金剛石繩鋸機(jī)切削海底管道切削效率試驗(yàn)

張永銳，王立權(quán)，楊洋，張嵐

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

海洋石油資源是我國能源供給的重要組成部分，目前我國海洋石油資源開發(fā)得到了快速發(fā)展。海底管道作為海洋石油開發(fā)的重要組成部分，對海洋石油的開采和輸送起著極為關(guān)鍵的作用。隨著新海洋油氣田開發(fā)的增多，海底管道的數(shù)量逐年增多，某些管道的使用年限增長，使用壽命降低，嚴(yán)重影響油氣田產(chǎn)量，并且修復(fù)費(fèi)用及其高昂［1-2］。因此提高海底管道的修復(fù)效率具有重要的工程實(shí)際意義。

金剛石繩鋸機(jī)是實(shí)現(xiàn)海底油氣管道切削作業(yè)的有效機(jī)具，它兼具了金剛石的高硬度和鋼絲繩的柔性［3］，具有切削效率高、作業(yè)簡單、環(huán)境影響小等特點(diǎn)。金剛石繩鋸機(jī)可工作于水下，經(jīng)金剛石繩鋸機(jī)切削的管道切口比較規(guī)則平整，切削過程沖擊小，是一種理想的海底管道切削機(jī)具［4］。黃輝等［5-6］進(jìn)行了繩鋸機(jī)切削花崗巖的切削參數(shù)對切削力和切削能耗影響的試驗(yàn)研究，認(rèn)為進(jìn)給率對鋸切力和功率的影響比線速度和鋸切長度都要明顯。張進(jìn)生［7］等通過試驗(yàn)揭示了金剛石串珠繩鋸切大板材鋸切速度、進(jìn)給速度與串珠繩磨損的關(guān)系。張嵐、曹立文［8-9］等對水下金剛石繩鋸機(jī)切削海底石油管道時(shí)串珠的磨損情況進(jìn)行了研究。H.K.Tonshoff［10］研究了繩鋸機(jī)切削不同材料金屬構(gòu)件時(shí)的切削能力，結(jié)果表明:與加工鋼質(zhì)材料相比，加工鋁更有效。本文針對金剛石繩鋸機(jī)切削海底管道進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了切削過程中串珠繩線速度、切削壓力、進(jìn)給速度對繩鋸機(jī)切削效率的影響。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 金剛石繩鋸機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)

金剛石繩鋸機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、金剛石串珠繩、進(jìn)給絲桿、串珠繩拉力和壓力測試系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、綜合控制柜、冷卻系統(tǒng)等幾部分組成(如圖1所示)，金剛石繩鋸機(jī)工作時(shí)，需將待切削的鋼管用V型塊夾緊固定，然后由驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)主動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn)，使張緊的串珠繩實(shí)現(xiàn)其沿管道的切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);同時(shí)由進(jìn)給絲桿帶動(dòng)整個(gè)鋸弓板實(shí)現(xiàn)串珠繩的法向直線進(jìn)給，串珠繩在工作過程中始終保持張緊狀態(tài)，以保證串珠繩始終對鋼管有法向壓力，切削過程中串珠繩與鋼管之間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生大量的摩擦熱，因此試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)有冷卻系統(tǒng)，保證串珠繩良好的切削環(huán)境和切削效果。

圖1 金剛石繩鋸機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.1 Diamond wire saw test prototype

1.2 金剛石串珠繩

目前國內(nèi)沒有能力生產(chǎn)可以切削純鋼材的金剛石串珠繩，本試驗(yàn)使用的是意大利MARINI公司生產(chǎn)的金剛石串珠繩，試驗(yàn)所用串珠繩總長2.97 m，串珠間距離18 mm，串珠直徑10 mm，串珠寬度6 mm，每米串珠繩上有40顆串珠，串珠總數(shù)為118顆，金剛石磨粒粒度為40/50，串珠制作方式為燒結(jié)式，相鄰串珠間的固定方式為彈簧注塑式，串珠繩實(shí)物照片如圖2所示。切削所用材料為實(shí)際海底管道用X52鋼管，規(guī)格為?220×20，抗拉強(qiáng)度 455 MPa，屈服強(qiáng)度 531 MPa，屈強(qiáng)比為 0.9。

圖2 金剛石串珠繩Fig.2 Diamond string bead wire

1.3 試驗(yàn)方案

通過測量相同時(shí)間內(nèi)在不同切削線速度、切削壓力和進(jìn)給速度下被切鋼管的切削量，分析不同切削參數(shù)對繩鋸機(jī)切削效率的影響。切削試驗(yàn)采用單一因素法，具體參數(shù)組合詳見表1，每組試驗(yàn)進(jìn)行兩次，并取平均值為最終值。由于切削時(shí)間遠(yuǎn)小于金剛石串珠繩的壽命，故本試驗(yàn)不考慮串珠繩磨損帶來的影響。

