大口徑油氣輸送管道開孔刀具的設計

趙彥剛，李艷軍，楊綿鵬

(南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 210016)

在對油氣長輸管線進行維搶修、改線施工過程中，國內外常用的施工方法是“管線不停輸帶壓開孔封堵工藝”[1～2]。管道開孔刀，是實施開孔的必要設備之一。隨著近年來大口徑管道建設事業的發展，口徑1 000 mm以上的高強度管線里程大幅增長[3～4]。大口徑管道的不停輸開孔封堵，任務艱巨，設備主要依賴于進口，價格昂貴，采購周期漫長。

國內油氣管道維搶修企業，致力于管線開孔封堵設備的國產化。本文將根據金屬切削原理及管道開孔特點，設計并試制Φ1016管線開孔刀。

1 開孔刀的總體結構

根據管道不停輸帶壓開孔封堵的工藝要求，需要在管道上開各種規格的圓形孔，分別為旁通孔、封堵孔、平衡孔，其中封堵孔為等內徑孔。被切除的料塊呈馬鞍形曲面。所以設計的管道開孔刀總體結構呈筒狀，上端通過連接板與開孔機主軸連接，在下端筒壁上安裝多組刀齒并加工容屑槽，如圖1所示。

圖1 開孔刀總體結構

筒形開孔刀（以下簡稱筒刀）在開孔機主軸的帶動下旋轉切削，沿管道徑向直線進給。

2 刀具的設計[5～6]

2.1 刀齒材料的選擇

刀具的品質和耐用度，與刀具切削部分的材料性能有著密切的聯系。所以需要根據被切削材料特性與切削條件，綜合權衡刀齒材料的耐磨性、加工性、韌性、赤熱硬性及耐磨性等性能，確定刀片材料所需要的最重要性能。被切削材料X70管線鋼屬于高強度合金鋼，切削過程走刀量較小，并且為斷續切削，所以刀具材料所需最重要的性能，是堅韌度和良好的赤熱硬性，可選軟硬度等而韌性較好的含鈷高速鋼。AISI M48高速鋼在赤熱性和強韌性方面都比較理想，所以選擇M48為刀齒材料。

2.2 刀齒關鍵角度的選擇

刀齒與容屑槽結構如圖2所示。

圖2 刀齒與容屑槽結構

（1）前角。在選擇刀具前角時，首先應保證刀刃鋒利，同時也要兼顧刀刃的強度與耐用度。工件材料為X70管線鋼，硬度最大為243HB(255HV)，工件材料強度高，硬度高，故應采取較小的傾角，確定刀具前角為11°。

（2）后角。后角的選擇主要考慮因素是切削厚度和切削條件，工件的強度硬度較高時，為增加切削刃的強度，應選擇較小的后角。粗加工或斷續切削時，為強化切削刃，應選擇較小的后角。根據不同條件下金屬切削刀具后角參考值，取刀具后角為4°。

（3）主偏角。此處對管壁的切削類似于拉刀拉削切槽，故主偏角取90°。

2.3 刀齒數量及具體形狀

（1）刀齒數量確定。刀齒數目主要影響單齒切削力和整個機構的振動，根據多齒刀具齒數經驗公式（1）確定

其中，

d為刀具直徑，

K值可使用模糊數學中的模糊綜介評判法確定[7]。

求得Z=42，考慮到刀具斷續切削時斷續切削點的對稱性，此處取刀齒數Z=40，每組4個刀齒，共10組刀齒分布在刀體上。

（2）刀齒形式。為分散刀齒所受載荷，同組的相鄰刀齒設計成不同形式的刀刃形狀，常見刀刃形式有分塊式和分層式。此處選擇分層式刀刃形式，如圖3所示。

圖3 分層式刀刃形式

刀刃寬度及齒高參數見表1。

表1 刀齒參數 （單位：mm）

2.4 刀體尺寸的確定

刀體由筒體與連接板焊接組成，筒體采用鋼板卷制，材料均選用Q345C。對于筒體尺寸，主要影響因素包括工作所受載荷、被切削管材的直徑；連接板尺寸主要考慮與開孔機的連接需要。確定筒體用厚度為13 mm的鋼板卷制焊接而成，外徑977 mm，內徑951 mm，高度600 mm，連接板厚度25 mm。

2.5 刀齒與刀體的焊接

刀齒與刀體之間的焊接，屬于異種鋼之間的焊接，選用適于異種金屬焊接的釬焊方式。釬料選擇適于低碳鋼、結構鋼焊接的銀基釬料。加熱方式選用感應加熱，利用感應電流作為熱源，充分利用局部加熱的方式，對焊件進行加熱。

實際加工過程中，經過多次試驗，總結出一套最佳焊接方案：“三體一膏”（即刀齒、40%的銀釬料片、刀片及焊膏）同時在溫控90 kW全固態感應加熱設備上感應加熱到685～750℃，當銀釬料片熔化時，把刀片延時2～3 s加游動排出空氣校對正齊。焊接的刀片硬度經測試為HRC 56～58，X光拍片合格，在單齒沖擊試驗中，未出現脫落現象。

3 刀具現場試驗

刀具現場試驗選用Φ 1016型開孔機，在Φ 1016開孔封堵實驗臺上進行。試驗鋼管直徑1 016 mm，開始階段筒刀轉速設置為4 r/min，實驗過程中將轉速逐漸增大，最大轉速達到8 r/min，進給量0.3 mm/r，開孔過程持續5 h 27 min。開孔試驗如圖4所示。

圖4 現場試驗

4 結束語

試驗結果表明，所設計筒刀在切削過程中振動較小，刀具未出現明顯磨損，刀齒未出現脫落、崩刃現象。證明通過選取合適的刀齒材料、設計合理的刀具結構參數及加工工藝，可有效提高開孔筒刀的工作性能。后期需要開展疲勞試驗，進一步驗證開孔刀具的使用壽命。

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