大直徑鋼管馬鞍口切割機接料斗的設計及應用研究

姜立群，汪春標，吳 彬，張 耀，龐京向，谷玉亮

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

海洋石油勘探向深海發展,用于海洋油氣開采的導管架和組塊規模趨向大型化,相應的導管、拉筋及立柱管徑、壁厚也隨之增大,加工過程中管端相貫線口型多種多樣,切割難度和精度也越來越高[1]。焊接管相貫口的切割質量直接制約著相貫節點的質量和精度[2]。傳統的施工做法是通過設計工程師利用CAD繪圖軟件編制一個馬鞍口切割模擬的程序。基于幾何學的相貫線切割運動，分解為管子繞其軸線的旋轉以及割炬的平移運動，其中割炬始終位于管子軸線的平面內。同時由于管子厚度的因素，其內外表面所形成的兩條相貫線構成空間曲面[3]。

相貫線的各類方程式非常適合編程，通過研究人員利用計算機程序代碼編程，繪圖員即在該程序指引下經過一系列規范操作，生成CAD版的管子單件圖，并下發制管車間一份模擬管子端部馬鞍口形狀的1∶1的樣板圖。收到圖紙后，車間可通過將CAD的樣板圖進行圖紙打印，形成實物的馬鞍口放樣樣板紙。施工工人在鋼管端部貼合上放樣樣板紙，并進行參照劃線。經過車間工人多年不斷的實踐和改良，當前帶滾輪的氣割槍工裝可實現鋼管馬鞍口半自動切割，切割質量和效率均有所提高，如圖1所示。

隨著社會科技發展和進步，為了改變傳統鋼管馬鞍口人工半自動切割的現狀，幾年前，海洋石油工程(青島)有限公司引進了兩臺較先進的大直徑鋼管馬鞍口切割機。該切割機常用于海洋工程中大直徑、長管的管端切割工作，采用被切割管不動,懸臂帶動切割槍轉動的方式,能夠完成海油氣平臺建造中常見的各種復雜節點形式的管端馬鞍口的切割工作[4]。

圖1 帶滾輪的氣割槍切口施工現場圖

馬鞍口切割機的適用范圍是直徑406～2000mm之間，長度在9-70m之間的大直徑接長的鋼板卷制成形的海洋工程鋼管。如圖2所示，兩臺馬鞍口切割機的工作原理是中間固定臺車，兩邊有兩個活動臺車可頂升大直徑接長鋼管，并同步完成鋼管的升降和水平調整，保證鋼管的同心度。兩臺管端相貫線切割設備分別置于待切鋼管的兩端，可在鋼軌上長距離的移動，進行切割作業，滿足切割不同長度管子的要求。兩臺移動接料車在切割完成后，用于接住切割的廢料。

圖2 馬鞍口切割機工作原理示意圖

經過調心校正后，切割機進行切割作業，此時，必須有一個施工人員登上接料斗的作業平臺進行監火，復核馬鞍口口形切割狀態。當鋼管端部的馬鞍口頂面即將完成圓周方向的切割斷口前，施工人員需要使用操控手柄將移動接料車提升到接料最大高度，接料車就位后，實施機器斷口。

斷口后，鋼管切割的端口廢管段會自由滑落到接料車上的接料斗內，這時由于沖擊作用，接料斗會產生較大震蕩，由于操作平臺內側并沒有設置安全護鏈，站立在操作平臺上的施工人員存在隨著廢管段墜落的安全隱患。

如圖3所示，原有接料車上的接料斗存在以下缺點：

原系統舊料斗為6mm花紋鋼單層底，重量輕，料頭墜落震蕩較大。原舊料斗提升高度有限，存在300mm高差，料頭墜落勢能大。原料斗工作平臺窄小，內側無法加護欄，施工人員看火作業存在安全隱患。原料斗沒有維修平臺，機器故障時，不方便維護。

圖3 原有接料車及接料斗的維修現場圖

1 概念設計

結合馬鞍口切割機系統的操作流程，接料臺車的尺寸和荷載情況，現有車間利庫材料情況，以及車間對于新料斗使用時需要配備的一些功能，對于新料斗的概念設計提出了以下幾點技術要求，新料斗的TEKLA三維模型見圖4。

第一、接料斗制作材料，優先使用車間利庫材料，全部采用Q235B的碳素鋼材。

第二、料斗底板下的升降框架(槽鋼)尺寸2195×1000mm，與料斗之間的定位是中心對中心。

第三、切割最大管徑為2000mm，管子最下端與原料斗底板之間距離是300mm，新料斗采取曲面雙層底，并向上提升了250mm，僅剩50mm的落差，降低料頭的下落時的勢能。

圖4 新料斗三維模型示意圖

第四、接料臺車的設計荷載是4噸，其中2000mm管徑料頭最重為2噸，新料斗的設計承載力為2噸，但新料斗設計自重應控制在1.6噸，即90%臺車承載力的范圍內為宜。

第五、接料斗主要承重構件使用10mm鋼板，內外間隔設置強肋骨，自帶四個吊點，次要承重構件使用6mm鋼板，附屬結構由鋼管、型鋼、鐵鏈等組成。

第六、為了保證新料斗的使用性能，加寬作業平臺和增設維修平臺，設置欄桿和護欄，其中操作平臺內側設置踏板和可拆卸護欄。各平臺均僅限上一人，且不得同時上人。

第七、新料斗需要進行防腐處理，油漆噴涂要求為接料斗主要結構為藍色，料斗平臺以上附屬結構為白色，并懸掛安全警示標識。

2 有限元分析

2.1 簡化模型

應用有限元分析軟件ANSYS對該新料斗進行計算分析，在模型中僅考慮了主次結構，對于附屬結構的梯子、欄桿、踢腳板等三級結構不做考慮，主次結構的強度校核采用WSD方法，參考API RP 2A規范[5]的公式進行校核。

