鋼管通徑機結(jié)構(gòu)的改進與優(yōu)化

趙 旭，王開尋，姜志強

（中冶遼寧德龍鋼管有限公司，遼寧鞍山114000）

鋼管通徑機結(jié)構(gòu)的改進與優(yōu)化

趙 旭，王開尋，姜志強

（中冶遼寧德龍鋼管有限公司，遼寧鞍山114000）

為了解決鋼管通徑機在使用過程中出現(xiàn)磨損鋼管內(nèi)壁、卡死及液壓驅(qū)動力不穩(wěn)定等問題，對原有通徑機的鋼管夾臂、支撐裝置及液壓控制系統(tǒng)進行了改進和優(yōu)化，并詳細介紹了改進方案。改進后的通徑機具有結(jié)構(gòu)簡單、使用簡便、運行快捷、精確定位等優(yōu)點，同時提高了工作效率及作業(yè)安全性，投入使用累計工作次數(shù)30 000次以上，沒有發(fā)生過任何設備故障，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

鋼管；通徑機；探桿；液壓

通徑機是鋼管生產(chǎn)線上重要的設備，是鋼管內(nèi)徑橢圓度和直線度檢測的專用設備。石油天然氣勘探及開采中，需要消耗大量的油井管和輸送管，并對石油鋼管的直線度和內(nèi)徑尺寸要求較高。以油氣輸送管為例，要求鋼管全長相對于直線的總偏離≤0.2%鋼管長度，即長度為12 m鋼管的允許最大偏離量為24 mm。因此，通徑機是石油鋼管生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設備之一，其能夠確保交貨鋼管的直線度達到用戶或標準的要求。本研究針對中冶遼寧德龍鋼管有限公司原有通徑機存在的問題進行了重新設計和優(yōu)化，取得了較好的效果。

1 原有設備存在問題

通徑機安裝在鋼管輸送輥道的一端，工作時，鋼管輸送輥道將鋼管運送至通徑機夾臂中，夾臂在液壓缸的作用下抱緊鋼管，探桿在主電機的作用下帶動安裝于探桿前端的通徑規(guī)（以下簡稱通徑頭）進入鋼管中，完成通徑工作。

在實際工作中發(fā)現(xiàn)，原有設備工作方式存在以下缺點：

（1）鋼管與下夾臂發(fā)生碰撞。鋼管夾臂是由上、下兩個部分組成。其中下夾臂為固定端，上夾臂在導柱中可以根據(jù)管徑的不同而上下移動，同時實現(xiàn)夾緊鋼管的作用。由于下夾臂固定，導致鋼管經(jīng)輸送輥道進入夾臂內(nèi)，鋼管與下夾臂經(jīng)常發(fā)生碰撞、摩擦。其主要原因是因為下夾臂調(diào)整高度為鋼管在輸送輥道上的理論高度，但實際生產(chǎn)出的鋼管直線度必然存在偏差，這樣會使鋼管端面產(chǎn)生損傷。

（2）探桿出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。原有的探桿在運動時由上、下兩組夾送輥夾緊，并由兩組夾送輥提供動力使其前行。下夾輥為固定輥，與減速電機連接，上夾輥在液壓缸的作用下壓緊探桿，并保持壓力穩(wěn)定。探桿在前行過程中，上夾輥應隨著探桿直徑的變化而上下輕微運動。實際工作時，液壓系統(tǒng)不能滿足夾緊缸自適應功能，當探桿前進期間，由于探桿直徑加工尺寸局部超差，通過夾緊輥時探頭與生產(chǎn)中心線夾角過大，產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。通徑機工作時探桿應帶動通徑頭完全貫穿鋼管，以此檢測鋼管內(nèi)徑。實際工作中探桿在伸長時由于自身重力以及安裝在探桿前端的通徑頭重力共同的作用下，探桿自然向下彎曲，導致通徑頭與鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，在連續(xù)工作時通徑頭磨損嚴重，并且不可修復，嚴重影響檢測精度，增加生產(chǎn)成本，并對鋼管內(nèi)部造成劃傷。

（3）液壓驅(qū)動力不穩(wěn)定。在實際應用中由于探桿帶動通徑頭在鋼管內(nèi)部前行，隨著探桿的深入，壓緊輥所提供的下壓力并不穩(wěn)定，造成探頭位置偏移，如果在探桿初始位置調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，加大壓緊輥的壓力，則會造成驅(qū)動力不足，探桿不能按照原有路徑前行。

2 設備改進方案

2.1 方案制定

2.1.1 鋼管夾臂改進方案

方案一：上、下夾臂均可獨立運動。上、下夾臂各配備兩組油缸，運行時，上、下夾臂分別在各自液壓缸作用下上下運動，通過傳感器限定夾臂的位移量。此方案的優(yōu)點是上、下夾臂動作準確，可以定位鋼管中心；缺點是需改動設備結(jié)構(gòu)較多，成本較高。

