大口徑油氣管材管內(nèi)液壓冷彎?rùn)C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單根立，劉朋，王新生，劉建濤

(1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北廊坊 065000)

0 前言

在能源輸送領(lǐng)域，高級(jí)油氣管道備受關(guān)注，我國(guó)在油氣管道建設(shè)中位于世界前列，穩(wěn)定可靠、安全的油氣供應(yīng)對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。

針對(duì)不同的地形、環(huán)境等因素，管道所布置的傳送路線也應(yīng)因地制宜，合理規(guī)劃傳輸路線，所以需要對(duì)管材的彎曲角度提出更高需求。管材所布置的外界環(huán)境對(duì)管材外層影響非常大，故必須對(duì)管材進(jìn)行防腐處理[2]。但對(duì)于經(jīng)過(guò)防腐處理的油氣管材，傳統(tǒng)的外彎方式已經(jīng)不能滿足要求，所以可采用管內(nèi)冷彎的方式進(jìn)行管材彎曲加工。我國(guó)目前對(duì)于大口徑管材最常用的彎管加工方法分為冷彎和熱彎2種，管內(nèi)冷彎的加工方式還非常少。其中冷彎是指借助液壓機(jī)械強(qiáng)行施加外力使管材在冷狀態(tài)下彎曲。熱彎是指把管件加熱至該管件的規(guī)定彎曲溫度下再使管件彎曲的過(guò)程，通常使用中頻熱彎技術(shù)，采用電感應(yīng)加熱的方法[3]。

在國(guó)外，有美國(guó)、加拿大和德國(guó)等近10家冷彎?rùn)C(jī)生產(chǎn)廠，所產(chǎn)機(jī)型基本結(jié)構(gòu)均為垂直液壓式，搭配內(nèi)胎裝置工作。其內(nèi)胎形式主要有氣動(dòng)式和液壓式2種，氣動(dòng)式結(jié)構(gòu)內(nèi)胎優(yōu)點(diǎn)在于行走速度快、彎管預(yù)制效率高，但需要另行配置空氣壓縮機(jī)，系統(tǒng)工作平穩(wěn)性差，難以控制。液壓式內(nèi)胎借助整機(jī)液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，且液壓傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，能夠保證鋼管在預(yù)制過(guò)程中不發(fā)生橢圓變形。目前，國(guó)外現(xiàn)有的大口徑冷彎管機(jī)產(chǎn)品依然是人工操作[4]。目前我國(guó)研制出來(lái)的CYW型垂直液壓冷彎管機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大口徑彎管加工的空白，該設(shè)備采取的彎管加工方式同樣是管外冷彎加工方式[5]。此外，我國(guó)還有使用冷滾彎技術(shù)加工管材，利用多個(gè)側(cè)面弧度與所加工的管材弧度相同的壓力滾，將其進(jìn)行冷彎加工。

針對(duì)經(jīng)過(guò)管道外層防腐處理的油氣管材彎曲加工問(wèn)題，本文作者設(shè)計(jì)一種大口徑油氣管材液壓冷彎?rùn)C(jī)，采用管內(nèi)冷彎的加工方式，相比一般的外彎加工設(shè)備具有質(zhì)量輕、靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在大口徑油氣管道彎曲加工設(shè)計(jì)上有所創(chuàng)新，能夠克服以上缺陷，以保證最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 液壓內(nèi)彎?rùn)C(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

大口徑的油氣傳輸管道管內(nèi)彎曲需設(shè)計(jì)徑向頂彎裝置、管內(nèi)漲緊裝置、牽引裝置，這三部分相互配合以達(dá)到理想的工作效果[6-7]。文中所研制的管內(nèi)冷彎設(shè)備以上述三大裝置系統(tǒng)為基礎(chǔ)，工作示意如圖1所示。所有楔塊漲緊后由中部頂彎模塊進(jìn)行彎曲加工，通過(guò)內(nèi)部徑向液壓缸將力作用在頂彎圓臺(tái)上，圓臺(tái)會(huì)隨著液壓缸活塞桿向下移動(dòng)，使得整個(gè)鋼管部分受到一個(gè)中間向下的力F1和兩端漲緊部分向上的力F2、F3，從而使管材彎曲變形。在設(shè)備每次彎曲加工完成后，需由外部設(shè)備將管材移至水平，設(shè)備移動(dòng)至未加工的直管段進(jìn)行下次加工。按照智能化、易安裝、易維護(hù)、運(yùn)行平穩(wěn)的原則進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。下面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖1 工作示意

1.2 液壓內(nèi)彎設(shè)備結(jié)構(gòu)與加工技術(shù)參數(shù)

