大直徑鋼管對中裝置的研制

喬鵬飛，岳 斌，朱昊天

（1.中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

1 引言

輸送管道在現代世界里的應用無處不在，如市政排水建設、電力通信、燃氣燃油輸送以及居民日常用水的輸送都會使用管道來達到輸送目的。雖然各種輸送管道的使用在很大程度上簡化了物料輸送的難度，但是不可避免的一個現實問題就是輸送管道在安裝過程中不可能是一個完整的個體。因此施工現場使用多條分段輸送管道拼接的方案解決管道安裝應用的問題。傳統管道對接的大部分關鍵工作都是由人工來完成的，傳統做法不僅會耗費大量的人力物力，而且還會不可避免地產生由人工操作帶來的鋼管對接誤差，這些對接誤差會對后期的調整過程造成麻煩。因此，制造出一種能夠代替人工進行精確管道對中操作的管道對中裝置是非常有必要的。

國外生產的管道對接裝置類型包括鏈式外對口器、手動杠桿式與弓形液壓外對口器、氣動內對口器等，其中以Junction tool 公司為代表研制的鏈式外對口器采用片式起重鏈代替傳統對口器的剛性環結構，鏈式結構的應用不僅減輕了整體裝置的重量，還增加了裝置的靈活性，但是鏈式結構的使用也使得裝置的制造成本增加且鏈式結構易磨損。以Mathey 公司為代表生產的手動杠桿式外對口器，其夾緊功能由杠桿和凸輪配合實現，裝置操作簡單，管道對接精度相對較高，且裝置具有自鎖功能，但是其同一型號的對口器只適用于一種管徑尺寸的對接，這就使得此裝置的使用場景大大受限，不能夠根據現場的施工需求進行及時的調整。以ORC 公司為代表研制的氣動內對口器，其整體裝置由滑輪行走裝置、擴張導向裝置、擴張對接裝置以及裝置操作系統組成，在保證管口對接精度的基礎上增加了裝置的可操作性，但是此裝置的結構組成較為復雜，增加了裝置后期的維護成本，且此裝置對工作環境要求較高。

孟慶鑫，弓海霞等在對國外對口器的先進技術的研究基礎上，針對不同管道，從結構、可靠性等因素出發開發出一種采用鏈式外對口方式的管道對中裝置，裝置采用液壓驅動，其優點是對口力大、操作簡單且抗腐蝕。劉文川，石凱等結合中國油氣長輸管道現場施工中對口器及對口方法的應用狀況，針對不同施工情況下的管道對接，對管道對口器的選擇提出了指導性意見。李崇冰設計了一種新型的簡易外對口器，裝置不受管徑大小以及施工環境的影響且操作簡易。

基于上述原因，根據滇中引水工程實際需要，研制了一種適用于大口徑的管道外對口器裝置，相比以往傳統的管道對中裝置，該裝置結構簡單、體積小質量輕、操作簡單。可以做到一個裝置解決不同口徑管道快速對接的問題，且適用于野外和室內的施工環境。

2 鋼管對中裝置結構

2.1 裝置機械部分

大口徑輸水管道對中裝置機械結構主要由3部分組成，分別是基礎滑臺部分、電機驅動裝置、管道承托部分（管道升降機構），其中基礎滑臺部分是由水平滑軌和兩個滑塊組成，電力驅動部分是由伺服電機、減速器以及聯軸器組成，管道承托部分是由設備支撐頂升座、管道支撐板組成；其中基礎滑臺部分中的兩個滑塊可以帶動管道承托部分來間接地左右移動管道，進而調節待對接管道在水平方向上的角度誤差；電機驅動部分通過伺服電機、減速器和聯軸器來驅動移動絲杠進而移動絲杠帶動移動滑塊在水平滑軌上左右移動；管道承托部分與待對中地的管道直接接觸，其中管道承托部分的管道支撐板的形狀為契合管道形狀的圓弧形，保證在移動的過程中管道不發生晃動。

2.2 裝置控制系統

大口徑輸水管道對中裝置的控制系統采用PLC 為主控元件，裝置的控制方式為無線遙控控制。裝置的控制系統主要由無線信號發射器、無線信號接收器、PLC控制單元、線路分輸模塊這幾部分構成。其中無線信號接收器和PLC 控制單元由單獨的供電單元進行供電。無線信號發射器由電池進行供電，無線信號發射器的控制面板上包括管道承托部分獨立升降、基礎滑臺部分滑塊同向移動等功能按鈕；通過操作相應功能的按鈕發出相應的動作指令，無線信號接收器接收動作指令并將指令傳送到PLC控制單元；PLC控制單元將處理過后的指令信息通過線路分輸模塊傳送給相應的機械執行結構，最后由相應的機械結構完成目標動作執行。

3鋼管對中裝置工作過程

3.1 工作原理

裝置整體的工作原理如圖1所示。

圖1 管道對中裝置工作原理圖

如圖1所示，操作人員只需在無線信號發射器控制面板選擇按壓相應功能的按鈕，然后控制信號被無線信號接收器接收，PLC 控制單元對控制信號進行識別與處理：如果控制信號內容是左右移動滑塊調節水平距離，則經PLC處理過后的相應的控制信息會通過線路分輸模塊傳送到相應的執行機構即電機驅動裝置；若控制信號內容是升降管道高度，則經PLC 處理過后的控制信息會通過線路分輸裝置傳送到管道升降機構來完成最終的管道高度調整。此外該管道對中裝置在施工過程中需成對使用，兩管道對中裝置分別放置于待對中管道的兩端。

3.2 工作過程

在管道對中裝置使用前，需要先使用吊升裝置將待對中的管道放置到實現準備好的基準位置，若此時待對中的管道與前一個固定好的管道僅有水平方向上的距離偏差，通過無線信號發射器控制面板上的控制移動滑塊的功能按鈕控制電機驅動裝置帶動移動絲杠，進而移動兩端的左右移動滑塊帶動設備支撐頂升座左右移動鋼管，使兩管道對中；若待對中管道與前一個已固定管道存在豎直方向上的角度偏差，則通過無線信號發射器控制面板上的控制管道承托部分的功能按鈕控制位于滑塊內部的液壓千斤頂升降，液壓千斤頂的升降帶動管道承托部分的設備支撐頂升座同步升降，進而達到調整兩管道在豎直方向上角度偏差的目的；通過以上兩種調節方式的組合使用可以實現待對中管道多角度調整，而且在配套的控制系統的加持下使得大口徑輸水管道對中作業可以達到穩準的效果。

4 鋼管對中裝置特點

研制的鋼管對中裝置具有以下特點：①裝置控制系統中的無線遙控控制系統可精準控制滑塊進行水平方向上的左右移動距離，也可精準控制管道承托部分獨立或者同步升降的高度。②裝置機械結構組成簡單、體積小重量輕，易于裝置的拆卸和組裝，有利于裝置后期的維護維修。（3）裝置的機械結構外表面采用了防腐蝕材料噴涂處理，防腐蝕能力強、結構耐用，既適用于野外施工環境也適用于室內空間較小的施工環境。④裝置制造成本低，相比傳統管道對中裝置可節省30%的制造成本。

5 結語

新型大口徑輸水管道對中裝置，裝置操作簡單方便，不受管徑以及施工地理環境的限制，解決了因施工地理環境條件帶來的施工效率低的問題，以及解決了由于人工操作帶來的施工誤差大的問題。此裝置適用于野外或者場地內大口徑輸水管道的對接以及輸水管道的維修工作。