全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的研制與應(yīng)用

馬洪新李 果鄭松賢董彩鳳錢武杰練旭華魏國(guó)濤王 軍

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.杭州歐佩亞海洋工程有限公司)

全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的研制與應(yīng)用

馬洪新1李 果1鄭松賢1董彩鳳2錢武杰2練旭華2魏國(guó)濤1王 軍1

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.杭州歐佩亞海洋工程有限公司)

目前海洋工程中應(yīng)用較多的管道切割設(shè)備為管道式單頭火焰切割機(jī),其切割頭需要繞管道旋轉(zhuǎn)一周才能完成整管的切割,切割作業(yè)效率較低。研制了一種全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī),文中介紹了該切割機(jī)的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及適用范圍與技術(shù)特點(diǎn)。這種新型切割機(jī)只需行進(jìn)120°就能實(shí)現(xiàn)對(duì)整管的切割,大大提高了海洋工程中管道切割作業(yè)的效率。

全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī);工作原理;機(jī)械結(jié)構(gòu);控制系統(tǒng);適應(yīng)范圍;技術(shù)特點(diǎn)

目前海洋工程中管道切割作業(yè)應(yīng)用較多的管道式火焰切割機(jī)多是單割炬,即一個(gè)火焰切割頭,簡(jiǎn)稱單頭火焰切割機(jī)。這種切割機(jī)在切割作業(yè)中,切割頭需要繞管道旋轉(zhuǎn)一周才能完成整管的切割,切割效率很低。此外,少數(shù)切割機(jī)為雙割炬,這類切割機(jī)割炬的切割角度可調(diào),多用于對(duì)管道切割坡口形狀有特殊要求的切割作業(yè),切割頭同樣要繞管道旋轉(zhuǎn)一周才能完成整管的切割,切割作業(yè)效率與效果也不理想。為了提高管道式火焰切割機(jī)的切割效率,筆者研發(fā)了一種全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī),可以大大提高管道切割作業(yè)的效率。

1 全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的研制

1.1 工作原理

全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的工作原理與現(xiàn)有管道式火焰切割機(jī)的原理基本相同,電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)在設(shè)定的軌道上行進(jìn),切割頭通過轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的切割。由于該裝置具有三只火焰切割炬,只需行進(jìn)120°就可實(shí)現(xiàn)對(duì)整管的切割,因此其切割作業(yè)效率相對(duì)單頭火焰切割機(jī)要高很多。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的管道式火焰切割機(jī)的行進(jìn)方式主要有手搖式、磁力吸附式、全自動(dòng)鏈條式、定位塊式、全自動(dòng)軌道鏈條復(fù)合式等,前4種行進(jìn)方式的切割機(jī)或是對(duì)管徑誤差與橢圓誤差不能進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償(即切割管徑越大,切割誤差越大),或是成本高昂,操作不便。而全自動(dòng)軌道鏈條復(fù)合式價(jià)格適中,操作方便,并具有高效率高質(zhì)量的優(yōu)勢(shì),因此所研制的全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)采用軌道鏈條復(fù)合式行進(jìn)方式。

全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)工作原理如圖1所示,切割機(jī)的行進(jìn)方向可以雙向選擇。一方面,軌道緊固于管道,主機(jī)兩側(cè)的車輪卡在軌道上,同時(shí)主機(jī)通過鏈條與管道抱緊,保證主機(jī)在切割過程中不掉機(jī)、不滑動(dòng);另一方面,通過軌道與鏈條控制主機(jī)行進(jìn)的軌跡,保證切割起點(diǎn)與終點(diǎn)重合。

圖1 全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)工作原理圖

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2為全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)主要由主機(jī)、支架支撐梁、支架、橫梁(3根)以及軌道、鏈條和3個(gè)割炬(割炬為標(biāo)準(zhǔn)配件)組成。

1.2.1 支架支撐梁與支架

支架支撐梁是全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)之一,它既能承受支架的一部分重量,保持設(shè)備行進(jìn)過程中的穩(wěn)定性,又便于支架的安裝與拆卸;支架是全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)之二,它包括兩段弧形板。圖3為全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)支架與支架支撐梁示意圖。考慮到實(shí)際操作中的復(fù)雜工況,如管道的圓度、軌道的傾斜等,為了便于調(diào)整,支架與支架支撐梁相連的不是孔而是弧形槽。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu),支架通過一端的螺栓固定在主機(jī)上,并通過支撐梁保證穩(wěn)定性,且該機(jī)構(gòu)便于拆卸[1-2]。在實(shí)際作業(yè)中,當(dāng)完成一次切割后,只需打開其中一段支架,就可將切割機(jī)從管道上取下,而無需拆另一段支架,從而減少了工作量,提高了切割效率。

