金剛石繩鋸機切削海底管道切削效率試驗

張永銳，王立權(quán)，楊洋，張嵐

(哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

海洋石油資源是我國能源供給的重要組成部分，目前我國海洋石油資源開發(fā)得到了快速發(fā)展。海底管道作為海洋石油開發(fā)的重要組成部分，對海洋石油的開采和輸送起著極為關(guān)鍵的作用。隨著新海洋油氣田開發(fā)的增多，海底管道的數(shù)量逐年增多，某些管道的使用年限增長，使用壽命降低，嚴(yán)重影響油氣田產(chǎn)量，并且修復(fù)費用及其高昂［1-2］。因此提高海底管道的修復(fù)效率具有重要的工程實際意義。

金剛石繩鋸機是實現(xiàn)海底油氣管道切削作業(yè)的有效機具，它兼具了金剛石的高硬度和鋼絲繩的柔性［3］，具有切削效率高、作業(yè)簡單、環(huán)境影響小等特點。金剛石繩鋸機可工作于水下，經(jīng)金剛石繩鋸機切削的管道切口比較規(guī)則平整，切削過程沖擊小，是一種理想的海底管道切削機具［4］。黃輝等［5-6］進行了繩鋸機切削花崗巖的切削參數(shù)對切削力和切削能耗影響的試驗研究，認(rèn)為進給率對鋸切力和功率的影響比線速度和鋸切長度都要明顯。張進生［7］等通過試驗揭示了金剛石串珠繩鋸切大板材鋸切速度、進給速度與串珠繩磨損的關(guān)系。張嵐、曹立文［8-9］等對水下金剛石繩鋸機切削海底石油管道時串珠的磨損情況進行了研究。H.K.Tonshoff［10］研究了繩鋸機切削不同材料金屬構(gòu)件時的切削能力，結(jié)果表明:與加工鋼質(zhì)材料相比，加工鋁更有效。本文針對金剛石繩鋸機切削海底管道進行了試驗研究，分析了切削過程中串珠繩線速度、切削壓力、進給速度對繩鋸機切削效率的影響。

1 試驗裝置及試驗方案

1.1 金剛石繩鋸機試驗樣機

金剛石繩鋸機試驗樣機主要由驅(qū)動電機、金剛石串珠繩、進給絲桿、串珠繩拉力和壓力測試系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、綜合控制柜、冷卻系統(tǒng)等幾部分組成(如圖1所示)，金剛石繩鋸機工作時，需將待切削的鋼管用V型塊夾緊固定，然后由驅(qū)動電機通過皮帶輪帶動主動輪高速旋轉(zhuǎn)，使張緊的串珠繩實現(xiàn)其沿管道的切向進給運動;同時由進給絲桿帶動整個鋸弓板實現(xiàn)串珠繩的法向直線進給，串珠繩在工作過程中始終保持張緊狀態(tài)，以保證串珠繩始終對鋼管有法向壓力，切削過程中串珠繩與鋼管之間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生大量的摩擦熱，因此試驗樣機設(shè)有冷卻系統(tǒng)，保證串珠繩良好的切削環(huán)境和切削效果。

圖1 金剛石繩鋸機試驗樣機Fig.1 Diamond wire saw test prototype

1.2 金剛石串珠繩

目前國內(nèi)沒有能力生產(chǎn)可以切削純鋼材的金剛石串珠繩，本試驗使用的是意大利MARINI公司生產(chǎn)的金剛石串珠繩，試驗所用串珠繩總長2.97 m，串珠間距離18 mm，串珠直徑10 mm，串珠寬度6 mm，每米串珠繩上有40顆串珠，串珠總數(shù)為118顆，金剛石磨粒粒度為40/50，串珠制作方式為燒結(jié)式，相鄰串珠間的固定方式為彈簧注塑式，串珠繩實物照片如圖2所示。切削所用材料為實際海底管道用X52鋼管，規(guī)格為?220×20，抗拉強度 455 MPa，屈服強度 531 MPa，屈強比為 0.9。

圖2 金剛石串珠繩Fig.2 Diamond string bead wire

1.3 試驗方案

通過測量相同時間內(nèi)在不同切削線速度、切削壓力和進給速度下被切鋼管的切削量，分析不同切削參數(shù)對繩鋸機切削效率的影響。切削試驗采用單一因素法，具體參數(shù)組合詳見表1，每組試驗進行兩次，并取平均值為最終值。由于切削時間遠(yuǎn)小于金剛石串珠繩的壽命，故本試驗不考慮串珠繩磨損帶來的影響。

表1 切削試驗參數(shù)Table 1 Main parameters of cutting experiments

串珠繩的張緊力和對鋼管的壓力(切削壓力)存在對應(yīng)關(guān)系(對應(yīng)關(guān)系分為靜態(tài)和動態(tài)兩種情況)，試驗時的切削壓力由串珠繩的張緊力反推得到。為了準(zhǔn)確得到串珠繩張緊力和切削壓力的對應(yīng)關(guān)系，采用在壓緊輪下面安裝壓力傳感器的方法，測量串珠繩在不同切削線速度下張緊力與切削壓力的對應(yīng)關(guān)系。壓力傳感器實物如圖3所示。