表1 切削試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Main parameters of cutting experiments

串珠繩的張緊力和對鋼管的壓力(切削壓力)存在對應(yīng)關(guān)系(對應(yīng)關(guān)系分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況)，試驗(yàn)時(shí)的切削壓力由串珠繩的張緊力反推得到。為了準(zhǔn)確得到串珠繩張緊力和切削壓力的對應(yīng)關(guān)系，采用在壓緊輪下面安裝壓力傳感器的方法，測量串珠繩在不同切削線速度下張緊力與切削壓力的對應(yīng)關(guān)系。壓力傳感器實(shí)物如圖3所示。

圖3 壓力傳感器Fig.3 Pressure sensor

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖 4 為在切削速度18、19、20、21、22、23、24 m/s時(shí)串珠繩張緊力隨切削壓力的變化曲線。從圖4可以看出，整體上串珠繩張緊力與壓力的對應(yīng)關(guān)系近似為線性關(guān)系，張緊力隨著串珠繩切削線速度的增加有小幅的增長，這是因?yàn)榇槔K離心力的作用。另外，當(dāng)張緊力大于2 600 N時(shí)串珠繩發(fā)生斷繩現(xiàn)象，且每次斷繩均發(fā)生在串珠繩的連接處，雖然鋼絲繩的承載能力遠(yuǎn)大于2 600 N，但串珠繩連接處的強(qiáng)度決定了整條串珠繩所能承受的最大張緊力。

圖4 串珠繩張緊力和切削壓力關(guān)系曲線Fig.4 Tension and pressure curve of string bead wire

2.1 串珠繩切削線速度的影響

圖5給出了在相同的時(shí)間內(nèi)鋼管被切除面積隨切削線速度(壓力50 N，進(jìn)給速度0.25 m/h)變化曲線，從圖5可以看出，在切削線速度發(fā)生改變的條件下，鋼管的被切削面積將會發(fā)生改變，相同時(shí)間內(nèi)切削線速度為22 m/s時(shí)切除鋼管的面積最大，切削線速度為18 m/s時(shí)切除的鋼管面積最小。當(dāng)切削線速度小于22 m/s時(shí)鋼管被切除面積隨著切削線速度的增加而增加，但當(dāng)切削線速度大于22 m/s時(shí)，切削線速度的增加反而使鋼管切除面積減少。存在一個(gè)最佳切削線速度使得切削面積最大。另外，鋼管特定的環(huán)狀截面形狀使得串珠繩與其接觸的長度隨著切削深度發(fā)生變化，即在管道上下壁處，鋼管與串珠繩的接觸長度比管道中部要大，也就是說鋼管上下壁處的切削難度要大于鋼管中部，因此可以從圖中看到0～100 s處的曲線斜率相比100～300 s處的曲線斜率要小。

圖5 不同切削線速度下的切削量Fig.5 Cutting amount for different wire speeds

圖6給出了切削效率隨切削線速度的變化曲線，可見，切削線速度對鋼管的切削效率影響明顯，隨著切削線速度的增加切削效率顯著增加，在切削線速度22 m/s時(shí)切削效率達(dá)到最大值6.4 mm2/s，而切削線速度18 m/s時(shí)的切削效率為3.66 mm2/s，不同切削線速度下的切削效率相差1.75倍。當(dāng)切削線速度大于22 m/s時(shí)，切削效率略有降低，這可能是因?yàn)檫^高的切削線速度降低了串珠繩對鋼管的水平切削力，并且過高的串珠繩線速度使得磨削區(qū)產(chǎn)生大量的摩擦熱，容易造成鋼管切削表面燒傷，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，同時(shí)高溫容易使金剛石磨粒本身發(fā)生石墨化，造成氧化磨損和擴(kuò)散磨損等，進(jìn)而減弱了金剛石磨粒的切削性能。

圖6 不同切削線速度下的切削效率Fig.6 Cutting capacity for different wire speeds

2.2 切削壓力的影響

圖7給出了在相同的時(shí)間內(nèi)鋼管被切除面積隨切削壓力(切削線速度22 m/s，進(jìn)給速度0.25 m/h)變化曲線，從圖7可以看出，相同時(shí)間內(nèi)切削壓力為200 N時(shí)切除鋼管的面積最大，切削壓力為50 N時(shí)切除鋼管的面積最小。值得注意的是，在切削壓力小于250 N時(shí)，工作可連續(xù)進(jìn)行。但當(dāng)切削壓力大于250 N時(shí)只工作了很短時(shí)間切削就停止了。過大的切削壓力造成串珠繩和鋼管間的摩擦力增加，使得切削過程中需要消耗更多的能量，造成電機(jī)熄火。

