新型深水管道切管機設(shè)計與樣機試驗*

郭士清 王立權(quán) 弓海霞 尚憲朝

(1. 哈爾濱工程大學(xué)機電學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2. 佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院 黑龍江佳木斯 154007；3. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

新型深水管道切管機設(shè)計與樣機試驗*

郭士清1，2王立權(quán)1弓海霞1尚憲朝3

(1. 哈爾濱工程大學(xué)機電學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2. 佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院 黑龍江佳木斯 154007；3. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

針對深水X70級管道維修時管道切斷與倒角機具二次定位困難、作業(yè)效率低的問題，提出了“一次”裝夾，即可完成管道切斷、倒角作業(yè)的新型深水管道切管機設(shè)計方案。該機具采用立銑方法完成切斷管道、外倒角作業(yè)，采用波紋刃鉆銑鍯復(fù)合刀具，解決了切斷深水X70級管道時夾刀的技術(shù)難題；采用拱孔式雙搖桿自定心管道夾緊裝置設(shè)計方案，解決了作業(yè)時機具旋轉(zhuǎn)刀盤與管道軸線偏心的技術(shù)難題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了自動補償海水壓力的液壓系統(tǒng)，完成了樣機的研制與陸上作業(yè)性能試驗。結(jié)果表明該機具能夠?qū)崿F(xiàn)“一次”裝夾，可以滿足切割深水X70級高強度管道時不夾刀、切管時間短、倒角均勻的作業(yè)要求，從而為工程樣機的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對實現(xiàn)深水管道維修作業(yè)機具的國產(chǎn)化具有重要意義。

深水管道維修；切管機；切斷；倒角；自定心夾緊裝置；壓力補償；樣機試驗

深水海底管道由海洋工程專用X70級鋼板卷管焊接而成，鋼材的屈服強度502 MPa、抗拉強度644 MPa、延伸率55.5%、沖擊功274 J，廣泛采用直徑304.8～609.6 mm、壁厚12.7～31.8 mm的單層管道，管道外有防腐層、保溫層、混凝土配重層[1-3]。深水海底管道位于深水區(qū)域，海水壓力大，海上提管維修及干式艙水下維修等淺水維修技術(shù)及裝備無法應(yīng)用，須采用水下機器人(ROV)操控自動機具完成維修作業(yè)。深水海底管道維修須動用大型支撐船、ROV、提管裝備及深水管道維修作業(yè)機具等，維修成本高昂[4]。目前，國外深水破損管道修復(fù)廣泛采用水下無潛機械連接技術(shù)[5]、深水焊接技術(shù)[6]，須去除管道混凝土層、保溫層,需要混凝土去除機具、管道切斷與管端倒角等多種機具配合作業(yè)[7-9]。而國外深水失效管道維修廣泛采用磨削原理切斷管道[10-11]，作業(yè)機具為Waches或Statoil公司的深水金剛石繩鋸機，刀具為金剛石串珠繩；或采用鋸割原理切斷管道，作業(yè)機具為Waches公司的深水閘刀鋸，刀具為專用鋸條。由于深水X70級管道材料強度大、塑性好、韌性高、管壁厚，采用這2種機具對其進行切割作業(yè)時存在如下問題：

1) 刀具磨損嚴重，須多次換刀[12]，導(dǎo)致維修過程中須多次吊放機具；

2) 管道切口小，切口處夾緊力大，易夾刀，無法塞入楔塊，嚴重時無法進行切割；

3) 深水環(huán)境下ROV操控機具二次定位困難，降低了作業(yè)效率，增加了維修成本。

另外，深水管道倒角機具是在淺水分瓣式坡口機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用車削技術(shù)，深水環(huán)境下ROV操控機具定位到待作業(yè)管端須耗費大量時間。

