深水多功能管道作業機具倒角吃刀量動態誤差研究

郭士清,袁浩然,王立權，莊宇

(1.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007；2.哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；3.佳木斯大學建筑工程學院， 黑龍江佳木斯 154007)

0 前言

管道是海上油氣田的“大動脈”。深水油氣田水深超過1 000 m，水下管道的安裝與維修均依靠水下機器人ROV操控特種裝備完成。深水管道與管道的連接采用機械連接器完成，連接管道前需完成管道切斷、管端內外倒角、去除焊縫、去除防腐涂層等預處理作業，以實現連接器與管道的可靠連接與密封。目前，國外完成深水海底管道預處理作業需4臺機具，深水環境下吊放機具及機具定位非常困難，作業成本高昂。為降低作業成本，哈爾濱工程大學學者們研制了一次裝夾，完成管道切割、管道端內外倒角、焊冠和防腐涂層去除作業的深水多功能管道作業機具。作業時機具裝夾在管道上，因機具夾緊管道裝置兩液壓缸存在同步運動誤差及管道自身存在橢圓度，使機具裝夾后刀盤的回轉中心與管道圓心不同心，客觀存在定心誤差。該定心誤差使機具倒角作業時吃刀量波動，進而造成實際吃刀量與理論吃刀量間出現誤差，導致少切或過切管道。刀盤回轉中心偏心量大時刀具的吃刀量顯著增大，出現打刀現象，嚴重時無法完成作業。深水環境下機器人ROV無法實現換刀，機具吊回母船，將極大增加作業成本。

本文作者對深水多功能作業機具對管端倒角作業時的吃刀量動態誤差進行了研究，并完成了樣機陸上倒角試驗。該機具的研制對保障我國深水油氣田的安全運營有重大現實意義。

1 深水多功能管道作業機具原理樣機

多功能作業機具的原理樣機如圖1所示，主要由機架、夾緊管道裝置、3套動力頭、周向進給裝置、旋轉刀盤、液壓閥箱、ROV對接裝置等組成。液壓系統采用了壓力補償技術。水下作業時，水下機器人ROV的機械臂插入到機具的ROV對接裝置上，使ROV與機具成為一體，ROV攜帶機具到達待維修管道指定位置后，另一臺ROV操控機具，將其夾緊到等待作業管道上。機具的兩套夾緊裝置交替夾緊管道，并與軸向液壓缸配合，實現機具在管道上的蠕動爬行。管道切斷/外倒角動力頭完成切斷管道及管端外倒角作業；磨削動力頭完成管道的防腐涂層去除作業；焊冠/內倒角動力頭完成管道焊冠去除及管端內倒角作業。

圖1 深水多功能管道作業機具原理樣機

2 偏心誤差對吃刀量的影響分析

圖2 吃刀量計算原理 圖3 偏心對吃刀量的影響(Δx=2 mm,Δy=2 mm,R=228.6 mm)

(1)

式中：為管道半徑；為刀盤周向進給角；為點繞點旋轉半徑。

(2)

3 倒角吃刀量動態誤差求解

3.1 管道圓心偏心坐標測量與計算

機具裝夾完成后，刀盤與管道簡化模型如圖4所示。以刀盤回轉中心為原點建立-坐標系，為測得管道圓心在-的坐標(,)，分別在刀盤三套動力頭、、處安裝激光測距傳感器，點、、為動力頭上固定點。因此，在-坐標系下，點、、的坐標(,)、 (,)、 (,)已知，點′、′、′為、、與管道外圓交點。′、′、′長度由激光傳感器測定，設為、、。角、、為在-坐標系下、、與軸夾角，分別為45°、90°、135°。

圖4 管道圓心O偏心量求解原理

(3)

