鄭茂堯

(海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266520)

大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

鄭茂堯

(海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266520)

鄭茂堯.大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(5)：128-132.

Zheng Maoyao.Development and application of a CNC machining system for the saddle ends of large diameter tubes[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):128-132.

為滿(mǎn)足海洋石油工程建造的需求，解決大直徑管管端馬鞍口切割能力及切割質(zhì)量上存在的不足，研制了一套新型的大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的切割機(jī)、支撐結(jié)構(gòu)、接料車(chē)及電氣控制系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)；該系統(tǒng)設(shè)計(jì)切割直徑范圍為400～2 000 mm，馬鞍口最大切割長(zhǎng)度為2 500 mm，坡口角座切割誤差為±0.5°，采用被切割管不動(dòng)，懸臂帶動(dòng)切割槍轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，能夠完成海油氣平臺(tái)建造中常見(jiàn)的各種復(fù)雜節(jié)點(diǎn)形式的管端馬鞍口的切割工作?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以滿(mǎn)足大型海洋平臺(tái)及導(dǎo)管架立柱、拉筋的各類(lèi)型馬鞍口的切割工作，坡口形式及角度滿(mǎn)足API規(guī)范要求，切割質(zhì)量好、效率高。

大直徑管；管端馬鞍口；數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng); 切割機(jī)；支撐結(jié)構(gòu)；接料車(chē)；電氣控制系統(tǒng)

管端馬鞍口的切割是海洋石油工程建造過(guò)程中一項(xiàng)重要的工作，特別是在樁基式導(dǎo)管架平臺(tái)的建造過(guò)程中顯得尤為重要。各種復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)形式使得相貫線軌跡越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的手工切割已經(jīng)不能滿(mǎn)足工程項(xiàng)目的需求，而馬鞍口數(shù)控切割設(shè)備已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于海洋石油工程建造行業(yè)。與此同時(shí)，隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)的發(fā)展，海洋開(kāi)發(fā)水深逐步增加，油氣處理技術(shù)能力不斷增強(qiáng)，海洋平臺(tái)及導(dǎo)管架的尺寸呈現(xiàn)大型化的趨勢(shì)，萬(wàn)噸級(jí)以上的海洋平臺(tái)也已屢見(jiàn)不鮮，如荔灣3-1天然氣綜合處理平臺(tái)的質(zhì)量超過(guò)了3萬(wàn)t，其導(dǎo)管架質(zhì)量也接近2萬(wàn)t。隨之而來(lái)的海洋平臺(tái)及導(dǎo)管架立柱和拉筋的設(shè)計(jì)規(guī)格尺寸也越來(lái)越大，直徑在1 000 mm以上的焊接鋼管經(jīng)常用于立柱和拉筋的制作。然而，現(xiàn)有的數(shù)控切割設(shè)備如卡盤(pán)式、摩擦輪式切割機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)和工藝的特點(diǎn)，難以適應(yīng)大直徑鋼管端部馬鞍口的切割工作，從切割能力及切割質(zhì)量上都存在一定的不足，部分切割工作仍須采用傳統(tǒng)的手工劃線切割的方式完成[1]。為提高工作效率和切割質(zhì)量，研制了一種新型的適用于海洋石油工程建造的大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)切割直徑范圍為400～2 000 mm，馬鞍口最大切割長(zhǎng)度為2 500 mm，可以滿(mǎn)足大型海洋平臺(tái)及導(dǎo)管架立柱、拉筋的各類(lèi)型馬鞍口的切割工作。

1 系統(tǒng)研制

1.1 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成及工作原理

大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)從功能上分為切割機(jī)、支撐及廢料回收等3個(gè)部分，設(shè)備包括2臺(tái)管端馬鞍口切割機(jī)、2臺(tái)移動(dòng)支撐、1臺(tái)固定支撐以及1臺(tái)移動(dòng)接料車(chē)(圖1)，主要面向直徑大于1 500 mm、長(zhǎng)度大于12 m的大尺寸鋼管的馬鞍口切割工作。其中，除固定支撐位于軌道中間不可移動(dòng)外，其余設(shè)備均可在軌道上移動(dòng)，可以根據(jù)被切割管的長(zhǎng)度調(diào)整位置。

