海底管道混凝土配重層切削裝置研制

劉明珠 ，李春潤 ，張建護(hù) ，王克寬 ，龍 斌

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

在海底管道鋪設(shè)施工中，需要進(jìn)行管道水平口對(duì)接及登陸段管道預(yù)制等工作。由于現(xiàn)場(chǎng)施工狀況的不確定性，在陸地預(yù)制管道時(shí)，無法做到準(zhǔn)確預(yù)制出管段的長(zhǎng)度以及管端的預(yù)留長(zhǎng)度[1]，需要在鋪管船施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)管道進(jìn)行測(cè)量、切除，才能完成管道的鋪設(shè)工作。水平口對(duì)接是海底管道施工中比較困難的部分，在完成管道岸拖后，沿著岸拖管道采用鋪管船進(jìn)行離岸段管道鋪設(shè)，這樣在兩段管道交匯處必須進(jìn)行水平口對(duì)接[2]。與陸上管道連頭施工不同的是，由于管道對(duì)接是在水面以上進(jìn)行，必須利用船上的懸吊把兩段管道吊起，在鋪管船邊緣完成對(duì)接。目前，主要由人工使用扁鏟和角磨機(jī)進(jìn)行混凝土配重層的切除，且水平口對(duì)接作業(yè)需要在海上低平潮的環(huán)境下進(jìn)行。適用于海上作業(yè)的低平潮周期有限，在施工中需要多種工程船舶配合作業(yè)，工程成本較高。因此研制一套專業(yè)機(jī)具用于海底管道混凝土配重層的切削，可以縮短水平口對(duì)接的作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步降低施工費(fèi)用，適應(yīng)海上作業(yè)快速、高效的施工要求，使鋪管作業(yè)提高到一個(gè)新的水平。

1 海底管道混凝土配重層切削方式比選

傳統(tǒng)的切削方式主要有手工切削法、機(jī)械切削法和金剛石串珠曲線鋸法。還有近些年國外新興的水下高壓水切割法，它利用高壓射流的沖擊動(dòng)能，連續(xù)不斷地對(duì)管道涂層進(jìn)行打擊、沖蝕、剝離、切除，以達(dá)到清除涂層目的[3]。

通過查閱各種資料，對(duì)比以上4種切削方法的優(yōu)劣之處，結(jié)果見表1。由此可以看出采用手工切削、機(jī)械切削、金剛石串珠曲線鋸法和高壓水切割法這4種方法都可以進(jìn)行管道混凝土層的切削，但是由于水平口對(duì)接施工的特殊性以及海上的惡劣施工環(huán)境，對(duì)切削方法的要求是不但要切削清除混凝土配重層，還不得傷害到管道的本體以及PE層。顯然金剛石串珠曲線鋸法不能很好地滿足上述要求，而高壓水切割和手工切削雖然滿足工況，但前者成本極其昂貴，后者效率太低。綜合考慮效率、成本、安全性和故障率等因素，機(jī)械切削法無疑是海底管道水平口對(duì)接施工時(shí)切割、清除混凝土配重層的最佳選擇。

表1 切削方法的比較

2 海底管道混凝土配重層切削裝置結(jié)構(gòu)

在海底管道上涂覆的混凝土配重層，主要是鋼筋混凝土或鋼絲網(wǎng)水泥，其厚度不小于40 mm，且具有較高的密度和強(qiáng)度。為了將混凝土配重層切除，裝置需要具有環(huán)向、軸向切削功能以及定位鎖緊功能。一般的機(jī)械切削包括剪、鋸、銑等幾種方式，由于混凝土的成分混雜不均勻，且考慮到裝置整體作業(yè)空間有限等問題，選擇采用鋸的方式進(jìn)行切削。海底管道混凝土配重層切削裝置主要由環(huán)向切削裝置和軸向切削裝置組成，適應(yīng)管道直徑355～914 mm。其中環(huán)向切削裝置采用槽輪導(dǎo)向定位調(diào)節(jié)的方式，利用鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝置沿管道的環(huán)向運(yùn)動(dòng)，具有爬行穩(wěn)定和安裝簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)，滿足切削裝置結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)要求，提高了切削裝置的定位精度以及爬行的可靠性，確保設(shè)備在切削過程中的跟蹤精度。同時(shí)，鏈條傳動(dòng)的可調(diào)節(jié)性，可使切削裝置適應(yīng)不同管徑的切割。軸向切削裝置采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置沿管道軸向方向的直線運(yùn)動(dòng)，采用V形塊支撐鏈條連接的夾緊方式，方便快捷，穩(wěn)定性高。其切削機(jī)構(gòu)均采用齒輪齒條嚙合的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的升降功能，切削過程中裝置運(yùn)行穩(wěn)定，能夠較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)環(huán)向與軸向運(yùn)動(dòng)、刀具的自動(dòng)進(jìn)給等功能[4]。