彎管設(shè)備整體采用高硬度合金鋼為主體設(shè)計(jì)材料，該設(shè)備在未漲緊時(shí)，設(shè)備最大直徑0.58 m，長(zhǎng)度2.2 m，兩端漲緊楔塊之間距離為2 m，相距中間頂彎楔塊距離為1 m。在設(shè)備的前進(jìn)方向一端楔塊部分安裝測(cè)距傳感器進(jìn)行距離檢測(cè)，該設(shè)備與待加工管材的加工技術(shù)參數(shù)如表1所示，設(shè)備的管內(nèi)運(yùn)行示意如圖2所示。

表1 液壓內(nèi)彎?rùn)C(jī)主要加工技術(shù)參數(shù)

圖2 管內(nèi)運(yùn)行示意

上述加工角度1°為頂彎模塊左右兩端各彎曲0.5°，相加得到單次加工最終角度。管材兩端需留2 m的直管部分，設(shè)備行走選用減速電機(jī)提供大扭矩進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。漲緊楔塊與內(nèi)滑體兩端的接觸面角度設(shè)置在自鎖角度之內(nèi)，確保與管內(nèi)壁接觸時(shí)處于最大限度的鎖緊狀態(tài)。漲緊楔塊全部漲緊后可將其余部分懸空不與管內(nèi)壁接觸，從而不影響彎曲工作。冷彎設(shè)備正視圖如圖3所示。

圖3 冷彎設(shè)備正視圖

1.3 徑向頂彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徑向頂彎結(jié)構(gòu)由頂彎圓臺(tái)、頂彎楔塊和內(nèi)部的徑向頂彎液壓缸組成。該部分裝配在內(nèi)滑體的中間平臺(tái)處，內(nèi)滑體兩端與圓臺(tái)上都設(shè)有T形滑槽。在每次彎曲完成時(shí)需收回漲緊楔塊和頂彎楔塊，然后向前行走，到達(dá)指定距離后再次漲緊，操作依次類推。其中頂彎楔塊做了2次弧度設(shè)計(jì)：(1)滿足管道漲緊內(nèi)壁的弧度要求；(2)滿足彎曲時(shí)單次徑向彎曲的弧度要求。圓臺(tái)頂彎裝置如圖4所示，內(nèi)滑體外形如圖5所示。

圖4 圓臺(tái)頂彎裝置

1.4 管內(nèi)張緊裝置與牽引結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管內(nèi)漲緊裝置由多組牽引結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)端和驅(qū)動(dòng)端內(nèi)滑體內(nèi)的液壓缸，使它作用在頂板上，進(jìn)而由頂板帶動(dòng)漲緊楔塊在軌道槽上滑動(dòng)，以此完成漲緊楔塊的管內(nèi)漲緊效果。采用大拉力硬彈簧在漲緊時(shí)起到拉動(dòng)和頂推楔塊完成漲緊動(dòng)作的作用，漲緊后由徑向液壓缸作用在頂彎圓臺(tái)上，此時(shí)因大拉力硬彈簧具有彈性故可滿足小形變的要求。該項(xiàng)工作由兩端的2個(gè)液壓缸相互配合完成。當(dāng)進(jìn)行漲緊工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)端液壓缸伸長(zhǎng)，而從動(dòng)端液壓缸收縮，以此使所有楔塊達(dá)到最高位置，完成漲緊動(dòng)作。由于驅(qū)動(dòng)端的驅(qū)動(dòng)輪位置影響，故頂彎圓臺(tái)上的6個(gè)頂彎楔塊有5個(gè)是由驅(qū)動(dòng)端漲緊楔塊牽引，剩下的1個(gè)由從動(dòng)端漲緊楔塊牽引。由于驅(qū)動(dòng)端電機(jī)位置的影響，驅(qū)動(dòng)端頂板上設(shè)置了導(dǎo)向光杠孔，該孔進(jìn)行了邊倒圓加工以減小滑行摩擦力，在光杠對(duì)稱的另一端安裝液壓缸。漲緊功能也是在彎管加工過(guò)程中防止管材被擠壓、發(fā)生錯(cuò)誤變形的重要一步。整體漲緊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 漲緊結(jié)構(gòu)

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓控制方案設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)功能運(yùn)行最高工作壓力30 MPa為頂彎功能的適用壓力，可通過(guò)調(diào)壓油路調(diào)節(jié)至漲緊功能適用的10 MPa壓力。該液壓系統(tǒng)主要由徑向頂彎液壓油路、驅(qū)動(dòng)端頂板液壓油路和從動(dòng)端頂板液壓油路組成，完成的動(dòng)作是行走-漲緊-頂彎-頂彎收回-漲緊收回，該周期動(dòng)作完成后繼續(xù)從行走開(kāi)始。使用傳感器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壓力和流量變化進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 主機(jī)液壓系統(tǒng)