大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)工作開(kāi)始時(shí)，首先根據(jù)被切割管的長(zhǎng)度調(diào)整2臺(tái)移動(dòng)支撐在軌道上的位置，用來(lái)支撐被切割管，待鋼管放置后升起固定支撐，以達(dá)到三點(diǎn)支撐，避免因被切割管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生撓度而影響切割精度，然后依次就位移動(dòng)接料車(chē)和切割機(jī)。移動(dòng)支撐位置應(yīng)保證被切割管上標(biāo)記的馬鞍口最短點(diǎn)位置探出其車(chē)身，接料車(chē)應(yīng)下降到最低高度，以防止在切割過(guò)程中與懸臂產(chǎn)生碰撞。各設(shè)備按要求就位后，通過(guò)電控系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)火，以防止點(diǎn)火過(guò)程中對(duì)操作人員產(chǎn)生傷害。切割開(kāi)始后，切割機(jī)將圍繞被切割鋼管旋轉(zhuǎn)進(jìn)行馬鞍口切割工作，位于機(jī)頭的位移傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)控并反饋切割槍與被切割管外皮間的距離，通過(guò)控制系統(tǒng)控制切割槍與被切割管間的相對(duì)位置。當(dāng)切割機(jī)完成3/4圓周長(zhǎng)度的切割工作時(shí)，懸臂返回至被切割管正上方的切割起始點(diǎn)前方，升起移動(dòng)接料車(chē)，托舉廢料頭。切割完成后，依次移開(kāi)管端馬鞍口切割機(jī)和移動(dòng)接料車(chē)，吊走切割后的鋼管和廢料頭，準(zhǔn)備下一次切割工作。

圖1 大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)設(shè)備布局圖

1.2 切割軌跡算法

為得到完整的馬鞍口切割軌跡，需要計(jì)算各節(jié)點(diǎn)形式的相貫線曲線以及被切割管的坡口角度，即被切割管內(nèi)皮和外皮曲線，切割參數(shù)如圖2所示。其中，坡口角度根據(jù)海洋工程行業(yè)中常用的美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)二面角Ψ≤90°，則坡口角Φ=Ψ/2;當(dāng)二面角Ψ>90°，則坡口角Φ=45°。因此，對(duì)于各種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的馬鞍口切割，需要分別建立相貫線和二面角方程[2-4]。以最常見(jiàn)的兩管相交的馬鞍口為例。

圖2 切割參數(shù)示意圖

相貫線方程為

(1)

二面角方程為

cosΨ=cosφcos(θ-β1)cosα1-sinφsin(θ-β1)

(2)

其中

(3)

1.3 誤差補(bǔ)償

切割精度是檢驗(yàn)切割機(jī)系統(tǒng)切割質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，被切割管的建造誤差是影響最終切割精度的一個(gè)重要因素。海洋平臺(tái)和導(dǎo)管架所使用的立柱和斜拉筋多由鋼板卷制而成，卷制過(guò)程中所產(chǎn)生的橢圓度等誤差是不可避免的。為提高切割精度，大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)在切割過(guò)程中將對(duì)此誤差進(jìn)行補(bǔ)償，其方法為：在點(diǎn)火切割前，首先系統(tǒng)控制切割機(jī)繞被切割管沿實(shí)際切割軌跡運(yùn)轉(zhuǎn)一周，由位于機(jī)頭上的位移傳感器進(jìn)行非接觸式測(cè)量，測(cè)量切割路徑上各位置實(shí)際半徑尺寸信息，判斷被切割管在該位置處是凹陷還是凸起，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;在切割過(guò)程中，通過(guò)半徑調(diào)整軸調(diào)整切割槍到管材表面的距離，保持在最佳距離的范圍內(nèi)，從而保證切割精度。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 切割機(jī)

考慮到被切割管的尺寸比較大，因此大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)采用了懸臂式的結(jié)構(gòu)，包括車(chē)體部分、升降機(jī)構(gòu)、半徑調(diào)整機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)臂、旋轉(zhuǎn)臂、弧板自旋轉(zhuǎn)部分和弧板部分，如圖3所示。

圖3 大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)結(jié)構(gòu)圖

切割機(jī)工作時(shí)，通過(guò)操作切割系統(tǒng)軟件將切割管端形式的相關(guān)數(shù)據(jù)下發(fā)給切割機(jī)各運(yùn)動(dòng)軸的控制板，生成待切割管端形式的完整數(shù)據(jù)，通過(guò)電氣部分控制機(jī)械部分，機(jī)頭(包括弧板自轉(zhuǎn)和弧板兩部分)上的電機(jī)減速機(jī)帶動(dòng)齒輪軸在弧板上滾動(dòng)，使切割槍能夠圍繞弧板進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。自轉(zhuǎn)電機(jī)減速機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒輪軸自轉(zhuǎn)，使弧板能自行旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)臂上的電機(jī)減速機(jī)通過(guò)齒輪與齒條的傳動(dòng)，帶動(dòng)弧板做直線運(yùn)動(dòng)。