圖5 新料斗的力學簡化模型

2.2 邊界條件

在料斗底部位置約束兩條長邊的X、Y、Z三個方向的平動位移。如圖2.1所示。

圖6 計算邊界條件

2.3 工況設置

該計算考慮兩種外加荷載共四種危險工況。在各種工況中均考慮結構自重，在軟件中以施加Standard Earth Gravity來體現。

工況LC1： 操作平臺站1人

考慮部分施工機具，總重按100kg估算，取1.5倍動載系數，為150kg，即施加1500N的荷載。受力面按照操作人員的雙腳面積約為300cm2估算，位置在為大開口一側的邊緣處，如圖7所示。

工況LC2：維修平臺站1人

考慮部分施工機具，總重按100kg估算，取1.5倍動載系數，為150kg，即施加1500N的荷載。受力面按照操作人員的雙腳面積約為300cm2估算，位置選在大開口一側的邊緣處，如圖8所示。

工況LC3：操作平臺踏板站1人

考慮部分施工機具，總重按100kg估算，取1.5倍動載系數，為150kg，即施加1500N的荷載。受力面按照操作人員的雙腳面積約為300cm2估算，位置選在兩個支撐筋板中間的活動踏板無支撐處，如圖9所示。

工況LC4：廢料頭墜落至雙層底內底面

最大管徑為2m，其切割料頭重量取為2t掉落高度為50mm，故可以忽略料頭掉到料斗上的速度，可視為將料頭突然放到料斗上，故其沖擊荷載的動荷系數Kd=2，則沖擊荷載為4噸，即40000N。受力面選為雙層底上地面的非橫肋板直接支撐處，如圖10所示。

圖7 工況LC1 操作平臺站1人

圖8 工況LC2 維修平臺站1人

圖9 工況LC3 操作平臺踏板站1人

圖10 工況LC4廢料頭墜落至雙層底內底面

3 校核結果

3.1 屈服強度校核

屈服強度校核基于米塞斯應力，對于板單元，米塞斯應力按下式計算：

式中： σjd——設計桿件在X方向上的應力；

σyd——設計桿件在Y方向上的應力；

τd——設計桿件在X-Y平面內的剪切應力。

料斗結構米塞斯應力應不超過結構的許用應力： 。 為結構的許用應力，按下式計算：σjd≤σallow。

σallow=0.6fy=0.6×235=141MPa

3.2 剛度校核

最大綜合位移應不超過規范規定的板的撓度允許值：Vmax≤VT。

其中VT為規范規定的撓度允許值。依據《鋼結構設計標準》GB 50017-2017[6]板的撓度允許值為：VT=L/150。(其中L為板的跨距。)

3.3 計算結果

各工況的計算結果如表2所示，詳細應力云圖和變形云圖，如圖11～圖18。

表2 計算應力及變形匯總

圖11 工況LC1應力云圖

圖12 工況LC1變形云圖

圖13 工況LC2應力云圖

圖14 工況LC2變形云圖

圖15 工況LC3應力云圖

圖16 工況LC3變形云圖

圖17 工況LC4應力云圖

圖18 工況LC4變形云圖

3.4 計算結論

本文所設計的新料斗的結構滿足強度和剛度要求。

4 應用情況

新料斗預制噴涂完成后，制管車間將舊料斗在接料車升降機架上進行了切除，并吊裝新制作的料斗與升降機架進行間斷焊固定。在使用過程中，結合現場的實際情況，為了防止切割后的料頭發生滑動，在新料斗內底板的上表面點焊部分螺紋鋼管，增加了摩擦力。馬鞍口數控切割機，在進行切割作業中，由于新料斗重量增加，且雙層底的高度提升較大，料頭墜落勢能降低，并且有了可拆卸欄桿的護鏈，當廢料頭發生墜落時，新料斗產生的震蕩較舊料斗有明顯減小，保證操作平臺上的施工人員更加安全，新料斗完工應用實物，如圖19所示。

圖19 新料斗完工應用實物圖

5 結論

本文結合馬鞍口切割機原有系統的操作流程，接料臺車的尺寸和荷載情況，現有車間利庫材料情況，以及新料斗使用性能分析，對一種新式大直徑鋼管馬鞍口切割機接料斗進行了設計及應用研究。文中對新料斗主要結構進行了TEKLA模型和

ANSYS模型建立，并通過設定兩種外加荷載共四種危險工況，進行了強度和剛度的計算分析，形成計算結論用于指導新料斗的預制。在新料斗使用過程中，車間工人又進行了部分優化改進，使其更加貼合生產實際，滿足鋼管數控切割的使用要求。本文對于海洋工程領域車間自制工機具的設計及應用起到參考價值，既體現了車間自制工機具設計的創新性，也充分落實了技術服務生產的實用性。