2.1 環(huán)向切削裝置

（1）環(huán)向切削裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。外形尺寸為648 mm×534 mm×440 mm（用于準(zhǔn)508 mm管道混凝土層切削的樣機(jī)），主要由環(huán)向行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和切削機(jī)構(gòu)等組成。其中，環(huán)向行走機(jī)構(gòu)如圖2所示，由一個(gè)主動(dòng)鏈輪，兩個(gè)被動(dòng)鏈輪，四個(gè)導(dǎo)向輪，兩組張緊機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力源組成。環(huán)向行走機(jī)構(gòu)通過齒形鏈與同一側(cè)的主動(dòng)鏈輪、被動(dòng)鏈輪嚙合并繞管道一周，鎖緊在管道上，另一條齒形鏈與另一側(cè)的被動(dòng)鏈輪嚙合并鎖緊在管道上。四個(gè)導(dǎo)向輪分為兩組，分別卡在兩條齒形鏈上，由主動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)，沿著齒形鏈提供的環(huán)形軌道運(yùn)動(dòng)。其中，動(dòng)力源為直流減速電機(jī)，它與主動(dòng)鏈輪之間通過鍵連接。定位板1和定位板2是其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的載體。張緊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪軸、電機(jī)、減速機(jī)以及主動(dòng)鏈輪、被動(dòng)鏈輪都通過定位板1和定位板2間接連接在一起，組成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。定位板1和定位板2則通過兩個(gè)導(dǎo)向輪軸連接在一起。為了確保在工作過程中切削裝置能夠始終緊緊地沿管道環(huán)向行走，兩個(gè)被動(dòng)鏈輪側(cè)分別設(shè)有張緊機(jī)構(gòu)，用于齒形鏈的張緊調(diào)節(jié)。

圖1 環(huán)向切削裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 環(huán)向行走機(jī)構(gòu)示意

（2）張緊機(jī)構(gòu)如圖3所示。主要由手調(diào)螺桿、緊定螺釘、張緊基座、張緊軸、推塊、軸套、軸端擋蓋以及軸端鎖緊螺釘組成。該機(jī)構(gòu)通過張緊基座固定在定位板1和定位板2上。被動(dòng)鏈輪通過張緊軸與張緊機(jī)構(gòu)連接，張緊軸外套有軸套，推塊與軸套通過螺栓連接。推塊上開有凹槽，手調(diào)螺桿成階梯狀嵌在槽內(nèi)，當(dāng)手調(diào)螺桿向外擰動(dòng)時(shí)推塊向外移動(dòng)，從而使張緊軸向外移動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏈輪的張緊。手調(diào)螺桿調(diào)整到需要位置后由緊定螺釘將位置鎖緊。鏈條采用傳動(dòng)平穩(wěn)、能承受沖擊載荷的齒形鏈鏈條?？紤]傳動(dòng)空間的限制，小鏈輪齒數(shù)選擇17，傳動(dòng)比為1，因此大鏈輪齒數(shù)也為17。根據(jù)直流減速機(jī)轉(zhuǎn)速3000 r/min，選擇鏈條節(jié)距P=12.7 mm，通過查表最終確定鏈寬B=40.5 mm。為了防止齒形鏈在工作時(shí)發(fā)生側(cè)向竄動(dòng)，齒形鏈上設(shè)有導(dǎo)板，分為外導(dǎo)式和內(nèi)導(dǎo)式兩種。其中內(nèi)導(dǎo)式齒形鏈，導(dǎo)板安裝在鏈寬的1/2處，鏈輪開導(dǎo)槽，這種形式對(duì)銷軸端部連接所受的橫向沖擊有緩沖作用，并可使各鏈節(jié)接近等強(qiáng)度，一般用于鏈寬B＞30 mm的場(chǎng)合。