圖2 全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 全自動(dòng)式三頭火焰切割支架與支架支撐梁示意圖

在每個(gè)支架與中間主機(jī)橫梁的角度為120°處連接橫梁(如圖3中的3個(gè)橫梁安裝孔),橫梁一端固定割炬,因此切割機(jī)只需行走120°就可實(shí)現(xiàn)對(duì)整管的切割,但支架的剛度與支撐梁要保證作業(yè)過程中橫梁的穩(wěn)定性。

為了保證支架的強(qiáng)度,同時(shí)減少質(zhì)量,除注意支架材質(zhì)外,還要對(duì)支架進(jìn)行鏤空處理[3]。另外,圓形支架最上方的2個(gè)減重圓孔同時(shí)亦為機(jī)器的吊點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中當(dāng)切割機(jī)完成一段管道切割時(shí),可以先將機(jī)器起吊脫離目標(biāo)管道表面,等管道下一個(gè)切割點(diǎn)就位后再下放安裝,從而加快切割作業(yè)進(jìn)程,提高切割效率。

1.2.2 橫梁

橫梁由剛度較大、密度較輕的鋁合金鋼材制作而成[4],由于要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,橫梁結(jié)構(gòu)不能太長(zhǎng)。所研制的全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的橫梁長(zhǎng)度300mm,其上有螺紋與刻度,便于安裝割炬,可以實(shí)現(xiàn)0～250mm的行程調(diào)節(jié)范圍。同時(shí),螺紋和刻度能方便地調(diào)節(jié)割炬在橫梁上的位置,可實(shí)現(xiàn)上下前后方向的移動(dòng),以保證切口的質(zhì)量。

1.3 控制系統(tǒng)

全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)主機(jī)行進(jìn)采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng),即通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)主機(jī)的行進(jìn)速度,從而達(dá)到理想的切割效果;通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向,可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)的行進(jìn)方向,即正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),以適應(yīng)不同的切割要求。

為保證切割效果,3個(gè)割炬與管道之間的距離需相等,因此將割炬放進(jìn)夾持機(jī)構(gòu)中,配合刻度尺調(diào)節(jié)夾持器,調(diào)整距離一致。同時(shí),3個(gè)割炬需在同一圓面內(nèi)。所研制的三頭火焰切割機(jī)采用割炬找點(diǎn)的方法:在不點(diǎn)火的狀態(tài)下,先確定一割炬正對(duì)管壁的一點(diǎn);然后啟動(dòng)設(shè)備,將另外兩割炬也對(duì)上該點(diǎn);最后鎖死3個(gè)夾持器上所有的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣只需一次對(duì)中就可以完成多次切割任務(wù),大大提高了安裝調(diào)整效率。

全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)的3個(gè)割炬分別有一個(gè)氣體分配器,切割機(jī)配有控制3個(gè)分配器的總閥門,總閥門分關(guān)閉、預(yù)熱和切割3檔。每個(gè)分配器也有3個(gè)閥門:預(yù)熱氧氣閥、切割氧氣閥(與氧氣連通)和乙炔閥(與乙炔連通)。點(diǎn)火時(shí),切割氧氣閥可以一直打開,乙炔閥和預(yù)熱氧氣閥調(diào)整到適當(dāng)位置即可,切割時(shí)用總閥門開關(guān)對(duì)氣體流量進(jìn)行控制,用乙炔閥與預(yù)熱氧氣閥來控制混合氣體的預(yù)熱火焰。當(dāng)預(yù)熱到一定溫度時(shí),打開切割氧氣閥,噴出切割氧,實(shí)現(xiàn)切割。熄火時(shí),一方面切斷總閥門,直接可以切斷供氣(包括乙炔和氧氣);同時(shí),電機(jī)控制開關(guān)關(guān)斷使主機(jī)停止運(yùn)動(dòng),操作安全性較高。