3.2 倒角吃刀量動態誤差計算

刀具吃刀量誤差計算原理如圖5所示。初始時刻機具倒角進刀后，設刀位點′為刀具與管道外圓的交點，當刀盤繞回轉中心旋轉角時，刀具(刀具延長線)與管道外圓交點為，與刀位點′的未修正軌跡圓的交點為″，點、″間的距離即為刀具的吃刀量誤差，記為=″，初始時刻刀位點′的軌跡圓半徑=-。刀位點′的軌跡圓與管道外圓的另一個交點(,)與軸的夾角為。以刀盤坐標系-為基系，刀盤坐標系與管道坐標系存在兩種情況：(1)情況1，管道圓心(,)在-坐標系的第三象限；(2)情況2，管道圓心(,)在刀盤坐標系-的第四象限。現以情況1為例討論倒角吃刀量誤差情況。

圖5 γ>0時吃刀量誤差計算原理

(4)

經計算：

(5)

式中：

如圖5所示，以點′為起點逆時針旋轉，推導刀具吃刀量誤差公式，由以上條件，可以求得：

(6)

經計算：

(7)

同理，可以求出在其他象限時吃刀量誤差的計算公式與式(7)相同，但系數、變化。

②當π/2≤≤π時，系數、為

=2(-|sin|||+|cos|||)

=2(+|sin|||-|cos|||)

=2(+|sin|||+|cos|||)

=-2(+|sin|||+|cos|||)

(2)當偏心量較小時，刀位點′的未修正軌跡圓與管道外圓的交點(,)在第四象限，此時<0，如圖6所示，求得的吃刀量誤差與式(7)相同，系數、變化。

圖6 γ<0時吃刀量誤差計算原理

①0≤≤π/2時，系數、為

=2(-|sin|||+|cos|||)

②π/2≤≤π時，系數、為

=2(-|sin|||-|cos|||)

=2(+|sin|||-|cos|||)

=-2(+|sin|||-|cos|||)

=-2(+|sin|||+|cos|||)

同理可求出管道圓心(,)在-坐標系四象限時吃刀量誤差計算公式。

4 倒角吃刀量誤差控制試驗驗證

通過機具陸上外倒角吃刀量誤差控制對比試驗，檢驗刀具吃刀量誤差控制算法的有效性。倒角刀的機床倒角試驗表明吃刀量應小于4.5 mm。多功能機具的剛性較弱，機具倒角時應將吃刀量控制在3.5 mm以內，防止刀具損壞。機具作業時，控制初始時刻刀具吃刀量小于1.5 mm，即將倒角吃刀量誤差控制在±2 mm以內。試驗鋼管為深水X70級管道，管徑457.2 mm(18英寸)，壁厚19.5 mm。機具試驗系統如圖7所示，作業刀具為自行研制的切斷與外倒角復合刀具。試驗結果如圖8所示，從圖8(a)中可以看出：未控制吃刀量誤差時，吃刀量變化較大，造成刀具損傷；從圖8(b)可以看出：對倒角吃刀量誤差進了控制，管道倒角質量良好，符合工程要求。通過機具外倒角吃刀量誤差控制對比試驗，驗證了控制算法的有效性。

圖7 多功能作業機具陸上試驗系統

圖8 機具倒角作業性能試驗

5 結論

深水多功能管道作業機具自定心夾緊裝置兩液壓缸存在同步運動誤差，同時管道自身存在橢圓度，使機具裝夾時刀盤回轉中心與管道圓心客觀存在定心誤差。該定心誤差使機具管端倒角去除毛刺作業時吃刀量誤差大，嚴重時出現打刀現象。本文作者針對此關鍵問題進行了研究，得出結論如下：

(1)吃刀量誤差仿真分析結果表明：在偏心量Δ、Δ為2 mm，管道半徑為228.6 mm情況下，最大吃刀量將達到5.8 mm，如此大的吃刀量將損傷刀具；

(2)基于三點定圓原理，提出了采用3套激光測距傳感器、自動測量管道圓心相對刀盤回轉中心偏差的測量方法。在此基礎上，推導了刀位點動態吃刀量誤差數學模型；

(3)樣機陸上自動控制倒角吃刀量性能試驗驗證了定心誤差測量方法及吃刀量動態誤差模型的有效性，解決了機具水下作業時，管端倒角作業吃刀量變化大、打刀的關鍵技術難題。