深水多功能管道作業機具切削系統設計與試驗研究

王立權, 郭士清,2, 弓海霞, 賈鵬

(1. 哈爾濱工程大學 機電學院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯154007)

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深水多功能管道作業機具切削系統設計與試驗研究

王立權1, 郭士清1,2, 弓海霞1, 賈鵬1

(1. 哈爾濱工程大學 機電學院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯154007)

針對深水X70鋼級管道維修時磨削防腐層時易過切、切斷困難及多種機具配合作業效率低的問題，提出了“一次”裝夾，多工序加工的新型多功能維修機具方案。機具通過銑削方法切斷管道、去除焊冠、內外倒角，基于波形刃銑刀機床銑削實驗，獲得了銑削力經驗公式；采用研磨盤去除防腐涂層，并設計了一種自適應管橢圓度變化的旋轉柔順機構，進行了磨削工具的水下作業力學分析；完成了機具的設計、制造及陸上作業試驗。結果表明：磨削阻力矩隨磨削壓力和作業工具半徑的增大顯著增大；大直徑波形刃銑刀切割X70鋼級大壁厚管道時不夾刀、切管時間短；銑削力隨刀具轉速及進給速度的增大而增大，當銑削力達到5 000 N時，機具顫振明顯；陸上試驗與預期相符，驗證了該方案的合理性，為工程樣機的研制奠定了技術基礎。

深水；多功能管道作業機具；磨削動力頭；波形刃鉆銑刀;試驗研究

水深超1 000 m的海底油氣管道廣泛采用大壁厚、小管徑、難切削的X70鋼級單層鋼管[1]。管道所處環境壓力高，一旦發生損壞，維修時需動用大型支撐船、(remotely operated vehicle，ROV)及深水管道維修機具等裝備，成本高昂。目前，國外修復深水損壞嚴重管道時廣泛采用無潛機械連接技術[2]，連接器連接管道前需對管道完成預處理工作，即切斷管道、管端倒角，去除防腐層(fusion bond epoxy, FBE)與焊冠，完成上述工作需管道切斷、管端倒角、防腐層/焊冠去除多種機具配合，作業時需多次吊放機具且深水環境下ROV操控機具二次定位困難，降低了作業效率[3-7]。目前，現有的水下管道FBE去除機具廣泛采用磨削技術，作業工具為砂輪棒[8-9]。因深水X70鋼級油氣管道防腐層只有4 mm，且橢圓度較大，深水環境下，采用現有機具技術磨削管道FBE時很難控制作業精度，易過切管道，使機械連接器無法實現對管道的有效密封。管道切割技術以Waches、Statoil公司的深水金剛石繩鋸機及閘刀鋸為代表，這兩種機具切割X70級海底管道時存在問題如下：1)刀具磨損嚴重，需多次換刀[10]；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。

本文對多功能管道作業機具的切削系統進行了研究，并完成了樣機研制與陸上試驗。該機具的研制對保障荔灣3-1深海氣田的運營具有重大意義。

1　深水多功能管道作業機具原理樣機

深水多功能管道作業機具由ROV攜帶入水，定位到待作業管道上并操控其完成作業，因此機具需安裝浮力材料。水下工作環境惡劣，機具采用全液壓驅動，深水液壓動力源采用壓力補償技術并由ROV攜帶，應急動力源由ROV自身提供[11]，液壓閥箱安裝在本體上，箱體內充油并與補償器連接，實現對海水壓力的自適應補償[12-13]?？刂葡到y采用水上工控機與水下PLC兩級控制方案。深水環境黑暗，機具安裝水下攝像機及傳感器監測其工作狀態。

在深入研究國外深水管道維修工藝及機具相關資料的基礎上，完成了能夠對12～18英寸管徑管道維修作業的機具總體結構設計，該機具主要包括切削系統、機架、夾緊裝置、液壓閥箱、水下控制系統、ROV對接裝置、深水液壓動力源、浮力材料等。切削系統由周向進給馬達、小齒輪、旋轉刀盤、切斷動力頭、磨削動力頭、銑焊冠動力頭構成，實現對管道的作業。其三維結構如圖1所示。