此設(shè)計(jì)選用恒壓變量柱塞泵為系統(tǒng)主泵源，在進(jìn)行流量適應(yīng)性調(diào)節(jié)時(shí)，壓力變化非常微小，可以持續(xù)向系統(tǒng)提供一個(gè)恒壓力源。如圖7所示，機(jī)泵組10將液壓油從油箱3中吸出，液壓油通過(guò)單向閥11.1，剛開(kāi)機(jī)時(shí)，通過(guò)電磁閥溢流完成空載啟動(dòng)。完成后二位二通電磁換向閥13電磁鐵失電，液壓油進(jìn)入系統(tǒng)功能部分，首先經(jīng)過(guò)高壓濾油器15，由于頂彎動(dòng)作壓力大，故從空載環(huán)境切換到功能運(yùn)行環(huán)境勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生壓力震蕩，此時(shí)通過(guò)回路中的蓄能器18進(jìn)行能量吸收與平衡[8]，然后通過(guò)控制功能油路中的三位四通電磁換向閥19完成液壓缸的伸縮動(dòng)作。在系統(tǒng)頂彎油路中設(shè)有直流式溢流閥14.2，可改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性和防止因頂彎圓臺(tái)自重導(dǎo)致頂彎活塞桿下降[9]。油箱上設(shè)有補(bǔ)油路線，手搖泵6可進(jìn)行壓力油的填充，通過(guò)管道過(guò)濾器5進(jìn)行液壓油過(guò)濾。配合PLC編程控制液壓閥進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控管內(nèi)漲緊動(dòng)作和頂彎動(dòng)作的執(zhí)行。

圖7 液壓系統(tǒng)工作原理

2.3 管內(nèi)漲緊動(dòng)作

完成管內(nèi)漲緊是進(jìn)行彎管加工的關(guān)鍵一步，是決定管材保持圓形截面的重要環(huán)節(jié)。漲緊部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由2個(gè)液壓缸配合完成，漲緊缸1(驅(qū)動(dòng)端)伸長(zhǎng)和漲緊缸2(從動(dòng)端)收縮，完成楔塊漲緊動(dòng)作。漲緊回路中設(shè)置有液控單向閥20和可調(diào)節(jié)流閥21，提供鎖緊保壓功能和調(diào)速控制，完成彎管后，漲緊缸1和漲緊缸2反向動(dòng)作完成漲緊楔塊的收縮，配合測(cè)距傳感器信號(hào)采集進(jìn)行下一個(gè)100 cm的彎管工作。

2.4 頂彎動(dòng)作

頂彎動(dòng)作是整個(gè)彎管工作的最主要?jiǎng)幼鳎捎脧较蚴┘訅毫Γ瑥较蛞簤焊咨斐鰧㈨攺潏A臺(tái)垂直向下推動(dòng)，形成2個(gè)彎曲力矩，使管材發(fā)生彎曲變形，并通過(guò)漲緊機(jī)構(gòu)避免管道在進(jìn)行彎曲時(shí)發(fā)生橢圓形截面[10-11]變形，以此達(dá)到最終彎管效果。在管端設(shè)有2個(gè)傾角傳感器(一個(gè)用于測(cè)量水平擺放角度，另一個(gè)用于測(cè)量彎曲角度)，確保加工角度的準(zhǔn)確性。該機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以滿足直徑660 mm系列的管材加工使用，只需對(duì)更大厚度的管材彎曲加工時(shí)的外部壓力做出調(diào)整即可。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

為方便人員操作，使用觸摸屏設(shè)計(jì)了用戶操作界面，完成界面登錄后，方可進(jìn)入觸摸屏界面操作。在電控方面：可點(diǎn)選界面上的相應(yīng)功能按鍵，由PLC輸出信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)量和模擬量進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)液壓缸的運(yùn)行以及低壓?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)。在液壓控制方面：以發(fā)動(dòng)機(jī)泵組作為動(dòng)力源，切換三位四通電磁換向閥的左、中、右位實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的伸縮控制，以及通過(guò)液壓回路中的可調(diào)節(jié)流閥或調(diào)節(jié)恒壓變量泵斜盤傾角均可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行速度的控制。各油路支路中流量、油壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)中的參數(shù)數(shù)據(jù)，以及使用測(cè)距傳感器測(cè)量工作距離和傾角傳感器測(cè)量彎管角度，所有數(shù)據(jù)均可上傳至觸摸屏界面測(cè)量，以此來(lái)反映整套液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[12-13]。液壓彎管設(shè)備控制系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 液壓彎管設(shè)備控制系統(tǒng)流程

