X80鋼油氣管道的鉆銑切管機設計

葛漢林，吳明，鄧子龍，姜芳

(遼寧石油化工大學，遼寧撫順 113001)

X80鋼油氣管道的鉆銑切管機設計

葛漢林，吳明，鄧子龍，姜芳

(遼寧石油化工大學，遼寧撫順 113001)

圍繞X80高強度油氣管道的切割問題，分析了這一領域的國內外技術現狀，介紹了鉆銑切管機的組成及工作原理，設計了液壓驅動方案。通過現場試驗，得出了用鉆銑切管機切割高強度油氣管道具有在線切管不夾刀、切管時間短、能切割X80高強度油氣管道的結論。

切管機;冷切割;油氣管道;X80鋼;液壓驅動

隨著石油、天然氣的廣泛應用，我國油氣管道的建設越來越快，目前我國長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。管道一旦出現問題，一是損失巨大，二是維搶修工作刻不容緩。油氣管道發生破損時，需要對破損位置的管道進行更換或是對漏點進行封堵。對于管道更換，一般是在破損位置的兩端進行管道切割，然后對管端做坡口，最后將管道進行焊接［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，對于油氣管道的現場維搶修，容易發生爆炸等安全事故。

隨著油氣管道輸送壓力、輸送量的增加和制管技術的進步，高強度、大壁厚、大口徑管道已經成為油氣管道的發展重點，特別是X80鋼已成為長輸油氣管道的主流鋼級［2］。例如西氣東輸二線項目，采用X80高強度管線鋼、管道直徑1 219 mm、壁厚達到18.4 mm［3］。管道的材質、管徑、壁厚對切管機提出了更高的要求。

針對油氣管道材質的發展和快速維搶修的需要，研制出切管速度快，適合于X70、X80高強度油氣管道的對開式鉆銑切管機。

1 國內外技術現狀

油氣管道切管機在國內外管道施工中已得到普遍的應用［4－5］。最具代表性的是美國“瓦奇”公司生產的鏈條爬管式切管機、分瓣式切管機、重型分瓣式切管機，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:切管時間過長;在線切管時容易產生夾刀;效率非常低。

圖1 美國“瓦奇”公司的切管機

2 對開式鉆銑切管機的組成及工作原理

2.1 主要技術性能指標

作業能力:X70、X80管道材質;管徑711～1 219 mm;管道壁厚28 mm以內;銑刀轉速270 r/ min，可調;液壓驅動。

2.2 鉆銑切管機的組成

鉆銑切管機主要由機體框架、活動盤、夾持支腿、傳動裝置、鉆銑頭、仿形坡口刀架、液壓系統等組成，如圖2所示。

圖2 對開式鉆銑切管機示意圖

2.3 基本工作原理

對開式鉆銑切管機采用“立銑刀立式銑削”的冷加工方案。首先對開式的機體框架通過夾緊裝置固定在油氣管道待切割位置。然后利用一個液壓馬達驅動立銑刀高速旋轉，形成切削主運動;利用另一個液壓馬達驅動活動盤沿機體框架低速圓周旋轉，形成周向進給切削運動。由液壓系統提供壓力油供液壓馬達旋轉。活動盤帶著旋轉的立銑刀沿管道周向進給1周，便可完成管道的切割作業。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準［6］。

3 對開式鉆銑切管機液壓系統的設計

3.1 液壓系統原理圖

根據該機的工作環境及工作要求，決定采用液壓馬達驅動。考慮液壓系統實際需要完成的動作要求以及調速特性，液壓系統的工作原理簡圖如圖3所示。

圖3 鉆銑切管機液壓系統工作原理圖

3.2 液壓動力參數的確定

3.2.1 銑削要素的確定和銑削力的計算［7］

理論計算著眼于切管材質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，銑刀轉速n=270 r/min，切削深度為ap=28 mm，切削寬度aw=20 mm，取每齒進給量fz=0.05 mm/齒，銑刀齒數z=4。因此:

切削進給速度:

按此進給速度，繞管道一周的時間:

銑削速度:

銑削功率:

切削力:

垂直切削力:

鉆銑頭液壓馬達的轉矩:

鉆銑頭液壓馬達的轉速:n1=270(r/min)

活動盤的阻力矩:

周向進給驅動液壓馬達的轉矩:

周向進給驅動液壓馬達的轉速:

3.2.3 液壓元件計算［8］

執行元件的工作壓力:

液壓泵的最大工作壓力:

液壓泵的最大流量:

驅動液壓泵的電機功率:

4 現場切割試驗結果

4.1 試驗一

管道材質X70管線鋼，管徑914 mm，壁厚28 mm。切管時間65 min，坡口時間27 min，結果如圖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 試驗二

管道材質X80管線鋼，管徑711 mm，壁厚20 mm。切管時間43 min，坡口時間18 min，結果如圖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 結束語

研制的對開式鉆銑切管機，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、坡口質量高等優勢，能解決“在線切管不夾刀、切管時間短、能切割X80高強度管道材料”的關鍵問題。

【1】中國石油管道蘭州輸氣分公司.長輸油氣管道搶修手冊［M］.蘭州:蘭州大學出版社，2005.

【2】API SPEC 5L-2007.管線鋼管規范［S］.44版.

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

【4】弓海霞，趙杰，張嵐，等.液壓閘刀式切管機設計［J］.機床與液壓，2009，37(3):71－73.

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

【6】SY/T 0518-2002油氣管道鋼制對焊管件設計規程［S］.

【7】楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.2版.北京:機械工業出版社，2011.

【8】成大先.機械設計手冊單行本:液壓傳動［M］.北京:化學工業出版社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，Fushun 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，從事機電液一體化設備、油氣管道維搶修設備研究開發。E－mail: sutghl@163.com。