圖1　深水多功能管道作業機具結構Fig.1　Model of multifunctional repair machinery structure

海底油氣管道為長距離無盡端鋼管，機具無法從管道端部軸向串入夾持管道，因此，機具以兩套相同的具有開式夾持運動鏈的“自定心” 夾緊裝置為載體，以徑向跨騎方式夾臥在管道背部，既解決了機具的固定問題，又保證了加工過程中切口位置的準確；機架作為整個機具其他模塊的承載機構，呈“C”型開口狀，由“C”型框架板和支承軸構成，呈桁架結構，有效減輕了機具重量和水阻力；旋轉刀盤由“C”型齒圈與“C”型圓盤連接而成，采用周向進給馬達同步驅動兩個小齒輪與大齒圈嚙合的方法，實現旋轉刀盤360°周轉；切斷動力頭采用立銑方式完成對管道的切斷、外倒角作業。該方案優點為:1)刀具為波形刃螺旋鉆銑刀，銑削力小，銑削穩定性高；2)切口寬，作業時能夠塞入楔塊，解決夾刀問題；3)刀刃長，適合加工厚壁管道；4)切削速度高，提高了切削效率。銑焊冠動力頭采用燕尾式銑刀完成去除管道焊冠、管端內倒角作業；磨削動力頭采用磨削方法去除防腐層，工具為研磨盤。對管道進行去除焊冠、防腐涂層的軸向作業長度超過了刀具直徑，采取雙套夾緊裝置交替夾緊管道并與軸向液壓缸配合作業方式實現機具的軸向蠕動爬行。

2　切削系統設計

2.1磨削動力頭設計

2.1.1　磨削動力頭結構

磨削動力頭結構如圖2所示，由主運動系統、進給運動系統組成。主運動系統由液壓馬達、旋轉柔順機構、磨削工具等組成；進給系統由進給馬達、減速器、鏈輪、絲杠、導軌等組成。進給系統大鏈輪上裝有過載保護器，當磨削工具過載時，過載保護器與絲杠脫離，進給運動停止。

圖2　磨削動力頭結構Fig.2　FBE grinding device structure

圖3　旋轉柔順機構Fig.3　Rotating compliant mechanism

旋轉柔順機構如圖3所示，圖中內套筒具有聯軸器功能，其上端通過鍵與馬達軸相連，下端通過十字銷軸與作業工具軸相連，實現旋轉動力的傳遞。內套筒下側開有滑槽，工具軸與內套筒間留有間隙，工具軸與內套筒通過十字銷軸和壓縮彈簧連接，工具軸繞十字銷軸實現擺動，壓縮彈簧提供磨削壓力，實現工具軸的軸向移動，工具軸的擺動與軸向移動使作業工具能夠自適應管道外表面的不規則變化，避免作業時損傷管道。

2.1.2　磨削工具水下作業力學分析

磨削作業時，研磨盤受到的海水粘滯阻力矩、摩擦阻力矩、慣性阻力矩計算如下：

1)海水粘滯阻力矩

把旋轉的盤形工具看成圓盤旋轉運動，由邊界層理論計算海水對作業工具產生的粘滯阻力矩為:

(1)

式中：Mv為作業工具所受海水粘滯阻力矩；ρ為海水密度，ρ=1 030 kg/m3；R為工具半徑，mm ;v為海水運動粘性系數，v=1.01×10-6，m2/s；ω為工具旋轉角速度，rad/s。

2)摩擦阻力矩

(2)

式中：Mf為工具所受摩擦阻力矩；F為彈簧壓力，N；μ為摩擦系數。

3)慣性阻力矩

(3)

式中：MC為慣性阻力矩；J為轉動慣量，kg·m2；ε為角加速度，1/s2；m為質量，kg ；n0為轉速，r/min；t為加速時間，s。

為適應作業負載，驅動馬達輸出轉矩應滿足：

(4)

取研磨盤厚度d=15 mm，其所受力矩與半徑、轉速、彈簧壓力的關系如圖4所示。由圖中可以看出摩擦阻力矩隨正壓力和半徑的增大顯著增大，對馬達輸出力矩影響較大；研磨盤受到的粘制阻力矩和慣性阻力矩隨半徑和轉速的增加而增大。設計時取研磨盤半徑為150 mm，轉速為800 r/min，壓力為100 N，則驅動馬達轉矩應大于6.2 N·m。

圖4　磨削阻力矩與半徑、轉速及壓力等高線圖Fig.4　The relationship between the torque of grinding tool and radius, speed and positive pressure

