大口徑油氣輸送管道開孔刀具的設(shè)計(jì)

趙彥剛，李艷軍，楊綿鵬

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

在對油氣長輸管線進(jìn)行維搶修、改線施工過程中，國內(nèi)外常用的施工方法是“管線不停輸帶壓開孔封堵工藝”[1～2]。管道開孔刀，是實(shí)施開孔的必要設(shè)備之一。隨著近年來大口徑管道建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，口徑1 000 mm以上的高強(qiáng)度管線里程大幅增長[3～4]。大口徑管道的不停輸開孔封堵，任務(wù)艱巨，設(shè)備主要依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴，采購周期漫長。

國內(nèi)油氣管道維搶修企業(yè)，致力于管線開孔封堵設(shè)備的國產(chǎn)化。本文將根據(jù)金屬切削原理及管道開孔特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并試制Φ1016管線開孔刀。

1 開孔刀的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)管道不停輸帶壓開孔封堵的工藝要求，需要在管道上開各種規(guī)格的圓形孔，分別為旁通孔、封堵孔、平衡孔，其中封堵孔為等內(nèi)徑孔。被切除的料塊呈馬鞍形曲面。所以設(shè)計(jì)的管道開孔刀總體結(jié)構(gòu)呈筒狀，上端通過連接板與開孔機(jī)主軸連接，在下端筒壁上安裝多組刀齒并加工容屑槽，如圖1所示。

圖1 開孔刀總體結(jié)構(gòu)

筒形開孔刀（以下簡稱筒刀）在開孔機(jī)主軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)切削，沿管道徑向直線進(jìn)給。

2 刀具的設(shè)計(jì)[5～6]

2.1 刀齒材料的選擇

刀具的品質(zhì)和耐用度，與刀具切削部分的材料性能有著密切的聯(lián)系。所以需要根據(jù)被切削材料特性與切削條件，綜合權(quán)衡刀齒材料的耐磨性、加工性、韌性、赤熱硬性及耐磨性等性能，確定刀片材料所需要的最重要性能。被切削材料X70管線鋼屬于高強(qiáng)度合金鋼，切削過程走刀量較小，并且為斷續(xù)切削，所以刀具材料所需最重要的性能，是堅(jiān)韌度和良好的赤熱硬性，可選軟硬度等而韌性較好的含鈷高速鋼。AISI M48高速鋼在赤熱性和強(qiáng)韌性方面都比較理想，所以選擇M48為刀齒材料。

2.2 刀齒關(guān)鍵角度的選擇

刀齒與容屑槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刀齒與容屑槽結(jié)構(gòu)

（1）前角。在選擇刀具前角時(shí)，首先應(yīng)保證刀刃鋒利，同時(shí)也要兼顧刀刃的強(qiáng)度與耐用度。工件材料為X70管線鋼，硬度最大為243HB(255HV)，工件材料強(qiáng)度高，硬度高，故應(yīng)采取較小的傾角，確定刀具前角為11°。

（2）后角。后角的選擇主要考慮因素是切削厚度和切削條件，工件的強(qiáng)度硬度較高時(shí)，為增加切削刃的強(qiáng)度，應(yīng)選擇較小的后角。粗加工或斷續(xù)切削時(shí)，為強(qiáng)化切削刃，應(yīng)選擇較小的后角。根據(jù)不同條件下金屬切削刀具后角參考值，取刀具后角為4°。

（3）主偏角。此處對管壁的切削類似于拉刀拉削切槽，故主偏角取90°。

2.3 刀齒數(shù)量及具體形狀

（1）刀齒數(shù)量確定。刀齒數(shù)目主要影響單齒切削力和整個(gè)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，根據(jù)多齒刀具齒數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）確定

其中，

d為刀具直徑，

K值可使用模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜介評(píng)判法確定[7]。

求得Z=42，考慮到刀具斷續(xù)切削時(shí)斷續(xù)切削點(diǎn)的對稱性，此處取刀齒數(shù)Z=40，每組4個(gè)刀齒，共10組刀齒分布在刀體上。

（2）刀齒形式。為分散刀齒所受載荷，同組的相鄰刀齒設(shè)計(jì)成不同形式的刀刃形狀，常見刀刃形式有分塊式和分層式。此處選擇分層式刀刃形式，如圖3所示。

圖3 分層式刀刃形式

刀刃寬度及齒高參數(shù)見表1。

表1 刀齒參數(shù) （單位：mm）

2.4 刀體尺寸的確定

刀體由筒體與連接板焊接組成，筒體采用鋼板卷制，材料均選用Q345C。對于筒體尺寸，主要影響因素包括工作所受載荷、被切削管材的直徑；連接板尺寸主要考慮與開孔機(jī)的連接需要。確定筒體用厚度為13 mm的鋼板卷制焊接而成，外徑977 mm，內(nèi)徑951 mm，高度600 mm，連接板厚度25 mm。

2.5 刀齒與刀體的焊接

刀齒與刀體之間的焊接，屬于異種鋼之間的焊接，選用適于異種金屬焊接的釬焊方式。釬料選擇適于低碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼焊接的銀基釬料。加熱方式選用感應(yīng)加熱，利用感應(yīng)電流作為熱源，充分利用局部加熱的方式，對焊件進(jìn)行加熱。

實(shí)際加工過程中，經(jīng)過多次試驗(yàn)，總結(jié)出一套最佳焊接方案：“三體一膏”（即刀齒、40%的銀釬料片、刀片及焊膏）同時(shí)在溫控90 kW全固態(tài)感應(yīng)加熱設(shè)備上感應(yīng)加熱到685～750℃，當(dāng)銀釬料片熔化時(shí)，把刀片延時(shí)2～3 s加游動(dòng)排出空氣校對正齊。焊接的刀片硬度經(jīng)測試為HRC 56～58，X光拍片合格，在單齒沖擊試驗(yàn)中，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

3 刀具現(xiàn)場試驗(yàn)

刀具現(xiàn)場試驗(yàn)選用Φ 1016型開孔機(jī)，在Φ 1016開孔封堵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)鋼管直徑1 016 mm，開始階段筒刀轉(zhuǎn)速設(shè)置為4 r/min，實(shí)驗(yàn)過程中將轉(zhuǎn)速逐漸增大，最大轉(zhuǎn)速達(dá)到8 r/min，進(jìn)給量0.3 mm/r，開孔過程持續(xù)5 h 27 min。開孔試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)筒刀在切削過程中振動(dòng)較小，刀具未出現(xiàn)明顯磨損，刀齒未出現(xiàn)脫落、崩刃現(xiàn)象。證明通過選取合適的刀齒材料、設(shè)計(jì)合理的刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)及加工工藝，可有效提高開孔筒刀的工作性能。后期需要開展疲勞試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證開孔刀具的使用壽命。

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