方案二：上、下夾臂左右獨立運動。工作時左右夾臂分別在液壓缸作用下向左、向右運動，使鋼管可以順利進入通徑機。此方案的優(yōu)點是左右夾臂動作準確，可以定位鋼管中心；缺點是需重新制作設備及設備基礎，不能使用隨設備帶來的不同管型的夾具，改動成本很高。

方案三：上、下夾臂自適應運動。上、下夾臂在導柱上自由活動，液壓缸分別安裝于上、下夾臂，下方有限位。自由狀態(tài)下通徑機的夾臂中心低于鋼管中心。鋼管需進入通徑機時，上夾臂在液壓缸作用下向上運動，使夾具打開，待鋼管進入通徑機時，上夾臂在液壓缸的作用下向下運動至鋼管上表面，由于上夾臂接觸鋼管上表面，下夾臂隨著液壓缸向上運動至鋼管下表面，在液壓缸的持續(xù)作用下夾緊鋼管。此方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可以繼續(xù)使用原設備夾具；同時上、下夾臂可以自動適應鋼管中心，鋼管中心即為夾具中心，夾具只提供穩(wěn)定的加持力，并不能保證鋼管的中心與通徑機的中心線一致。

經(jīng)過反復研究論證：方案一及方案二結(jié)構(gòu)原理基本相同，都可以滿足通徑機的使用要求；方案三雖然不能保證鋼管與通徑機的中心線完全一致，但存在的偏差并不影響通徑機的正常使用。由于方案三結(jié)構(gòu)設計簡單，改動部位較少，并能利用原設備的工裝夾具，不需要重新制作設備基礎，所以選擇方案三對原設備夾臂進行改造。

2.1.2 液壓系統(tǒng)改進方案

方案一：改動壓緊輥液壓系統(tǒng)，加裝比例閥及位置傳感器實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的壓力平衡。

方案二：在液壓缸前腔或后腔安裝蓄能器。

經(jīng)過分析，兩種方案都可以實現(xiàn)其功能，但方案二較方案一更加節(jié)能，并且改動成本較低，改動工作量較小，較容易實現(xiàn)。方案二的優(yōu)勢是蓄能器可以在適當?shù)臅r機將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲存起來，當系統(tǒng)需要時，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗芏尫懦鰜?，重新補給系統(tǒng)。當系統(tǒng)瞬間壓力增大時，可以吸收這部分能量，保證整個系統(tǒng)壓力正常。壓緊輥由液壓站提供一個壓力后切斷油路，由蓄能器提供的壓力補償壓緊輥，使其可以上下移動。

2.1.3 降低通徑頭磨損方案

通徑頭的磨損是由于通徑頭及探桿在伸長過程中重心不斷前移，導致探桿變形以及通徑頭中心線下移，最終通徑頭與鋼管內(nèi)壁發(fā)生接觸，產(chǎn)生摩擦。因此，為了減少通徑頭磨損，必須對探桿進行改進，以防止通徑頭以及探桿的重心下移。擬定以下兩種方案。

方案一：工作前預先調(diào)整探桿，給其一個向上的角度，補償其伸出過長產(chǎn)生的探桿下?lián)隙取?/p>

方案二：在探桿前端安裝支撐裝置，用于克服通徑頭和探桿的自重。該支撐裝置為彈性支撐，在檢測鋼管時，當鋼管內(nèi)壁尺寸發(fā)生變化時可以被壓縮，避免卡死情況發(fā)生。

經(jīng)過分析，方案一由于通徑頭尺寸的不一致，質(zhì)量偏差幅度較大，同一角度不能滿足不同規(guī)格的鋼管使用；而且不能在內(nèi)徑較小的鋼管中使用。方案二需在不同尺寸的通徑頭安裝不同的支撐裝置，雖然通用效果差，但可以應用于所有直徑的鋼管，且加工成本低廉，故采用第二種方案。

2.2 結(jié)構(gòu)改進

2.2.1 夾臂

原通徑機夾緊裝置的下夾臂固定，下夾臂與鋼管下部對齊，工作時上夾臂張開后鋼管進入夾緊裝置。由于所生產(chǎn)的鋼管必然存在彎曲，導致鋼管進入夾緊裝置后易與下夾臂發(fā)生摩擦或碰撞，損壞夾緊裝置并且無法正常工作。改進的夾緊裝置上夾臂與下夾臂都可以沿著導柱上下移動，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，上、下夾臂的中心低于鋼管中心10 mm。工作時液壓缸伸出，下夾臂接觸導柱下底面保持不動，上夾臂在液壓缸的推動下向上移動，打開夾緊裝置。這時鋼管可以順利進入夾緊裝置，鋼管進入夾緊裝置后，液壓缸收縮，上夾臂下降并接觸到鋼管上部，這時下夾臂在液壓缸的帶動下向上移動并接觸到鋼管下部，并由液壓缸保持固定的夾緊力。

