大直徑鋼管對中裝置的研制

喬鵬飛，岳 斌，朱昊天

（1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

1 引言

輸送管道在現(xiàn)代世界里的應(yīng)用無處不在，如市政排水建設(shè)、電力通信、燃?xì)馊加洼斔鸵约熬用袢粘Ｓ盟妮斔投紩褂霉艿纴磉_(dá)到輸送目的。雖然各種輸送管道的使用在很大程度上簡化了物料輸送的難度，但是不可避免的一個現(xiàn)實問題就是輸送管道在安裝過程中不可能是一個完整的個體。因此施工現(xiàn)場使用多條分段輸送管道拼接的方案解決管道安裝應(yīng)用的問題。傳統(tǒng)管道對接的大部分關(guān)鍵工作都是由人工來完成的，傳統(tǒng)做法不僅會耗費大量的人力物力，而且還會不可避免地產(chǎn)生由人工操作帶來的鋼管對接誤差，這些對接誤差會對后期的調(diào)整過程造成麻煩。因此，制造出一種能夠代替人工進(jìn)行精確管道對中操作的管道對中裝置是非常有必要的。

國外生產(chǎn)的管道對接裝置類型包括鏈?zhǔn)酵鈱谄鳌⑹謩痈軛U式與弓形液壓外對口器、氣動內(nèi)對口器等，其中以Junction tool 公司為代表研制的鏈?zhǔn)酵鈱谄鞑捎闷狡鹬劓湸鎮(zhèn)鹘y(tǒng)對口器的剛性環(huán)結(jié)構(gòu)，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅減輕了整體裝置的重量，還增加了裝置的靈活性，但是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的使用也使得裝置的制造成本增加且鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)易磨損。以Mathey 公司為代表生產(chǎn)的手動杠桿式外對口器，其夾緊功能由杠桿和凸輪配合實現(xiàn)，裝置操作簡單，管道對接精度相對較高，且裝置具有自鎖功能，但是其同一型號的對口器只適用于一種管徑尺寸的對接，這就使得此裝置的使用場景大大受限，不能夠根據(jù)現(xiàn)場的施工需求進(jìn)行及時的調(diào)整。以O(shè)RC 公司為代表研制的氣動內(nèi)對口器，其整體裝置由滑輪行走裝置、擴張導(dǎo)向裝置、擴張對接裝置以及裝置操作系統(tǒng)組成，在保證管口對接精度的基礎(chǔ)上增加了裝置的可操作性，但是此裝置的結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，增加了裝置后期的維護(hù)成本，且此裝置對工作環(huán)境要求較高。

孟慶鑫，弓海霞等在對國外對口器的先進(jìn)技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，針對不同管道，從結(jié)構(gòu)、可靠性等因素出發(fā)開發(fā)出一種采用鏈?zhǔn)酵鈱诜绞降墓艿缹χ醒b置，裝置采用液壓驅(qū)動，其優(yōu)點是對口力大、操作簡單且抗腐蝕。劉文川，石凱等結(jié)合中國油氣長輸管道現(xiàn)場施工中對口器及對口方法的應(yīng)用狀況，針對不同施工情況下的管道對接，對管道對口器的選擇提出了指導(dǎo)性意見。李崇冰設(shè)計了一種新型的簡易外對口器，裝置不受管徑大小以及施工環(huán)境的影響且操作簡易。

基于上述原因，根據(jù)滇中引水工程實際需要，研制了一種適用于大口徑的管道外對口器裝置，相比以往傳統(tǒng)的管道對中裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小質(zhì)量輕、操作簡單。可以做到一個裝置解決不同口徑管道快速對接的問題，且適用于野外和室內(nèi)的施工環(huán)境。

2 鋼管對中裝置結(jié)構(gòu)

2.1 裝置機械部分

大口徑輸水管道對中裝置機械結(jié)構(gòu)主要由3部分組成，分別是基礎(chǔ)滑臺部分、電機驅(qū)動裝置、管道承托部分（管道升降機構(gòu)），其中基礎(chǔ)滑臺部分是由水平滑軌和兩個滑塊組成，電力驅(qū)動部分是由伺服電機、減速器以及聯(lián)軸器組成，管道承托部分是由設(shè)備支撐頂升座、管道支撐板組成；其中基礎(chǔ)滑臺部分中的兩個滑塊可以帶動管道承托部分來間接地左右移動管道，進(jìn)而調(diào)節(jié)待對接管道在水平方向上的角度誤差；電機驅(qū)動部分通過伺服電機、減速器和聯(lián)軸器來驅(qū)動移動絲杠進(jìn)而移動絲杠帶動移動滑塊在水平滑軌上左右移動；管道承托部分與待對中地的管道直接接觸，其中管道承托部分的管道支撐板的形狀為契合管道形狀的圓弧形，保證在移動的過程中管道不發(fā)生晃動。