回轉(zhuǎn)臂上的電機(jī)通過(guò)絲杠與絲母的傳動(dòng)，能夠使旋轉(zhuǎn)臂做半徑方向的直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)弧板沿半徑方向做直線運(yùn)動(dòng)。由于上述各件都聯(lián)接在回轉(zhuǎn)支撐上，回轉(zhuǎn)支撐上的齒圈又被升降板上的齒輪所驅(qū)動(dòng)，使弧板又能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上述五軸的聯(lián)動(dòng)可以切割各種相貫線軌跡，完成各類(lèi)型管端馬鞍口的切割工作[5-7]。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)主要面向大直徑、長(zhǎng)管的管端馬鞍口切割工作?？紤]到被切割管的質(zhì)量和長(zhǎng)度，支撐結(jié)構(gòu)由2個(gè)移動(dòng)支撐和1個(gè)固定支撐組成?；趯?duì)大量已完工平臺(tái)和導(dǎo)管架立柱，導(dǎo)管及拉筋規(guī)格、尺寸、質(zhì)量信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定每個(gè)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承重為50 t，總設(shè)計(jì)承重150 t。同時(shí)，2臺(tái)移動(dòng)支撐位于固定支撐兩側(cè)，可在軌道上移動(dòng)，并根據(jù)被切割管的長(zhǎng)度調(diào)整位置，因此被切割管的最大長(zhǎng)度僅受軌道長(zhǎng)度的影響。如果場(chǎng)地條件允許，軌道可以進(jìn)一步加長(zhǎng)，被切割管的最大長(zhǎng)度也隨之增加。

移動(dòng)支撐由電動(dòng)平車(chē)、升降機(jī)構(gòu)、水平承臺(tái)和V字形胎架等4個(gè)部分組成，如圖4所示。電動(dòng)平車(chē)帶動(dòng)整個(gè)支撐在軌道上移動(dòng)，升降機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和渦輪絲桿升降機(jī)組成，渦輪絲桿升降機(jī)的升降動(dòng)作帶動(dòng)水平承臺(tái)及V字形胎架進(jìn)行升降而調(diào)整高度，以支撐不同管徑的被切鋼管，保證其中心線與切割機(jī)回轉(zhuǎn)臂中心對(duì)齊，提高切割精度。水平承臺(tái)上布置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)絲桿帶動(dòng)V字形胎架在水平承臺(tái)上移動(dòng)，用來(lái)微調(diào)被切割管在與軌道垂直方向上的位置，保證其中心線與切割機(jī)旋轉(zhuǎn)中心位于同一鉛垂面上，提高切割精度。V字形胎架則能保證被切割管更加穩(wěn)定的放置在支撐上。

圖4 大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)移動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)圖

固定支撐由底座、升降機(jī)構(gòu)和弧形胎架等3個(gè)部分組成，如圖5所示，其中升降機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和4臺(tái)渦輪絲桿升降機(jī)組成。待被切割管放置到移動(dòng)支撐上后，安裝在底座上的升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)弧形胎架升起，托柱鋼管，起到輔助支撐的作用，防止鋼管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生變形。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整固定支撐和移動(dòng)支撐的頂升高度差，使該支撐結(jié)構(gòu)用于支撐海洋平臺(tái)建造中常見(jiàn)的帶有變徑管節(jié)點(diǎn)的拉筋，完成其馬鞍口切割工作。

圖5 大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)固定支撐結(jié)構(gòu)圖

2.3 接料車(chē)

為方便切割后的廢料頭回收，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了移動(dòng)接料車(chē)，該接料車(chē)由車(chē)體、叉剪式支撐和料斗等3個(gè)部分組成，如圖6所示。待切割即將完成時(shí)，車(chē)體帶動(dòng)接料車(chē)就位到廢料頭下，液壓缸帶動(dòng)叉剪式支撐體升降料斗，貼近被切割管件的底部，待切割完成廢料落入移動(dòng)接料車(chē)內(nèi)，由移動(dòng)接料車(chē)移走。

圖6 大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)接料車(chē)結(jié)構(gòu)圖

2.4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案，通過(guò)多中央處理器、現(xiàn)場(chǎng)總線和模塊化結(jié)構(gòu)完成對(duì)機(jī)械主體、傳感系統(tǒng)和自動(dòng)點(diǎn)火等系統(tǒng)的控制，其原理如圖7所示。上位機(jī)將生成的切割數(shù)據(jù)通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線傳給下位機(jī)(下位機(jī)由多個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的運(yùn)動(dòng)軸控制器構(gòu)成)，再由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)時(shí)控制。工控機(jī)負(fù)責(zé)顯示操作進(jìn)程及相關(guān)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)下發(fā)及協(xié)調(diào)監(jiān)控[8-10]。

