所以總的滾筒有效寬度W43=W41+W42=408 mm，圓整為410 mm。

3.2 滾筒擋圈最大直徑

第一層管路中徑d41=d40+48 mm=448 mm，管路外徑D41=d41+48 mm=496 mm;第二層管路中徑d42=d41+96 mm=554 mm，……，d4i=d4i－1+96 mm。層數及累計管路長度相關參數如表3所示。

表3 層數及累計管路長度相關參數 m

根據表3的數據可以確定，當層數為6時，管路總長度為103.98 m,即可滿足要求100 m的設計值，滾筒擋圈最大直徑選擇d46=950 mm即可。

3.3 滾筒轉矩

滾筒需要的轉矩在內圈時最大轉矩按照提升來計算：滾筒需要的轉矩在外圈時最大轉矩按照提升來計算：

3.4 電動機選型計算

為了增大轉矩，選擇減速機的速比為i41=87;電動機轉速為n42=1450 r/min。則減速機輸出轉速為n43=n42/i41=1450÷87=16.67 r/min; 管路最低速度為v41=πd40n43=3.14×0.4×16.67=20.94 m/min;管路最高速度為v46=πd46n43=3.14×0.95×16.67=49.75 m/min; 電動機最大功率為W41=2πM41n43/60=2×3.14×465.8×16.67÷60=0.81 kW。系統選擇比較小的2.2 kW電動機，安全系數為3。

4 試 驗

2019年10月23日，項目組在組裝車間進行了一次砂子填充填充試驗。通過對中等河砂進行40 m管路試驗，頂管套管填充裝置在氣壓為0.4 MPa、吹砂量為3 m3，用時大約50 min，在40 m管路末端，吹出的流動的河砂強勁有力。經過測試，裝置各項技術參數都符合設計需求，試驗數據如表4所示。

5 結 論

該裝置在公司承擔的多個穿越項目工程中的應用標明，與傳統的“空壓機+橡膠管吹砂”的填充方式相比，作業機械化程度高，可極大地降低人員的勞動強度，有效避免了填充質量不符合設計要求而返工的現象，保證了填充的質量及效率，得到了現場監理及業主的好評。

表4 噴砂試驗數據

同時，該裝置的成功研制將在管道穿越填充設備方面形成的關鍵裝備及配套技術，為提升管道建設施工技術水平和提高企業經濟效益都有很好的促進作用，具有良好的應用前景。