葛漢林，吳明，鄧子龍，姜芳

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順 113001)

X80鋼油氣管道的鉆銑切管機(jī)設(shè)計(jì)

葛漢林，吳明，鄧子龍，姜芳

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順 113001)

圍繞X80高強(qiáng)度油氣管道的切割問題，分析了這一領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，介紹了鉆銑切管機(jī)的組成及工作原理，設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)方案。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出了用鉆銑切管機(jī)切割高強(qiáng)度油氣管道具有在線切管不夾刀、切管時(shí)間短、能切割X80高強(qiáng)度油氣管道的結(jié)論。

切管機(jī);冷切割;油氣管道;X80鋼;液壓驅(qū)動(dòng)

隨著石油、天然氣的廣泛應(yīng)用，我國(guó)油氣管道的建設(shè)越來越快，目前我國(guó)長(zhǎng)距離油氣管線總里程約為6.8萬公里，油氣集輸管道約20萬公里。管道一旦出現(xiàn)問題，一是損失巨大，二是維搶修工作刻不容緩。油氣管道發(fā)生破損時(shí)，需要對(duì)破損位置的管道進(jìn)行更換或是對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行封堵。對(duì)于管道更換，一般是在破損位置的兩端進(jìn)行管道切割，然后對(duì)管端做坡口，最后將管道進(jìn)行焊接［1］。切割常用的方法有冷切削和熱切削兩類。熱切削如火焰切割、等離子弧切割，對(duì)于油氣管道的現(xiàn)場(chǎng)維搶修，容易發(fā)生爆炸等安全事故。

隨著油氣管道輸送壓力、輸送量的增加和制管技術(shù)的進(jìn)步，高強(qiáng)度、大壁厚、大口徑管道已經(jīng)成為油氣管道的發(fā)展重點(diǎn)，特別是X80鋼已成為長(zhǎng)輸油氣管道的主流鋼級(jí)［2］。例如西氣東輸二線項(xiàng)目，采用X80高強(qiáng)度管線鋼、管道直徑1 219 mm、壁厚達(dá)到18.4 mm［3］。管道的材質(zhì)、管徑、壁厚對(duì)切管機(jī)提出了更高的要求。

針對(duì)油氣管道材質(zhì)的發(fā)展和快速維搶修的需要，研制出切管速度快，適合于X70、X80高強(qiáng)度油氣管道的對(duì)開式鉆銑切管機(jī)。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

油氣管道切管機(jī)在國(guó)內(nèi)外管道施工中已得到普遍的應(yīng)用［4－5］。最具代表性的是美國(guó)“瓦奇”公司生產(chǎn)的鏈條爬管式切管機(jī)、分瓣式切管機(jī)、重型分瓣式切管機(jī)，如圖1所示，其工作原理是采用臥式盤銑、車削的冷切削加工，存在的主要問題是:切管時(shí)間過長(zhǎng);在線切管時(shí)容易產(chǎn)生夾刀;效率非常低。

圖1 美國(guó)“瓦奇”公司的切管機(jī)

2 對(duì)開式鉆銑切管機(jī)的組成及工作原理

2.1 主要技術(shù)性能指標(biāo)

作業(yè)能力:X70、X80管道材質(zhì);管徑711～1 219 mm;管道壁厚28 mm以內(nèi);銑刀轉(zhuǎn)速270 r/ min，可調(diào);液壓驅(qū)動(dòng)。

2.2 鉆銑切管機(jī)的組成

鉆銑切管機(jī)主要由機(jī)體框架、活動(dòng)盤、夾持支腿、傳動(dòng)裝置、鉆銑頭、仿形坡口刀架、液壓系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

圖2 對(duì)開式鉆銑切管機(jī)示意圖

2.3 基本工作原理

對(duì)開式鉆銑切管機(jī)采用“立銑刀立式銑削”的冷加工方案。首先對(duì)開式的機(jī)體框架通過夾緊裝置固定在油氣管道待切割位置。然后利用一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)立銑刀高速旋轉(zhuǎn)，形成切削主運(yùn)動(dòng);利用另一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)盤沿機(jī)體框架低速圓周旋轉(zhuǎn)，形成周向進(jìn)給切削運(yùn)動(dòng)。由液壓系統(tǒng)提供壓力油供液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)?；顒?dòng)盤帶著旋轉(zhuǎn)的立銑刀沿管道周向進(jìn)給1周，便可完成管道的切割作業(yè)。最后把鉆銑頭換裝成仿形坡口刀架，就能加工出精確的焊接坡口和一致的鈍邊，完全符合油氣管道焊接標(biāo)準(zhǔn)［6］。