在工作過程中,根據(jù)被切割管道的實(shí)際情況,調(diào)節(jié)相應(yīng)操作盒上的調(diào)速旋鈕,可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為0至電機(jī)額定轉(zhuǎn)速),從而改變切割機(jī)的切割速度,達(dá)到理想的切割效果。同時(shí),可通過切換電機(jī)的正反轉(zhuǎn)檔來改變切割機(jī)的切割方向,操作更加靈活。

2 適用范圍與技術(shù)特點(diǎn)

2.1 適用范圍

本文所研制的全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)適用于天然氣管道、石油管道等多種棄置管道類型的切斷回收作業(yè),包括帶混凝土層的單層海底管道和雙層海底管道。

對(duì)于雙層管道,將切割機(jī)的軌道安裝在目標(biāo)管道外管上,完成軌道安裝和切割機(jī)裝配后,先切割外層管道,然后將切下的外管推開一段距離,調(diào)整火焰槍頭與內(nèi)層管道距離,再完成內(nèi)管切割,即一次安裝同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管切割,節(jié)省了切割機(jī)的安裝時(shí)間。

對(duì)于表面帶混凝土涂層的棄置管道,為了縮短裝卸時(shí)間,可以專門設(shè)置合適尺寸的套管,將切割機(jī)軌道和機(jī)器本身安裝在套管上,作業(yè)過程中目標(biāo)管道從套管中穿過,使套管固定,目標(biāo)管道跟隨作業(yè)向前移動(dòng)。此方法可以節(jié)省每次切割機(jī)安裝,特別是軌道安裝的時(shí)間,成倍提高作業(yè)效率,創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。此外,為了方便操作,在套管上加工供切割機(jī)鋼輪行走的軌道凹槽(圖4),這樣便可以棄用安裝軌道,既便于操作,又節(jié)省時(shí)間。

圖4 全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)鋼輪行走的軌道凹槽

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

本文所研制的全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)已成功應(yīng)用于海上管道切割作業(yè)中,在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出以下技術(shù)特點(diǎn):

1)超高的切割精度,采用軌道+鏈條復(fù)合行走機(jī)構(gòu),可保證切割軌跡起點(diǎn)與終點(diǎn)重合。

2)優(yōu)越的防滑性能,主機(jī)鏈條采用精心設(shè)計(jì)的防滑鏈條,軌道上設(shè)計(jì)防滑帶,可保證主機(jī)行走均勻不打滑。

3)整機(jī)有3個(gè)割炬,可將切割效率提升3倍,屬于技術(shù)首創(chuàng)。

3 結(jié)束語

本文研制的全自動(dòng)式三頭火焰切割機(jī)已成功應(yīng)用于海上管道切割作業(yè)中,其性能穩(wěn)定可靠,切割精度高,能夠極大地提高管道維護(hù)搶修作業(yè)和管道回收作業(yè)的工作效率,縮短維護(hù)搶修作業(yè)及管道回收作業(yè)的施工工期,降低業(yè)主因停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝操作方便,適用范圍廣,具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]孫桓.機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].8版.北京:高等教育出版社,2006.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[4]汪海濤.冶金機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)科技文化出版社, 2006.

Development and application of fully automatic three head flame cuttingmachine

MaHongxin1Li Guo1Zheng Songxian1Dong Caifeng2Qian Wujie2Lian Xuhua2Wei Guotao1Wang Jun1
(1.Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin,300452; 2.Offshore Pipelines and Risers INC,Hangzhou,310012)

Single head flame cuttingmachine is widely applied for cuttingsubseapipe in ocean engineering atpresent,and its headmust rotate around thepipe a circle to complete the wholepipe cutting,with low cutting efficiency.A fully automatic three head flame cuttingmachine is developed.Thispaper introduced the workingprinciple of this kind of cuttingmachine,control of themechanicalstructure,controlsystem,the applicablescope and technical characteristics.This new type of cuttingmachine just need tomarch 120°to finish the wholepipe cutting,which greatly improving the efficiency ofpipe cutting operation in ocean engineering.

fully automatic three head flame cuttingmachine;the workingprinciple;themechanicalstructure;controlsystem;applicablescope;technical characteristics

2013-10-29改回日期:2013-12-20

(編輯:葉秋敏)

馬洪新,男,高級(jí)工程師,2002年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)自動(dòng)化專業(yè),主要從事海底管道工程設(shè)計(jì)與施工。電話:022-59899704。E-mail:mahx@mail.cooec.com.cn。