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)行管道水平口對接及登陸段管道預(yù)制等工作。由于現(xiàn)場施工狀況的不確定性，在陸地預(yù)制管道時，無法做到準(zhǔn)確預(yù)制出管段的長度以及管端的預(yù)留長度[1]，需要在鋪管船施工現(xiàn)場，根據(jù)實(shí)際情況對管道進(jìn)行測量、切除，才能完成管道的鋪設(shè)工作。水平口對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)行水平口對接[2]。與陸上管道連頭施工不同的是，由于管道對接是在水面以上進(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，可以縮短水平口對接的作業(yè)時間，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能，連續(xù)不斷地對管道涂層進(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，但是由于水平口對接施工的特殊性以及海上的惡劣施工環(huán)境，對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接施工時切割、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，利用鏈輪傳動實(shí)現(xiàn)裝置沿管道的環(huán)向運(yùn)動，具有爬行穩(wěn)定和安裝簡捷的特點(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，鏈條傳動的可調(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機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置沿管道軸向方向的直線運(yùn)動，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、刀具的自動進(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，由一個主動鏈輪，兩個被動鏈輪，四個導(dǎo)向輪，兩組張緊機(jī)構(gòu)以及動力源組成。環(huán)向行走機(jī)構(gòu)通過齒形鏈與同一側(cè)的主動鏈輪、被動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)的被動鏈輪嚙合并鎖緊在管道上。四個導(dǎo)向輪分為兩組，分別卡在兩條齒形鏈上，由主動鏈輪驅(qū)動，沿著齒形鏈提供的環(huán)形軌道運(yùn)動。其中，動力源為直流減速電機(jī)，它與主動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)以及主動鏈輪、被動鏈輪都通過定位板1和定位板2間接連接在一起，組成一個整體結(jié)構(gòu)。定位板1和定位板2則通過兩個導(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，兩個被動鏈輪側(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)螺桿向外擰動時推塊向外移動，從而使張緊軸向外移動實(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。鏈條采用傳動平穩(wěn)、能承受沖擊載荷的齒形鏈鏈條?？紤]傳動空間的限制，小鏈輪齒數(shù)選擇17，傳動比為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發(fā)生側(cè)向竄動，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，將電機(jī)減速器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過齒輪齒條嚙合轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。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。且金剛石切割時振動較小，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，對金剛石鋸片的兩種不同工作方式進(jìn)行了對比試驗(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，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刀具沿管道中心切割，固定塊下端根據(jù)管徑不同采用長度不等的的兩個支腳。鏈條根據(jù)管徑大小采用鎖緊彎板將其固定在管道上。鎖緊彎板成對使用，與鏈條兩端通過螺栓連接，兩個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，沿著嵌在軌道底板上的齒條直線行走，4個導(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)各個運(yùn)動機(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。考慮到現(xiàn)場操作的簡易性，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)場環(huán)境惡劣，采用了防水航空插頭?？刂葡到y(tǒng)包括自動和手動兩種工作模式。自動模式中，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)定順序依次動作。無論是自動還是手動模式，均可以在工作過程中根據(jù)實(shí)際需要隨時調(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

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，裝置的性能最優(yōu)，效率最高。試驗(yàn)表明，該設(shè)備切削時運(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強(qiáng)度，大大縮短了工作時間。

5 結(jié)束語

此次開發(fā)研制的適用于海底管道水平口對接施工的混凝土配重層自動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)提高到一個新的水平。