圖7 不同切削壓力下的切削量Fig.7 Cutting amount for different working pressures

圖8給出了切削效率隨切削壓力的變化曲線。從圖8可以看出，切削壓力對鋼管的切削效率影響同樣明顯，在切削壓力為200 N時(shí)切削效率達(dá)到最大值6.96 mm2/s，而切削壓力為 50 N時(shí)的切削效率為4.96 mm2/s，不同切削壓力下的切削效率相差1.4倍。而在250 N和300 N的切削壓力下只工作很短時(shí)間就停止切削所以切削效率很低。

高的切削壓力使得串珠繩上的金剛石微刃壓入材料表面，在串珠繩高速運(yùn)動(dòng)的情況下與被切材料形成一種擠壓式的運(yùn)動(dòng)，易于滑動(dòng)的金剛石磨粒切斷材料而形成切屑，因此有更好的切削效率。但切削壓力過大使金剛石微刃壓入材料而減少了切削材料的容屑空間，并且造成串珠胎體接觸工件表面，增加了串珠繩與被切材料之間的摩擦力，造成切削效率降低甚至切削停止。

圖8 不同切削壓力下的切削效率Fig.8 Cutting capacity for different working pressures

2.3 進(jìn)給速度的影響

圖9給出了在相同的時(shí)間內(nèi)鋼管被切除面積隨進(jìn)給速度(壓力50 N，切削線速度22 m/s)變化曲線，從圖9可以看出，相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)給速度為0.3 m/h時(shí)切除鋼管的面積最大，進(jìn)給速度為0.1 m/h時(shí)切除的鋼管面積最小。當(dāng)進(jìn)給速度小于0.3 m/h時(shí)切削面積隨著進(jìn)給速度的增加而增加，當(dāng)進(jìn)給速度大于0.3 m/h時(shí)切削面積反而減少，存在一個(gè)最佳進(jìn)給速度使得切削面積最大。并且進(jìn)給速度0.4 m/h時(shí)電機(jī)熄火。另外，當(dāng)進(jìn)給速度為0.35 m/h時(shí)觀察到串珠繩振動(dòng)明顯，這可能對切削效率產(chǎn)生了不利的影響。

圖9 不同進(jìn)給速度下的切削量Fig.9 Cutting amount for different feed rates

圖10給出了切削效率隨進(jìn)給速度的變化曲線，可看出，進(jìn)給速度對鋼管的切削效率影響明顯，在進(jìn)給速度為0.3 m/h時(shí)切削效率達(dá)到最大值7.2 mm2/s，而進(jìn)給速度為 0.1 m/h 時(shí)切削效率為 4.16 mm2/s，不同進(jìn)給速度下的切削效率相差1.73倍。但當(dāng)進(jìn)給速度過快時(shí)，同樣造成了電機(jī)熄火，切削停止的現(xiàn)象，這與切削壓力過大時(shí)的情況一致，因此可以認(rèn)為，過大的進(jìn)給速度會造成切削壓力過大，這與文獻(xiàn)［6］中切削參數(shù)對切削力影響的試驗(yàn)研究所得出的結(jié)論一致。

圖10 不同進(jìn)給速度下的切削效率Fig.10 Cutting capacity for different feed rates

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了金剛石繩鋸機(jī)切削海底管道切削效率的試驗(yàn)研究，通過測量相同時(shí)間內(nèi)在不同切削線速度、進(jìn)給速度、切削壓力條件下海底管道的被切削量，得出如下結(jié)論:

1)串珠繩張緊力與壓力的對應(yīng)關(guān)系近似為線性關(guān)系，當(dāng)串珠繩張緊力大于2 600 N時(shí)發(fā)生斷繩現(xiàn)象;

2)切削線速度、進(jìn)給速度、切削壓力對繩鋸機(jī)切削海底管道的切削效率均有顯著的影響，其中切削線速度和進(jìn)給速度的影響略大于切削壓力，且切削線速度和進(jìn)給速度存在最佳值使得繩鋸機(jī)的切削效率最高。

3)一定的切削壓力有利于提高切削效率，但當(dāng)切削壓力大于250 N或進(jìn)給速度大于0.4 m/h時(shí)會導(dǎo)致切削能耗增加進(jìn)而電機(jī)熄火切削停止。

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