圖3 壓力傳感器Fig.3 Pressure sensor

2 試驗結(jié)果及分析

圖 4 為在切削速度18、19、20、21、22、23、24 m/s時串珠繩張緊力隨切削壓力的變化曲線。從圖4可以看出，整體上串珠繩張緊力與壓力的對應(yīng)關(guān)系近似為線性關(guān)系，張緊力隨著串珠繩切削線速度的增加有小幅的增長，這是因為串珠繩離心力的作用。另外，當(dāng)張緊力大于2 600 N時串珠繩發(fā)生斷繩現(xiàn)象，且每次斷繩均發(fā)生在串珠繩的連接處，雖然鋼絲繩的承載能力遠(yuǎn)大于2 600 N，但串珠繩連接處的強度決定了整條串珠繩所能承受的最大張緊力。

圖4 串珠繩張緊力和切削壓力關(guān)系曲線Fig.4 Tension and pressure curve of string bead wire

2.1 串珠繩切削線速度的影響

圖5給出了在相同的時間內(nèi)鋼管被切除面積隨切削線速度(壓力50 N，進給速度0.25 m/h)變化曲線，從圖5可以看出，在切削線速度發(fā)生改變的條件下，鋼管的被切削面積將會發(fā)生改變，相同時間內(nèi)切削線速度為22 m/s時切除鋼管的面積最大，切削線速度為18 m/s時切除的鋼管面積最小。當(dāng)切削線速度小于22 m/s時鋼管被切除面積隨著切削線速度的增加而增加，但當(dāng)切削線速度大于22 m/s時，切削線速度的增加反而使鋼管切除面積減少。存在一個最佳切削線速度使得切削面積最大。另外，鋼管特定的環(huán)狀截面形狀使得串珠繩與其接觸的長度隨著切削深度發(fā)生變化，即在管道上下壁處，鋼管與串珠繩的接觸長度比管道中部要大，也就是說鋼管上下壁處的切削難度要大于鋼管中部，因此可以從圖中看到0～100 s處的曲線斜率相比100～300 s處的曲線斜率要小。

圖5 不同切削線速度下的切削量Fig.5 Cutting amount for different wire speeds

圖6給出了切削效率隨切削線速度的變化曲線，可見，切削線速度對鋼管的切削效率影響明顯，隨著切削線速度的增加切削效率顯著增加，在切削線速度22 m/s時切削效率達到最大值6.4 mm2/s，而切削線速度18 m/s時的切削效率為3.66 mm2/s，不同切削線速度下的切削效率相差1.75倍。當(dāng)切削線速度大于22 m/s時，切削效率略有降低，這可能是因為過高的切削線速度降低了串珠繩對鋼管的水平切削力，并且過高的串珠繩線速度使得磨削區(qū)產(chǎn)生大量的摩擦熱，容易造成鋼管切削表面燒傷，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，同時高溫容易使金剛石磨粒本身發(fā)生石墨化，造成氧化磨損和擴散磨損等，進而減弱了金剛石磨粒的切削性能。

圖6 不同切削線速度下的切削效率Fig.6 Cutting capacity for different wire speeds

2.2 切削壓力的影響

圖7給出了在相同的時間內(nèi)鋼管被切除面積隨切削壓力(切削線速度22 m/s，進給速度0.25 m/h)變化曲線，從圖7可以看出，相同時間內(nèi)切削壓力為200 N時切除鋼管的面積最大，切削壓力為50 N時切除鋼管的面積最小。值得注意的是，在切削壓力小于250 N時，工作可連續(xù)進行。但當(dāng)切削壓力大于250 N時只工作了很短時間切削就停止了。過大的切削壓力造成串珠繩和鋼管間的摩擦力增加，使得切削過程中需要消耗更多的能量，造成電機熄火。

圖7 不同切削壓力下的切削量Fig.7 Cutting amount for different working pressures

圖8給出了切削效率隨切削壓力的變化曲線。從圖8可以看出，切削壓力對鋼管的切削效率影響同樣明顯，在切削壓力為200 N時切削效率達到最大值6.96 mm2/s，而切削壓力為 50 N時的切削效率為4.96 mm2/s，不同切削壓力下的切削效率相差1.4倍。而在250 N和300 N的切削壓力下只工作很短時間就停止切削所以切削效率很低。

高的切削壓力使得串珠繩上的金剛石微刃壓入材料表面，在串珠繩高速運動的情況下與被切材料形成一種擠壓式的運動，易于滑動的金剛石磨粒切斷材料而形成切屑，因此有更好的切削效率。但切削壓力過大使金剛石微刃壓入材料而減少了切削材料的容屑空間，并且造成串珠胎體接觸工件表面，增加了串珠繩與被切材料之間的摩擦力，造成切削效率降低甚至切削停止。