目前國內(nèi)不具備修復(fù)深水失效管道的機具與技術(shù)。隨著南海荔灣3-1深水氣田的投產(chǎn)，亟需研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、作業(yè)穩(wěn)定、效率高的深水管道維修作業(yè)機具。本文通過分析現(xiàn)有管道切斷機具與倒角機具在維修深水X70級管道作業(yè)時所遇困難，提出了一種“一次”裝夾，即可完成管道切斷、倒角作業(yè)的新型深水管道切管機方案，完成了機具本體結(jié)構(gòu)及自適應(yīng)海水壓力的液壓系統(tǒng)設(shè)計，并進行了樣機陸上作業(yè)性能試驗，從而為工程樣機的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對實現(xiàn)深水管道維修作業(yè)機具的國產(chǎn)化具有重大意義。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的“一次”裝夾即可完成對深水單層管道內(nèi)層鋼管切斷及外倒角作業(yè)的維修機具適用作業(yè)水深500～1 500 m，管徑范圍304.8～457.2 mm，壁厚12.7～19.5 mm,主要由機械本體結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、浮力材料等組成,其中機械本體結(jié)構(gòu)主要由機架、夾緊裝置、“C”形旋轉(zhuǎn)刀盤、切斷動力頭、ROV對接裝置組成，如圖1所示。機架的桁架結(jié)構(gòu)采用高強度鋁合金板與空心鋼管構(gòu)成，減小了機具所受的水阻力及機具質(zhì)量。前后夾緊裝置鉸接在機架上，用于將機具裝夾在固定于托管架上的海底管道上。切斷動力頭安裝在“C”形旋轉(zhuǎn)刀盤上，作業(yè)刀具采用專用波紋刃鉆銑锪復(fù)合刀，解決了切斷深水X70級管道時切管夾刀的技術(shù)難題，簡化了作業(yè)工序。動力頭實現(xiàn)刀具的自轉(zhuǎn)及徑向進給，刀盤繞管道軸線周向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刀具的周向進給。液壓系統(tǒng)采用海水壓力自動補償技術(shù)平衡海水壓力，避免了閥箱等采用耐壓結(jié)構(gòu)，減輕了機具重量，其中液壓閥箱安裝在本體上，箱體內(nèi)充油并與壓力補償器連接?？刂葡到y(tǒng)采用水上工控機與水下PLC兩級控制方案，水下作業(yè)時機具安裝水下攝像機及傳感器，監(jiān)測其工作狀態(tài)，其中1臺ROV攜帶定位到待作業(yè)管道處，2臺ROV配合完成機具裝夾及作業(yè)。由于ROV的作業(yè)負載小于200 N時工況最好[13]，因此該機具須配置浮力材料以使其水中重力小于200 N，且浮心與重心應(yīng)盡量保證在同一垂線上。

圖1 新型深水管道切管機結(jié)構(gòu)模型

2 切斷動力頭設(shè)計

本文設(shè)計的深水管道切割機切斷動力頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，由主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)組成，其中主運動系統(tǒng)由液壓馬達、減速器、銑刀組成，進給系統(tǒng)由進給馬達、減速器、鏈輪、絲杠、導(dǎo)軌等組成。大鏈輪上裝有過載保護器，當銑刀過載時，過載保護器與絲杠脫離，進給運動停止，防止損傷動力頭。為防止高壓海水從馬達軸端滲入而損壞馬達，將馬達輸出軸密封在耐壓殼體內(nèi)。

切斷管道工序包括徑向鉆削管道和周向切斷2個步驟。徑向鉆削管道時，主軸馬達與進給馬達同時工作，鉆透管道后徑向進給停止，刀盤開始旋轉(zhuǎn)，繞管道一周完成切斷管道。外倒角時，刀具進給到指定位置后徑向進給馬達停止，刀盤逆向轉(zhuǎn)動一周，完成對管道倒角作業(yè)。

圖2 新型深水管道切管機切斷動力頭三維結(jié)構(gòu)

3 夾緊裝置設(shè)計

夾緊裝置是深水管道切管機具的載體，其設(shè)計要求是：①能夠穩(wěn)定夾持管道，保證切割作業(yè)時機具與管道間不發(fā)生位移；②對旋轉(zhuǎn)刀盤回轉(zhuǎn)中心與管道軸線的同心度要求較高，防止刀具周向倒角時吃刀量不均勻，出現(xiàn)打刀或損傷動力頭情況。

為滿足上述要求，本文提出了拱式雙搖桿自定心夾緊裝置方案(圖3)。該裝置由2組對稱設(shè)置在機架P兩側(cè)的完全相同的平行四邊形雙搖桿機構(gòu)構(gòu)成(圖4)，其機構(gòu)幾何參數(shù)特征為：機架為拱橋狀，圖3中ABCD(A′B′C′D′)為平面雙搖桿機構(gòu)，BE(B′E′)為單出桿驅(qū)動液壓缸,AB(A′B′)為主動搖桿,BC(B′C′)為連桿,CD(C′D′)為從動搖桿；各搖桿下延長段相等(lAF=lDG、lA′F′=lD′G′，F(xiàn)、G、F′、G′為夾持點)，4個夾持點對稱設(shè)置在4個象限內(nèi)；固定鉸鏈中心A、D、A′、D′同在以夾具中心O為中心的同心圓上。分析認為，上述平行四邊形雙搖桿機構(gòu)具有平動及主從搖桿擺角相等特征，在液壓缸同步驅(qū)動主動搖桿時，4個夾持點同時在拱孔的同心圓上作同步同心徑向收縮和擴張，當夾緊裝置夾緊管道后，機架拱孔中心將與管柱軸線重合，進而實現(xiàn)機具旋轉(zhuǎn)刀盤的回轉(zhuǎn)中心與管道軸線同心。