圖7 大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)原理圖

電源設(shè)備采用的是獨(dú)立的交流穩(wěn)壓電源，保證供電穩(wěn)定。電氣控制系統(tǒng)主要由2臺(tái)切割機(jī)控制單元、2個(gè)可移動(dòng)支撐控制單元、1個(gè)固定支撐控制單元和2個(gè)可移動(dòng)接料車(chē)組成，并以切割機(jī)為主控單元，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞脚c其它控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動(dòng)作。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)投入生產(chǎn)以來(lái)，已先后應(yīng)用于荔灣、陸豐、惠州、恩平等10多個(gè)海洋油氣平臺(tái)及導(dǎo)管架的建造項(xiàng)目，承擔(dān)了海洋石油工程青島建造場(chǎng)地90%以上卷制管的馬鞍口切割工作。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大馬鞍口切割長(zhǎng)度為2 500 mm，最大切割直徑為2 000 mm，坡口角度切割誤差為±0.5°，成功地解決了大直徑管(管徑大于1 500 mm)馬鞍口的自動(dòng)切割問(wèn)題，取代了原有的手動(dòng)切割方式，在極大地提高工作效率的同時(shí)，也降低了工人的施工強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)采用被切割管不動(dòng)、懸臂帶動(dòng)切割槍轉(zhuǎn)動(dòng)的切割方式，解決了傳統(tǒng)的摩擦輪式切割機(jī)在被切割管轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中因橢圓度和縱焊縫引起的晃動(dòng)及前后串動(dòng)而產(chǎn)生波浪形坡口的問(wèn)題，提高了切割質(zhì)量，也減少了后續(xù)打磨修復(fù)的工作量。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，所研制的大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)可以滿(mǎn)足大型海洋平臺(tái)及導(dǎo)管架立柱、拉筋的各類(lèi)馬鞍口的切割工作，坡口形式及角度滿(mǎn)足API規(guī)范要求，切割質(zhì)量好、效率高。

4 結(jié)論

本文研制的大直徑管管端馬鞍口數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大馬鞍口切割直徑為2 000 mm，最大切割長(zhǎng)度為2 500 mm，坡口角度切割誤差為±0.5°，能夠完成海洋油氣平臺(tái)建造中常見(jiàn)的各種復(fù)雜節(jié)點(diǎn)形式的管端馬鞍口切割工作，坡口形式及角度滿(mǎn)足API規(guī)范要求，其切割能力與切割質(zhì)量均已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。一方面，該系統(tǒng)采用獨(dú)特的設(shè)備布局及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得被切割管的長(zhǎng)度不再受設(shè)備本身限制，可以滿(mǎn)足十幾米，甚至幾十米長(zhǎng)拉筋管的管端馬鞍口切割工作。另一方面，該系統(tǒng)采用被切割管不動(dòng)、懸臂帶動(dòng)切割槍轉(zhuǎn)動(dòng)的切割方式，解決了摩擦輪式切割機(jī)被切割管轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受自身橢圓度和縱焊縫影響產(chǎn)生波浪形坡口的問(wèn)題，提高了切割質(zhì)量，提升了我國(guó)海洋油氣平臺(tái)建造的裝備能力，在行業(yè)內(nèi)具有良好的推廣前景。

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(編輯：葉秋敏)

Development and application of a CNC machining system for the saddle ends of large diameter tubes

Zheng Maoyao

(ChinaOffshoreOil(Qingdao)EngineeringCo.,Ltd.,Qingdao,Shandong266520,China)

In order to meet the construction requirements of offshore oil engineering projects, and overcome the shortcomings in capability and quality of saddle end cutting of large diameter tubes, a new type of CNC machining system was developed, and the cutting unit, support unit, scrap-receiving unit and electrical control system were designed. Tubes with diameters ranging from 400 mm to 2 000 mm can be cut, with maximum cutting length of 2 500 mm, and cutting error in bevel angle of less than 0.5°. The working mode in which the cantilever-drived cutting gun is rotated while the tube is motionless was adopted to finish saddle cutting for various complex joints in the construction of offshore oil platforms. The results of field application shows that the system can satisfy the cutting operations on large offshore platforms, jacket columns, and different types of saddle ends with brace; the groove type and bevel conform to the requirements of API specifications. The machining system boasts good cutting quality and high cutting efficiency.

large diameter tube; saddle end; CNC machining system; cutting machine; support unit; scrap-receiving unit; electrical control system

鄭茂堯，男，工程師，現(xiàn)主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)物建造施工設(shè)計(jì)及裝備研究工作。地址：青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)連江路492號(hào)(郵編：266520)。E-mail：zhengmy@mail.cooec.com.cn。

1673-1506(2016)05-0128-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.022

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