3 對(duì)開式鉆銑切管機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)該機(jī)的工作環(huán)境及工作要求，決定采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。考慮液壓系統(tǒng)實(shí)際需要完成的動(dòng)作要求以及調(diào)速特性，液壓系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 鉆銑切管機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理圖

3.2 液壓動(dòng)力參數(shù)的確定

3.2.1 銑削要素的確定和銑削力的計(jì)算［7］

理論計(jì)算著眼于切管材質(zhì)X80鋼、管徑1 219 mm、壁厚28 mm的極端工況。采用高速鋼波紋立銑刀，刃徑d=20 mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=270 r/min，切削深度為ap=28 mm，切削寬度aw=20 mm，取每齒進(jìn)給量fz=0.05 mm/齒，銑刀齒數(shù)z=4。因此:

切削進(jìn)給速度:

按此進(jìn)給速度，繞管道一周的時(shí)間:

銑削速度:

銑削功率:

切削力:

垂直切削力:

鉆銑頭液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩:

鉆銑頭液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速:n1=270(r/min)

活動(dòng)盤的阻力矩:

周向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩:

周向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速:

3.2.3 液壓元件計(jì)算［8］

執(zhí)行元件的工作壓力:

液壓泵的最大工作壓力:

液壓泵的最大流量:

驅(qū)動(dòng)液壓泵的電機(jī)功率:

4 現(xiàn)場(chǎng)切割試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)一

管道材質(zhì)X70管線鋼，管徑914 mm，壁厚28 mm。切管時(shí)間65 min，坡口時(shí)間27 min，結(jié)果如圖4所示。

圖4 X70管線鋼，管徑914 mm，壁厚28 mm切管和坡口效果

4.2 試驗(yàn)二

管道材質(zhì)X80管線鋼，管徑711 mm，壁厚20 mm。切管時(shí)間43 min，坡口時(shí)間18 min，結(jié)果如圖5所示。

圖5 X80管線鋼，管徑711 mm，壁厚20 mm切管和坡口效果

5 結(jié)束語

研制的對(duì)開式鉆銑切管機(jī)，采用“立銑刀立式銑削”的方案，具有管道切口寬、與切口接觸面積小、坡口質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，能解決“在線切管不夾刀、切管時(shí)間短、能切割X80高強(qiáng)度管道材料”的關(guān)鍵問題。

【1】中國(guó)石油管道蘭州輸氣分公司.長(zhǎng)輸油氣管道搶修手冊(cè)［M］.蘭州:蘭州大學(xué)出版社，2005.

【2】API SPEC 5L-2007.管線鋼管規(guī)范［S］.44版.

【3】向波.西氣東輸二線管道設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)［J］.天然氣與石油，2008，26(3):1－6.

【4】弓海霞，趙杰，張嵐，等.液壓閘刀式切管機(jī)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(3):71－73.

【5】曹立文，張海兵，劉國(guó)華，等.單純輸油管道切割試驗(yàn)［J］.工具技術(shù)，2010，44(7):30－33.

【6】SY/T 0518-2002油氣管道鋼制對(duì)焊管件設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

【7】楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊(cè)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

【8】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本:液壓傳動(dòng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社2011.

Design of Drilling and Milling Pipe Cutting Machine for Cutting X80 Oil/Gas Pipelines

GE Hanlin，WU Ming，DENG Zilong，JIANG Fang
(Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China)

Centered around the cutting of X80 high strength oil/gas pipelines，the status quo at home and abroad in the technology field was analyzed.The composition and working principle of drilling and milling machine were introduced，hydraulic drive scheme was designed.By field tests，the conclusion is that drilling and milling machine can be used to cut high strength oil/gas pipelines with on-line pipe cutting not folder knife，short cutting time and can cut X80 high strength oil/gas pipelines.

Cutting machine;Cold cutting;Oil/gas pipeline;X80 steel;Hydraulic drive

TH137

A

1001－3881(2014)8－006－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.003

2013－03－21

葛漢林 (1977—)，男，博士研究生，講師，從事機(jī)電液一體化設(shè)備、油氣管道維搶修設(shè)備研究開發(fā)。E－mail: sutghl@163.com。