圖3 新型深水管道切管機夾緊裝置原理圖

圖4 新型深水管道切管機夾緊裝置三維結(jié)構(gòu)

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計

4.1 液壓系統(tǒng)組成與工作原理

本文設(shè)計的深水管道切管機液壓系統(tǒng)采用壓力補償技術(shù)，使系統(tǒng)的回油壓力與海水壓力相等，并自適應(yīng)水深環(huán)境壓力[14-15]。采用壓力補償后，液壓系統(tǒng)的元器件及管路等工作狀態(tài)與陸上液壓系統(tǒng)相同，使系統(tǒng)的負載能力不受海水壓力的影響。深水管道切管機液壓系統(tǒng)由深水液壓動力源、刀具旋轉(zhuǎn)回路、刀具徑向進給回路、旋轉(zhuǎn)刀盤周向進給回路、夾緊裝置夾緊回路、應(yīng)急單元等組成，如圖5所示。由于動力頭主軸馬達額定壓力為10 MPa，轉(zhuǎn)速高，所需流量大，而進給馬達額定壓力為7 MPa,轉(zhuǎn)速低，所需流量小，因此，為避免能量損耗，采用了雙聯(lián)變量泵為系統(tǒng)提供兩級壓力。

圖5 新型深水管道切管機液壓系統(tǒng)組成

1) 液壓動力源。液壓動力源采用雙聯(lián)變量泵供油，DB3U型多級電液先導(dǎo)溢流閥為系統(tǒng)提供兩級壓力，以滿足系統(tǒng)的需要，并通過壓力傳感器來監(jiān)測油源的壓力。油箱采用閉式結(jié)構(gòu)布置，通過補償器來補償海水的壓力，使油源的回油壓力略高于海水壓力，以防止海水進入液壓系統(tǒng)；同時補償器可補償整個液壓系統(tǒng)的油液泄漏和液壓缸工作時有桿腔與無桿腔的容積差。液壓動力源由ROV攜帶，ROV機械手操作液壓飛頭使液壓動力源與液壓回路連接，為機具提供動力。

2) 刀具旋轉(zhuǎn)回路。該回路由大變量泵、電磁先導(dǎo)溢流閥、比例調(diào)速閥、三位四通換向閥V1、主軸液壓馬達組成。比例調(diào)速閥具有的穩(wěn)壓作用改善了馬達的動態(tài)特性，且轉(zhuǎn)速可調(diào)。比例調(diào)速閥1得電閥口打開后，換向閥V1左位得電時馬達正轉(zhuǎn)，右位得電時馬達反轉(zhuǎn)，失電時馬達停止工作。

3) 刀具徑向進給回路。該回路由小變量泵、多級電液先導(dǎo)溢流閥、比例調(diào)速閥、三位四通換向閥V2、進給馬達組成，實現(xiàn)刀具的低速徑向進給。多級電液先導(dǎo)溢流閥左位得電，為回路提供7 MPa壓力。比例調(diào)速閥2得電閥口打開后，換向閥V2左位得電時馬達正轉(zhuǎn)，右位得電時馬達反轉(zhuǎn)，當徑向銑透管道后電磁換向閥失電時馬達停止工作，徑向進給自鎖。

4) 刀盤周向旋轉(zhuǎn)回路。該回路由小變量泵、多級電液先導(dǎo)溢流閥、比例調(diào)速閥、三位四通換向閥V3、平衡閥、周向進給馬達組成，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刀盤的周向旋轉(zhuǎn)。平衡閥起背壓和緩沖作用，在液壓馬達換向時仍可保持平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)運動。換向閥V3左位得電時刀盤正轉(zhuǎn)，右位得電時刀盤反轉(zhuǎn)，失電時刀盤停止工作。換向閥V2與V3不能同時工作。