2.2 裝置控制系統(tǒng)

大口徑輸水管道對中裝置的控制系統(tǒng)采用PLC 為主控元件，裝置的控制方式為無線遙控控制。裝置的控制系統(tǒng)主要由無線信號發(fā)射器、無線信號接收器、PLC控制單元、線路分輸模塊這幾部分構(gòu)成。其中無線信號接收器和PLC 控制單元由單獨的供電單元進(jìn)行供電。無線信號發(fā)射器由電池進(jìn)行供電，無線信號發(fā)射器的控制面板上包括管道承托部分獨立升降、基礎(chǔ)滑臺部分滑塊同向移動等功能按鈕；通過操作相應(yīng)功能的按鈕發(fā)出相應(yīng)的動作指令，無線信號接收器接收動作指令并將指令傳送到PLC控制單元；PLC控制單元將處理過后的指令信息通過線路分輸模塊傳送給相應(yīng)的機械執(zhí)行結(jié)構(gòu)，最后由相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)完成目標(biāo)動作執(zhí)行。

3鋼管對中裝置工作過程

3.1 工作原理

裝置整體的工作原理如圖1所示。

圖1 管道對中裝置工作原理圖

如圖1所示，操作人員只需在無線信號發(fā)射器控制面板選擇按壓相應(yīng)功能的按鈕，然后控制信號被無線信號接收器接收，PLC 控制單元對控制信號進(jìn)行識別與處理：如果控制信號內(nèi)容是左右移動滑塊調(diào)節(jié)水平距離，則經(jīng)PLC處理過后的相應(yīng)的控制信息會通過線路分輸模塊傳送到相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)即電機驅(qū)動裝置；若控制信號內(nèi)容是升降管道高度，則經(jīng)PLC 處理過后的控制信息會通過線路分輸裝置傳送到管道升降機構(gòu)來完成最終的管道高度調(diào)整。此外該管道對中裝置在施工過程中需成對使用，兩管道對中裝置分別放置于待對中管道的兩端。

3.2 工作過程

在管道對中裝置使用前，需要先使用吊升裝置將待對中的管道放置到實現(xiàn)準(zhǔn)備好的基準(zhǔn)位置，若此時待對中的管道與前一個固定好的管道僅有水平方向上的距離偏差，通過無線信號發(fā)射器控制面板上的控制移動滑塊的功能按鈕控制電機驅(qū)動裝置帶動移動絲杠，進(jìn)而移動兩端的左右移動滑塊帶動設(shè)備支撐頂升座左右移動鋼管，使兩管道對中；若待對中管道與前一個已固定管道存在豎直方向上的角度偏差，則通過無線信號發(fā)射器控制面板上的控制管道承托部分的功能按鈕控制位于滑塊內(nèi)部的液壓千斤頂升降，液壓千斤頂?shù)纳祹庸艿莱型胁糠值脑O(shè)備支撐頂升座同步升降，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整兩管道在豎直方向上角度偏差的目的；通過以上兩種調(diào)節(jié)方式的組合使用可以實現(xiàn)待對中管道多角度調(diào)整，而且在配套的控制系統(tǒng)的加持下使得大口徑輸水管道對中作業(yè)可以達(dá)到穩(wěn)準(zhǔn)的效果。

4 鋼管對中裝置特點

研制的鋼管對中裝置具有以下特點：①裝置控制系統(tǒng)中的無線遙控控制系統(tǒng)可精準(zhǔn)控制滑塊進(jìn)行水平方向上的左右移動距離，也可精準(zhǔn)控制管道承托部分獨立或者同步升降的高度。②裝置機械結(jié)構(gòu)組成簡單、體積小重量輕，易于裝置的拆卸和組裝，有利于裝置后期的維護(hù)維修。（3）裝置的機械結(jié)構(gòu)外表面采用了防腐蝕材料噴涂處理，防腐蝕能力強、結(jié)構(gòu)耐用，既適用于野外施工環(huán)境也適用于室內(nèi)空間較小的施工環(huán)境。④裝置制造成本低，相比傳統(tǒng)管道對中裝置可節(jié)省30%的制造成本。

5 結(jié)語

新型大口徑輸水管道對中裝置，裝置操作簡單方便，不受管徑以及施工地理環(huán)境的限制，解決了因施工地理環(huán)境條件帶來的施工效率低的問題，以及解決了由于人工操作帶來的施工誤差大的問題。此裝置適用于野外或者場地內(nèi)大口徑輸水管道的對接以及輸水管道的維修工作。