2.2切斷動力頭設計

2.2.1　切斷動力頭結構

切斷動力頭結構如圖5所示。

圖5　切斷動力頭三維結構Fig.5　3D model of cutting head

切斷過程屬重銑削，銑削力大，因此，要求動力頭提供足夠的力矩且切削過程平穩。

2.2.2　波形刃銑刀銑削力實驗

波形刃銑刀是一種切削刃為螺旋狀正弦曲線的特殊銑刀，它具有重切削、切削效率高、振動小、尤其適用于動剛度較差機床等優點。其刃線形狀復雜，因此對其銑削力的研究非常少。X70深水管線鋼屬于低碳高錳合金鋼，強度高、塑性高、韌性好，屬于新型的難加工材料。目前，對這種鋼材的切削性研究還未有文獻報道。本文通過實驗方法研究自主研制的波形刃銑刀的銑削力，以期指導機具的設計及切削用量的選擇。

1)銑削試驗設計

銑削力試驗用機床為漢川XH714D立式加工中心，刀具為自主研制的高速鋼4齒后波形刃復合鉆銑刀，直徑為25 mm，螺旋角β=30°，前角γn=15°，后角α0=15°,刃長為70 mm。工件材料為X70管線鋼，力學性能見表1。

銑削力實驗系統如圖6所示，測力儀為 Kistler 9265B 三向測力儀。銑削方式為順銑，沿y方向進給，干式切削。

表1　設計參數

切削合力F可由機床三個軸向分力Fx、Fy、Fz共同合成，同時，刀刃上的切削合力F也可分解為切向力Fc、徑向力Fr和軸向力Fa。由于本實驗切削厚度相對刀具半徑很小，Fr和Fx非常接近。因此，銑削力測量時，可用Fy、Fx代替Fc和Fr進行分析。

圖6　銑削力測試Fig.6　Milling force testing

2) 銑削力經驗模型建立

選取不同的切削參數進行正交試驗，試驗方案及結果如表2所示。

表2　正交試驗方案及試驗結果

表3　切向力直觀分析

對切向力Fy進行直觀分析，結果如表3所示，從表中可知，切削力隨轉速、切削深度和每齒進給量的增大而增大，由極差分析結果可知，影響切削力的因素順序為：切削深度、每齒進給量和轉速。

對表2中的切削力進行非線性回歸分析，可得波形刃銑刀的銑削力經驗公式為：

(5)

方程擬合優度指標R2值分別為0.987 1、0.978 3和0.981 6，非常接近1，表明該模型具有較好的預測精度。

2.2.3　主軸馬達驅動力矩

理論計算取銑削最大管徑457.2 mm，壁厚19.05 mm的極端工況，轉速n取250 r/min；銑削深度ap為19.05 mm，每齒進給量fz為0.02 mm。由式(5)經計算得Fc為3 379.9 N。

切斷動力頭主軸馬達輸出力矩應滿足下式：

(6)

式中：Tz為主軸馬達輸出力矩；i為減速器傳動比，i=3；ηt1為主軸系統傳動效率，取0.6。代入相關數據計算得Tz≥23.74 N·m。

馬達輸出功率為

(7)

式中：n取750 r/min。經計算P0=0.62 kW。

2.3主軸馬達驅動力矩

周向進給作業時，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，則驅動馬達需克服刀盤受到的摩擦阻力矩、切削阻力矩及陸上切削系統偏心力矩，即：

(8)

式中：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；i1是齒輪傳動比，為17.6；η1是齒輪傳動效率,取0.98；i0蝸輪減速器傳動比，為900；η0為蝸輪減速器效率，取0.65。切削18英寸管道，切削阻力矩最大，刀盤轉到3點鐘位置時重力偏心矩最大，經計算TM≥0.48 N·m。

3　試驗研究

通過機具陸上對單層管道作業試驗來驗證機具的設計原理及作業性能。機具試驗系統如圖7所示，試驗用管道參數如表4所示。

表4　管道參數

圖7　多功能維修機具陸上試驗系統Fig.7　Test system of multifunctional pipeline repair machinery

3.1陸上作業性能試驗

維修機具陸上性能試驗主要步驟如下:

1) 完成準備工作，主要包括管道就位、機具就

位、液壓系統連接等；

2) 啟動液壓泵站，調定系統壓力為10 MPa；

3) 前后夾緊裝置同步運動，機具抱緊管道；

4) 切斷動力頭與旋轉刀盤配合，完成對管道的切割與外倒角；

5)銑焊冠動力頭與旋轉刀盤配合工作，對管道進行內倒角；

6) 磨削動力頭與旋轉刀盤配合工作，去除管道外防腐涂層。

其主要作業過程如圖8所示，從圖中可以看出機具能夠實現“一次”裝夾，完成對管道的預處理作業，驗證了切削系統設計的正確性。

圖8　機具作業性能實驗Fig.8　Test of operating performance

3.2切斷動力頭工藝參數試驗

銑削力是影響機具受迫振動的重要因素，通過試驗確定合理工藝參數，以使銑削力控制在合理范圍內，避免機具振動過大，損壞刀具。因切削力無法直接測量，通過測量馬達流量、進出口壓力、銑刀轉速，按式(6)、(7)、(9)可間接得到切向銑削力Fc。Fc與銑刀轉速nt、刀盤進給速度vf的關系如圖9。

馬達輸出功率：

(9)

式中：ΔP為馬達進出口壓力差，MPa；q為流量，L/min；ηt為馬達機械效率，取0.82。

圖9　Fc與nt、vf關系Fig.9　The relationship between Fc, nt and vf

由圖9可可知，在刀盤進給速度一定情況下，Fc隨轉速nt的增大而增大，在轉速nt一定時，Fc隨進給速度vf的增大而增大。當Fc達到5 000 N時，觀察到機具顫動明顯。因此，作業時應合理選擇切削參數，以免機具振動過大，損傷刀具。

4　結論

通過對深水海底管道無潛機械連接工藝分析，提出了一種“一次”裝夾，多工序加工的新型多功管道維修作業機具方案，闡述了其結構組成與工作原理。對維修機具的切削系統進行了重點研究，完成了機具試驗樣機的研制與陸上作業試驗。通過上述研究得出結論:

1)設計的旋轉柔順去除FBE裝置，能夠自適應管道表面形態變化，解決了現有機具水下作業時易過量磨削管道的技術難題；

2)采用波形刃立銑刀銑削方法，解決了“在線切割X70鋼級大壁厚油氣管道、切管夾刀、時間長”的關鍵技術問題；

3)切斷作業時，增加刀具轉速與進給速度有利于提高切削效率，同時切削力增大，當切削力達到5 000 N時，機具顫振明顯，將損傷刀具；

4)機具的陸上管道預處理作業試驗與預期相符，驗證了機具設計的合理性。

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本文引用格式：

王立權, 郭士清, 弓海霞，等. 深水多功能管道作業機具切削系統設計與試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2016, 37(9): 1287-1291.

WANG Liquan, GUO Shiqing, GONG Haixia，et al. Design and prototype test of the deepwater multifunctional pipeline repairing machinery cutting system[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1287-1291.

Design and prototype test of deepwater multifunctional pipeline repair machinery cutting system

WANG Liquan1, GUO Shiqing1,2, GONG Haixia1, JIA Peng1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Department of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

Anti-corrosion coatings are apt to be cut too much by grinding, and it is difficult to cut through a deepwater X70 steel-grade pipeline. This task is also inefficient in alternate operations when using various other mechanisms. Therefore, we propose a new scheme for multifunctional pipeline repair machinery (MPRM) that uses one-time clamping but multistage manufacture. Using the milling method, we can cut the pipeline, remove the welding crown and perform chamfering. Using a waved-edge milling cutter in a milling experiment, we obtained the empirical formula for the milling force. We removed the anti-corrosion coating using a grinding disc, and designed a complementary mechanism that automatically adapts to ellipticity changes. We performed an underwater mechanical analysis with respect to the grinding tool, and completed the system design, manufacture, and land test. The results show that the grinding resistance torque significantly increased with an increase in the grinding pressure and the radius of the operating tool. The large-diameter waved-edge drilling and milling cutter was not clamped when cutting the X70-steel thick-walled pipeline, and the cutting time was shorter. The milling force increased with an increase in the cutting speed and feed rate. When the cutting force reached 5000 N, there was significant machine chatter. The onshore test results verify the feasibility of the design for MPRM. This study lays a technical foundation for the development of an engineering prototype.

deepwater; multifunctional pipeline repair machinery; grinding power head; waved-edge drilling and milling ;prototype test

2015-10-22.

時間：2016-09-07.

國家科技重大專項(2011ZX05027-005);國家自然科學基金青年科學基金項目(51305088)；中央高?；究蒲袠I務費項目(HEUCF1607047).

王立權(1957-), 男, 教授,博士生導師；

郭士清，E-mail：zygsq951422@163.com.

10.11990/jheu.201510055

TE977

A

1006-7043(2016)09-1287-06

郭士清(1973-), 男, 副教授,博士研究生.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160907.1042.004.html