2.2.2 支撐裝置

改進后支撐裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由滾輪、滾輪座、支撐梁、支撐柱、調(diào)整螺母、彈簧和固定螺母組成。支撐裝置利用彈簧的預緊力來承擔通徑頭和一半探桿的質(zhì)量，避免通徑頭與鋼管內(nèi)壁發(fā)生摩擦。工作中，支撐裝置的滾輪在探桿的推力下沿鋼管內(nèi)壁滾動，遇到鋼管內(nèi)徑發(fā)生變化時，通徑頭與鋼管內(nèi)壁上表面接觸，擠壓力經(jīng)過探桿傳遞到支撐裝置上，使彈簧繼續(xù)壓縮，滾輪座沿軸轉(zhuǎn)動，從而降低支撐裝置的高度，避免由支撐裝置的存在而影響檢測結(jié)果的準確性。圖3所示為正常工作時通徑頭行走示意圖。

圖2 支撐裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 通徑頭行走示意圖

2.2.3 液壓系統(tǒng)

通徑油缸原液壓回路如圖4（a）所示，在原回路中，油液由進油管P進入，通過兩個電磁換向閥和液壓鎖進入油缸，并通過回油管T回到液壓站，如此實現(xiàn)通徑機油缸往復運動的功能。改進后油缸液壓回路如圖4（b）所示，將原系統(tǒng)壓緊輥油路中加裝蓄能器。當系統(tǒng)工作壓力變化過大時，蓄能器可吸收油路中的液壓沖擊，穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，并且在適當?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)下補償系統(tǒng)壓力，作為輔助動力源使用。在原回路當中，液壓系統(tǒng)管路全部采用硬管連接，并且油路彎轉(zhuǎn)及變徑非常多，同時工作期間產(chǎn)生的震動也非常大，管路經(jīng)常發(fā)生接口連接松動，漏油及管箍損壞等現(xiàn)象，現(xiàn)將部分管路改為液壓膠管連接，故障率顯著降低。

圖4 液壓裝置改進原理圖

3 改進裝置的優(yōu)點

（1）改進后的夾緊裝置很好地實現(xiàn)了打開和夾緊動作，結(jié)構(gòu)簡單，適應性強，并可以根據(jù)鋼管自動調(diào)整夾緊裝置的中心。

（2）支撐裝置降低了通徑頭的磨損，增加了檢測精度，并節(jié)約了檢測成本，此方式調(diào)整能力強，可提高作業(yè)效率。

（3）通過對液壓系統(tǒng)進行改進，增加了蓄能器，穩(wěn)定了系統(tǒng)壓力，加大了系統(tǒng)壓力的補償能力，有效降低了震動。

4 實際效果

中冶遼寧德龍鋼管有限公司HFW生產(chǎn)線對該改進方案進行了實際驗證，效果明顯。通過解決現(xiàn)存設備問題，優(yōu)化機械及液壓系統(tǒng)，使設備可以穩(wěn)定、高效運行，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

（1）改進后的通徑機投入使用至今累計工作次數(shù)多達30 000次以上，沒有發(fā)生過任何設備故障。

（2）改進后的支撐裝置不僅結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省空間，而且通徑頭可以自由伸縮，有一定移動空間；同時提高了工作效率，縮短了通徑時間，提高了作業(yè)安全性。

（3）改進后的通徑機設備已經(jīng)取得發(fā)明專利（ZL201220260855.4），可廣泛推廣于直縫焊管領域。

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Improvement and Optimization of Steel Pipe Drifter Structure

ZHAO Xu,WANG Kaixun,JIANG Zhiqiang
（MCC Liaoning Dragon Pipe Industries Co.， Ltd.， Anshan 114000， Liaoning， China）

In order to solve the problems such as the damage of internal wall of steel pipe caused by abrasion between the head of drifter and internal wall of steel pipe，getting stuck of the head of drifter in reciprocating motion，or the instability of hydraulic driving force，clips for steel pipe，brace device and hydranlic control system of the original drifter was improved and optimized，and the improvement project was introduced in detail.The improved drifter had the advantages of simple construction，easy to use，fast operation，and precision positioning，operation efficiency and security were improved，cumulative work numbers were more than 30 000 times without any equipment faults，which obtained remarkable economic benefits.

steel pipe； drifter； feeler lever； hydraulic pressure

TG335.21

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.010

趙 旭（1981—），男，工程師，目前主要從事設備管理工作。

2017－04－17

張 歌