5) 夾緊回路。前、后夾緊裝置液壓回路相同，以前夾緊液壓回路為例，它由小變量泵、多級電液先導(dǎo)溢流閥、單向節(jié)流閥、三位四通換向閥V4、液壓鎖、節(jié)流閥、液壓缸、蓄能器組成。多級電液先導(dǎo)溢流閥右位得電，為回路提供10 MPa壓力。換向閥V4左位得電時機具夾緊管道，右位得電時機具松開管道。機具夾緊管道后，換向閥V4回中位，由液壓鎖和蓄能器為回路提供壓力，實現(xiàn)夾緊裝置的穩(wěn)定夾緊。

6) 應(yīng)急單元。應(yīng)急單元由ROV油源、液壓飛頭、手動閘閥、應(yīng)急回路組成。當機具出現(xiàn)故障時，ROV機械手操作液壓飛頭，將ROV油源與應(yīng)急回路接通，為機具提供應(yīng)急動力，依次打開手動閘閥，實現(xiàn)機具的應(yīng)急操作。

4.2 液壓系統(tǒng)動力參數(shù)計算

4.2.1 主軸馬達參數(shù)

理論計算取銑削最大管徑457.2 mm、壁厚19.05 mm的極端工況。刀具直徑d=25 mm，轉(zhuǎn)速n=250 r/min，銑削深度ap=19.05 mm,銑削寬度ae=25 mm，每齒進給量fz=0.02 mm，齒數(shù)z=4。

根據(jù)波紋刃銑刀機床切削X70級管道實驗，得到修正后的立銑刀銑削力Fc計算公式為

(1)

切斷動力頭主軸馬達輸出力矩應(yīng)滿足

(2)

式(2)中：Tz為主軸馬達輸出力矩；i為減速器傳動比，i=3；ηt1為主軸系統(tǒng)傳動效率，取0.6。代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得Tz≥8.9 N·m。

馬達輸出功率為

(3)

式(3)中：pz為主軸馬達輸出功率；n1為馬達轉(zhuǎn)速，取750 r/min；ηt為馬達效率，取0.82。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得pz=0.57 kW，因此選擇伊頓公司型號H46的深水液壓馬達，額定壓力為10 MPa。

銑刀的周向進給速度為

vf=nzfz

(4)

則刀盤切斷457.2mm管道的理論時間為t=2πr/vf=71.8 min(其中r為被切割管道的半徑，r=228.6 mm)。

4.2.2 徑向進給馬達參數(shù)

根據(jù)機床鉆削X70鋼級管道實驗，得到修正后的波紋刃鉆銑刀鉆削力公式為

(5)

絲杠的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為

(6)

式(6)中：φ為絲杠螺紋升角，φ=4.048°；ρ為當量摩擦角，ρ=7.67°；d2為螺紋中徑，d2=18 mm。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得最大Ts為25.76 N·m。

進給馬達輸出轉(zhuǎn)矩為

(7)

式(7)中：i1為鏈傳動傳動比，i1=1.3；i2為減速器傳動比，i2=320;ηt2為傳動效率，ηt2=0.92。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得Tj≥0.07 N·m。

刀具徑向進給量f=10 mm/min，絲杠導(dǎo)程L=4 mm/r，則絲杠的轉(zhuǎn)速ns=2.5 r/min，進給馬達轉(zhuǎn)速為nmj=1 040 r/min;馬達的效率取0.82，計算得徑向進給驅(qū)動馬達輸出功率Pj≥0.006 kW，因此選擇Danfoss公司型號OMM12.5的深水液壓馬達，額定壓力7 MPa。

4.2.3 旋轉(zhuǎn)刀盤驅(qū)動馬達參數(shù)

周向進給作業(yè)時，刀盤進給速度很低，理論分析時忽略水阻力矩，考慮陸上試驗，則驅(qū)動馬達須克服刀盤受到的摩擦阻力矩、切削阻力矩及陸上切削系統(tǒng)偏心力矩，即

(8)

式(8)中：TM為馬達輸出力矩；Tf為摩擦力矩；Tx為銑削阻力矩；TG為重力偏心矩；i3為齒輪傳動比，i3=17.6；i4為渦輪減速器傳動比，i4=900；η1為齒輪傳動效率,取0.98；η0為渦輪減速器效率，取0.65。切削457.2 mm管道，切削阻力矩最大，刀盤轉(zhuǎn)到3點鐘方向時重力偏心矩最大，經(jīng)計算TM≥4.8 N·m。旋轉(zhuǎn)刀盤的轉(zhuǎn)速n2為0.014 r/min，旋轉(zhuǎn)刀盤驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速nmp為221.8 r/min，取馬達傳動效率為0.82，計算得旋轉(zhuǎn)刀盤驅(qū)動馬達的輸出功率P1≥0.09 kW，因此，選擇Danfoss公司OMM12.5深水液壓馬達，額定壓力7 MPa。