圖3 張緊機(jī)構(gòu)示意

（3）升降機(jī)構(gòu)如圖4所示。主要由導(dǎo)軌板1、鑲條擋片、鑲條、滑板、導(dǎo)軌板2、軸頭端蓋等組成。升降機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)軌板1和導(dǎo)軌板2上的螺紋孔固定在定位板1上。燕尾槽滑板一端加工為齒條形式，與齒輪嚙合傳動(dòng)，將電機(jī)減速器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過齒輪齒條嚙合轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。燕尾形滑軌的間隙通過鑲條調(diào)整，鑲條通過鑲條擋片固定在導(dǎo)軌板1上。滑板上開有螺紋安裝孔，用于切削機(jī)構(gòu)的安裝。

圖4 升降機(jī)構(gòu)示意

（4）切削機(jī)構(gòu)如圖5所示。主要由圓螺母、主軸、護(hù)片、刀具、軸套等組成。刀具安裝在主軸上，通過圓螺母實(shí)現(xiàn)軸向定位。主軸與軸套之間采用軸承支承，軸承一端通過主軸的軸肩定位，另一端通過圓螺母及套筒定位。軸套與減速電機(jī)分別通過螺栓連接固定在定位板1上。其中，刀具采用金剛石鋸片。由于混凝土配重層成分混雜及不均勻性，一般的鋸片不能滿足切削要求，容易造成鋸片損壞，因此本裝置采用金剛石鋸片。金剛石的莫氏硬度為10，具有超硬、耐磨、熱敏、傳熱導(dǎo)、半導(dǎo)體及透遠(yuǎn)等優(yōu)異的物理性能。且金剛石切割時(shí)振動(dòng)較小，能在保持結(jié)構(gòu)完整性的條件下切除大塊混凝土，而且噪音小，灰塵環(huán)境下污染可控性強(qiáng)，無碎塊，操作安全系數(shù)高。金剛石鋸片一般分為以下三類，連續(xù)邊緣鋸片、刀頭型鋸片以及渦輪型鋸片。其中，連續(xù)鋸齒金剛石鋸片，切割時(shí)需加水以保證切割效果；刀頭型鋸片切割速度較快，適合干、濕兩種切割方法；渦輪型鋸片的鋸齒連續(xù)呈現(xiàn)渦輪狀，均勻凸凹，在節(jié)塊兩側(cè)開有溝槽，可減少側(cè)面阻力，同時(shí)有利于切割產(chǎn)生的巖粉立即被攜帶排除，避免巖粉的重復(fù)碎片，有利于提高鋸片的切割效率。綜上所述，選擇使用渦輪型金剛石鋸片。

圖5 切削機(jī)構(gòu)示意

（5）金剛石鋸片切削對(duì)比試驗(yàn)。切割不同材質(zhì)，金剛石鋸片具有不同的線速度、進(jìn)給速度、工作方式，對(duì)金剛石鋸片的兩種不同工作方式進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。切削過程中消耗的功率P=U（I1-I0），鋸片工作電流為I1，空轉(zhuǎn)電流I0為1.85 A，工作電壓U一般為380 V。根據(jù)公式可以計(jì)算得出，切割混凝土?xí)r，切片慢速切割比快速切割功率少消耗14.3%；切割花崗巖時(shí)，切片慢速切割比快速切割功率少消耗12.2%。且慢速切割與快速切割相比，金剛石鋸片的磨損率有所降低。通過兩組試驗(yàn)對(duì)比，選用慢速深切。經(jīng)試驗(yàn)論證，該結(jié)構(gòu)形式的切削機(jī)構(gòu)以及所選擇的金剛石渦輪型鋸片能夠滿足設(shè)計(jì)要求，鋸片切削平穩(wěn)，能夠使切削工作順利進(jìn)行。

表2 金剛石鋸片切削對(duì)比試驗(yàn)

2.2 軸向切削裝置

軸向切削裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，其外形尺寸為543 mm×423 mm×320 mm（用于準(zhǔn)508 mm管道混凝土層切削的樣機(jī)），它由夾緊機(jī)構(gòu)、軸向行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和切削機(jī)構(gòu)組成。

圖6 軸向切削裝置結(jié)構(gòu)示意

（1）夾緊機(jī)構(gòu)如圖7所示。主要由滾子鏈、固定塊和鎖緊彎板組成。兩套夾緊機(jī)構(gòu)分別通過固定塊安裝在軌道機(jī)構(gòu)的軌道底板兩側(cè)。為了保證軸向切削時(shí)刀具沿管道中心切割，固定塊下端根據(jù)管徑不同采用長(zhǎng)度不等的的兩個(gè)支腳。鏈條根據(jù)管徑大小采用鎖緊彎板將其固定在管道上。鎖緊彎板成對(duì)使用，與鏈條兩端通過螺栓連接，兩個(gè)彎板再通過螺栓鎖緊實(shí)現(xiàn)將裝置固定在管道上。