3.2 PLC選型與I/O口分配及傳感器選取

根據(jù)油氣管道內(nèi)彎設(shè)備運(yùn)行的工作原理和加工目標(biāo)，采用PLC作為主控制元件，對(duì)彎管設(shè)備的液壓系統(tǒng)進(jìn)行功能控制和數(shù)據(jù)采集，液壓系統(tǒng)回路中的各項(xiàng)功能切換均由PLC對(duì)各電磁換向閥控制實(shí)現(xiàn)，并利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)功能操作的選取和功能狀態(tài)的顯示，要求動(dòng)作準(zhǔn)確、運(yùn)行安全可靠。通過(guò)模擬量輸出模塊，輸出電流信號(hào)4～20 mA，通過(guò)比例放大器將電流放大到0～750 mA，最終該輸出電流作用于變量柱塞泵的斜盤控制比例電磁鐵，實(shí)現(xiàn)對(duì)斜盤傾角的控制，最終輸出目標(biāo)流量實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制(較可調(diào)節(jié)流閥可實(shí)現(xiàn)流量精調(diào))。通過(guò)對(duì)液壓內(nèi)彎?rùn)C(jī)的功能特性分析得出，共包括輸入信號(hào)4個(gè)，輸出信號(hào)9個(gè)，485通信傳感器10個(gè)，模擬量輸出1組。I/O口分配點(diǎn)如表2所示。根據(jù)控制系統(tǒng)需要的I/O口位數(shù)及技術(shù)要求，選取了型號(hào)為AS228T-A的PLC和調(diào)節(jié)柱塞泵斜盤傾角的模擬量輸出模塊AS04DA-A以及觸摸屏型號(hào)為DOP-107WV的臺(tái)達(dá)系列控制元件。在漲緊楔塊上安裝限位開(kāi)關(guān)，檢測(cè)是否漲緊到位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用傳感器檢測(cè)，傳感器技術(shù)參數(shù)如表3所示。所有傳感器均與PLC進(jìn)行RS485串口通信，PLC上的485口連接一個(gè)一分12口的485集線器，通過(guò)集線器與所有的傳感器連接。編寫程序，對(duì)傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢讀取，將所有傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示到觸摸屏界面上，工作人員可實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。控制關(guān)系如圖9所示。

表2 液壓內(nèi)彎?rùn)C(jī)PLC I/O口

表3 傳感器主要技術(shù)參數(shù)

圖9 控制關(guān)系

3.3 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏軟件負(fù)責(zé)監(jiān)控PLC采集的各參數(shù)信息和控制輸出動(dòng)作使彎管設(shè)備運(yùn)行，按照控制流程圖8設(shè)計(jì)了觸摸屏用戶操作界面，如圖10所示。觸摸屏界面設(shè)置了功能運(yùn)行區(qū)、彎曲加工監(jiān)控區(qū)及設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)。按照實(shí)際操作對(duì)設(shè)備進(jìn)行功能操控和加工信息讀取，實(shí)時(shí)操作與監(jiān)控。例如，彎曲加工監(jiān)控區(qū)紅色指示燈變?yōu)榫G色時(shí)即達(dá)到設(shè)定加工目標(biāo)。

4 管材加工測(cè)試

根據(jù)大口徑油氣管材的質(zhì)量要求，彎曲加工速度必須穩(wěn)定，該設(shè)備液壓系統(tǒng)配備了節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速2種控制方式，對(duì)流量進(jìn)行快速精確的控制。

設(shè)備測(cè)試時(shí)已證明該套液壓冷彎加工方法保證了系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，彎曲加工過(guò)程中管面光滑無(wú)褶皺，彎管過(guò)程中漲緊楔塊起到了約束管材橢圓度的作用，質(zhì)量達(dá)到了SY/T 5257—2018《油氣輸送用鋼制彎管標(biāo)準(zhǔn)》的要求。圖11和圖12所示為該次測(cè)試管材(外徑660 mm、壁厚8 mm)加工前后對(duì)比。管材彎曲角度按照總體方案需進(jìn)行9次彎曲加工，加工次數(shù)與單次加工角度如表4所示。

表4 角度加工數(shù)據(jù)

圖11 管材加工前示意

圖12 管材加工完成后

按照冷彎管加工標(biāo)準(zhǔn)，此次管材彎曲加工總角度為8.9°，總誤差小于±0.2°，符合彎管角度加工誤差許可范圍。

5 結(jié)論

根據(jù)彎曲加工的需求，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和選擇液壓、電氣元件，針對(duì)性地設(shè)計(jì)液壓回路和控制系統(tǒng)，有效解決了油氣管材外壁防護(hù)處理后的彎管加工問(wèn)題，保證了管材彎曲加工的合格率和安全性，同時(shí)也提高了對(duì)管材加工的彎曲效率。該套設(shè)備采用PLC為控制單元，確保了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行、安全可靠。此設(shè)計(jì)可為后續(xù)的管內(nèi)冷彎加工設(shè)備的研發(fā)提供理論依據(jù)。