圖8 不同切削壓力下的切削效率Fig.8 Cutting capacity for different working pressures

2.3 進給速度的影響

圖9給出了在相同的時間內(nèi)鋼管被切除面積隨進給速度(壓力50 N，切削線速度22 m/s)變化曲線，從圖9可以看出，相同時間內(nèi)進給速度為0.3 m/h時切除鋼管的面積最大，進給速度為0.1 m/h時切除的鋼管面積最小。當(dāng)進給速度小于0.3 m/h時切削面積隨著進給速度的增加而增加，當(dāng)進給速度大于0.3 m/h時切削面積反而減少，存在一個最佳進給速度使得切削面積最大。并且進給速度0.4 m/h時電機熄火。另外，當(dāng)進給速度為0.35 m/h時觀察到串珠繩振動明顯，這可能對切削效率產(chǎn)生了不利的影響。

圖9 不同進給速度下的切削量Fig.9 Cutting amount for different feed rates

圖10給出了切削效率隨進給速度的變化曲線，可看出，進給速度對鋼管的切削效率影響明顯，在進給速度為0.3 m/h時切削效率達到最大值7.2 mm2/s，而進給速度為 0.1 m/h 時切削效率為 4.16 mm2/s，不同進給速度下的切削效率相差1.73倍。但當(dāng)進給速度過快時，同樣造成了電機熄火，切削停止的現(xiàn)象，這與切削壓力過大時的情況一致，因此可以認(rèn)為，過大的進給速度會造成切削壓力過大，這與文獻［6］中切削參數(shù)對切削力影響的試驗研究所得出的結(jié)論一致。

圖10 不同進給速度下的切削效率Fig.10 Cutting capacity for different feed rates

3 結(jié)論

本文進行了金剛石繩鋸機切削海底管道切削效率的試驗研究，通過測量相同時間內(nèi)在不同切削線速度、進給速度、切削壓力條件下海底管道的被切削量，得出如下結(jié)論:

1)串珠繩張緊力與壓力的對應(yīng)關(guān)系近似為線性關(guān)系，當(dāng)串珠繩張緊力大于2 600 N時發(fā)生斷繩現(xiàn)象;

2)切削線速度、進給速度、切削壓力對繩鋸機切削海底管道的切削效率均有顯著的影響，其中切削線速度和進給速度的影響略大于切削壓力，且切削線速度和進給速度存在最佳值使得繩鋸機的切削效率最高。

3)一定的切削壓力有利于提高切削效率，但當(dāng)切削壓力大于250 N或進給速度大于0.4 m/h時會導(dǎo)致切削能耗增加進而電機熄火切削停止。

［1］房曉明.海底管線干式維修技術(shù)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，29(7):651-657.FANG Xiaoming.Dry repair technology for offshore pipelines［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，29(7):651-657.

［2］劉春厚，潘東民，吳誼山.海底管道維修方法綜述［J］.中國海上油氣，2004，16(1):59-62.LIU Chunhou，PAN Dongmin，WU Yishan.Description of maintenance and repair method of subsea pipeline［J］.China Offshore Oil and Gas，2004，16(1):59-62.

［3］王飛，張進生，王志.金剛石串珠繩鋸鋸切技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.金剛石與磨料磨具工程，2013，33(1):36-41.WANG Fei，ZHANG Jinsheng，WANG Zhi.Current situation and development of diamond wire saw cutting technology［J］.Diamond and Abrasives Engineering，2013，33(1):36-41.

［4］CAO Linwen.Research on cutting technology of underwater diamond wire saw［C］//Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics.Qingdao，China，2008:2751-2756.

［5］HUANG Hui，HUANG Guoqin，XU Xipen，et al.An experimental study of machining characteristics and tool wear in the diamond wire sawing of granite［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2013，277(7):943-953.

［6］黃國欽，黃輝，郭樺，等.串珠繩鋸切花崗石過程中鋸切參數(shù)對鋸切力和能耗的影響［J］.機械工程學(xué)報，2009，45(3):234-239.HUANG Guoqin，HUANG Hui，GUO Hua，et al.Influences of sawing parameters on forces and energy in wire sawing of granite［J］.Jounal of Mechanical Engineering，2009，45(3):234-239.

［7］ZHANG J S，HUANG B，WANG Z.The experiment research of diamond wire saw in quarrying granite with high efficiency［C］//11th International Manufacturing Conference-Advances in Materials Manufacturing Science and Technology.Jinan，China，2004:117-121

［8］張嵐，孟慶鑫，王立權(quán)，等.金剛石串珠失效形式的實驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2005，26(4):526-530.ZHANG Lan，MENG Qingxin，WANG Liquan，et al.Experiment and study on the failure mode of diamond string bead［J］.Journal of Harbin Engineering University，2005，26(4):526-530.

［9］曹立文.金剛石串珠繩的磨削和磨損機理［J］.工具技術(shù)，2007，41(9):29-33.CAO Liwen.Grinding and wear mechanism of diamond string bead wire［J］.Tool Engineering，2007，41(9):29-33.

［10］TONSHOFF H K，HILLMANN A.Diamond tools for wire sawing metal components［J］.Diamond and Related Materials，2002，11(3):742-748.