圖7 夾緊機(jī)構(gòu)示意

（2）軸向行走機(jī)構(gòu)如圖8所示。主要由軌道底板、齒條、齒輪、安裝調(diào)節(jié)板、導(dǎo)向輪與電機(jī)減速機(jī)等組成。齒輪由直流減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿著嵌在軌道底板上的齒條直線行走，4個(gè)導(dǎo)向輪分兩組分別安裝在安裝調(diào)節(jié)板兩側(cè)，導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)成V形，軌道底板與導(dǎo)向輪配合的兩端面也設(shè)計(jì)成V形，增大了兩者的接觸面積，以此確保機(jī)構(gòu)在行走過程中的穩(wěn)定性和安全性。另外在安裝調(diào)節(jié)板一側(cè)設(shè)有導(dǎo)向輪的預(yù)緊調(diào)節(jié)螺釘，方便導(dǎo)向輪的安裝，并確保導(dǎo)向輪緊貼軌道底板的V形軌道行走。其升降功能與切削功能的實(shí)現(xiàn)原理與環(huán)向切削裝置相同。

圖8 軸向行走機(jī)構(gòu)示意

3 海管混凝土配重層切削裝置控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要功能：控制行走電機(jī)的正、反向轉(zhuǎn)換，機(jī)頭行走速度的調(diào)節(jié)，完成切削過程所必須的動(dòng)作，調(diào)節(jié)鋸片旋轉(zhuǎn)速度。通過控制切削速度、深度，協(xié)調(diào)系統(tǒng)完成自動(dòng)切削過程。

控制系統(tǒng)采用PLC控制，采用梯形圖編程語言控制協(xié)調(diào)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中刀具切削深度通過PLC發(fā)出的脈沖量進(jìn)行控制，刀具旋轉(zhuǎn)以及環(huán)向行走則是通過模擬量電壓來控制其輸出轉(zhuǎn)速和力矩?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)操作的簡(jiǎn)易性，PLC控制柜采用人機(jī)界面觸摸屏模式。由于設(shè)備施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，采用了防水航空插頭?？刂葡到y(tǒng)包括自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式。自動(dòng)模式中，需要根據(jù)待切割管道配重層的厚度及材質(zhì)設(shè)置進(jìn)刀量及進(jìn)刀次數(shù)，并設(shè)置刀具旋轉(zhuǎn)速度和裝置行走速度，按下啟動(dòng)按鈕則裝置開始工作直至完成設(shè)定的進(jìn)刀次數(shù)，即完成配重層的切割。手動(dòng)模式下，需要依次設(shè)定各參數(shù)，而切削裝置也依設(shè)定順序依次動(dòng)作。無論是自動(dòng)還是手動(dòng)模式，均可以在工作過程中根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)調(diào)整觸摸屏上各參數(shù)，以使切削工作順利進(jìn)行。

4 切削工藝試驗(yàn)

切削采用海底管道混凝土配重層切削裝置，其中控制系統(tǒng)采用了可編程控制器，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均顯示在屏幕上。切削裝置可適應(yīng)切削不同管徑的海底管道混凝土層，試驗(yàn)分別采用直徑為508、813 mm的X80鋼管，混凝土配重層厚度分別為60、80 mm，完成500 mm長(zhǎng)的混凝土層切削工藝試驗(yàn)，其中環(huán)向切割片直徑400 mm，軸向切割片直徑300 mm，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。圖9所示為切削工藝試驗(yàn)，圖10為切削后的管道。

表2 切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 切削工藝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖10 切削效果

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在環(huán)向進(jìn)刀量與軸向進(jìn)刀量均為20 mm時(shí)，裝置的性能最優(yōu)，效率最高。試驗(yàn)表明，該設(shè)備切削時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定，操作可控性好，工藝參數(shù)合理，滿足管道水平口對(duì)接的混凝土配重層切削要求，效率較手工操作提高2倍以上，且切縫整齊，不傷及管道PE層，明顯降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大縮短了工作時(shí)間。

5 結(jié)束語

此次開發(fā)研制的適用于海底管道水平口對(duì)接施工的混凝土配重層自動(dòng)切削裝置及其配套的切削工藝可降低施工費(fèi)用，能夠適應(yīng)海上快速、高效的作業(yè)要求，使鋪管作業(yè)提高到一個(gè)新的水平。