4.2.4 液壓泵和電機參數(shù)

液壓泵的最大工作壓力為

pp=p+∑Δp

(9)

式(9)中:pp為液壓泵的最大工作壓力;p為執(zhí)行元件內(nèi)腔最大壓力，為25 MPa;∑Δp為進油路總壓力損失，取0.5 MPa。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得pp=25.5 MPa。

液壓泵的最大流量為

qp≥k∑qmax

(10)

式(10)中：qp為液壓泵流量；k為修正系數(shù)，取1.15；∑qmax為同時動作執(zhí)行元件流量和的最大值。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得qp=43.56 L/min。

5 陸上管道切割與倒角試驗

外倒角的目的是去除管道邊緣毛刺，以防止損傷連接器。試驗鋼管為深水X70級管道，管徑457.2 mm，壁厚19.05 mm。經(jīng)測量，主軸轉(zhuǎn)速198 r/min,切管時間106 min，倒角時間36 min，本文設(shè)計的深水管道切管機陸上管道切割與倒角試驗結(jié)果如圖6所示，可以看出：該機具切割管道時，切口寬、斷面平整、邊緣毛刺較小，切屑為厚而短的碎狀，表明機具切削穩(wěn)定，受力??；該機具裝夾時會有小的偏心，但通過微調(diào)刀具進給量可以修正這個偏心量，表明所設(shè)計的夾緊裝置有較好的定心性能。另外，水下作業(yè)時該機具的凈重力較小，機具的定心性能會更好。

圖6 本文設(shè)計的新型深水管道切管機具切管與倒角試驗

6 結(jié)論

通過對現(xiàn)有切斷、倒角機具維修深水X70級管道作業(yè)時所遇困難的分析，提出了一種“一次”裝夾即可完成管道切斷、倒角作業(yè)的新型深水管道切管機設(shè)計方案，完成了機具本體結(jié)構(gòu)及自適應(yīng)海水壓力的液壓系統(tǒng)設(shè)計，并進行了樣機陸上作業(yè)性能試驗，驗證了設(shè)計方案的合理性，從而為工程樣機的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對實現(xiàn)深水管道維修作業(yè)機具的國產(chǎn)化具有重要意義。

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(編輯：呂歡歡)

Design and prototype test of a novel deep water pipeline cutting machine

Guo Shiqing1,2Wang Liquan1Gong Haixia1Shang Xianchao3

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang150001,China; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,JiamusiUniversity,Jiamusi,Heilongjiang154007,China;3.OffshoreOilEngineeringCo.，Ltd.,Tianjin300451,China)

It is difficult to sever and secondarily position the chamfering machine in repairing deep water X70 pipelines, which results in low operating efficiency. Scheme of a novel deep water pipeline cutting machine (DPCM) was proposed with one time clamping, cutting and chamfering. Pipeline-cutting and chamfering were achieved by a compound cutting tool with drilling, milling and countersinking, and the folder knife problem was solved by a corrugated edge milling cutter. A new system of two-arm holding and self-centering pipeline clamping devices with double rockers was proposed, which ensures concentricity between the cutter head and the pipeline during its operation. And then the hydraulic system was designed with automatic compensation of seawater pressure. A prototype was developed and its land test completed. The results show that the DPCM can be used to cut high strength subsea pipelines, meeting the requirements of on-line pipeline cutting without folder knife, short cutting time and evenly chamfering. It provides technical basis for this kind of deep water equipment localization, which is of great significance.

deep water pipeline repairing; pipeline cutting machinery; severance; chamfering; self-centering clamping device; pressure compensation; prototype test

*“十二五”國家科技重大專項“深水水下應(yīng)急維修裝備與技術(shù)(編號：2011ZX05027-005)”、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助“深水管道多功能作業(yè)機具關(guān)鍵技術(shù)及實驗研究(編號：HEUCF1607047)”部分研究成果。

郭士清,男,博士研究生，副教授,主要從事水下智能機械、機電一體化技術(shù)研究。地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)南通大街145號哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院(郵編：150001)。E-mail:zygsq951422@163.com。

1673-1506(2016)04-0136-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.022

TE977

A

2016-01-25 改回日期：2016-03-10

郭士清，王立權(quán)，弓海霞，等.新型深水管道切管機設(shè)計與樣機試驗[J].中國海上油氣，2016,28(4)：136-142.

Guo Shiqing，Wang Liquan，Gong Haixia,et al.Design and prototype test of a novel deep water pipeline cutting machine[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):136-142.