姜立群，汪春標，吳 彬，張 耀，龐京向，谷玉亮

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

海洋石油勘探向深海發(fā)展,用于海洋油氣開采的導管架和組塊規(guī)模趨向大型化,相應的導管、拉筋及立柱管徑、壁厚也隨之增大,加工過程中管端相貫線口型多種多樣,切割難度和精度也越來越高[1]。焊接管相貫口的切割質(zhì)量直接制約著相貫節(jié)點的質(zhì)量和精度[2]。傳統(tǒng)的施工做法是通過設(shè)計工程師利用CAD繪圖軟件編制一個馬鞍口切割模擬的程序?；趲缀螌W的相貫線切割運動，分解為管子繞其軸線的旋轉(zhuǎn)以及割炬的平移運動，其中割炬始終位于管子軸線的平面內(nèi)。同時由于管子厚度的因素，其內(nèi)外表面所形成的兩條相貫線構(gòu)成空間曲面[3]。

相貫線的各類方程式非常適合編程，通過研究人員利用計算機程序代碼編程，繪圖員即在該程序指引下經(jīng)過一系列規(guī)范操作，生成CAD版的管子單件圖，并下發(fā)制管車間一份模擬管子端部馬鞍口形狀的1∶1的樣板圖。收到圖紙后，車間可通過將CAD的樣板圖進行圖紙打印，形成實物的馬鞍口放樣樣板紙。施工工人在鋼管端部貼合上放樣樣板紙，并進行參照劃線。經(jīng)過車間工人多年不斷的實踐和改良，當前帶滾輪的氣割槍工裝可實現(xiàn)鋼管馬鞍口半自動切割，切割質(zhì)量和效率均有所提高，如圖1所示。

隨著社會科技發(fā)展和進步，為了改變傳統(tǒng)鋼管馬鞍口人工半自動切割的現(xiàn)狀，幾年前，海洋石油工程(青島)有限公司引進了兩臺較先進的大直徑鋼管馬鞍口切割機。該切割機常用于海洋工程中大直徑、長管的管端切割工作，采用被切割管不動,懸臂帶動切割槍轉(zhuǎn)動的方式,能夠完成海油氣平臺建造中常見的各種復雜節(jié)點形式的管端馬鞍口的切割工作[4]。

圖1 帶滾輪的氣割槍切口施工現(xiàn)場圖

馬鞍口切割機的適用范圍是直徑406～2000mm之間，長度在9-70m之間的大直徑接長的鋼板卷制成形的海洋工程鋼管。如圖2所示，兩臺馬鞍口切割機的工作原理是中間固定臺車，兩邊有兩個活動臺車可頂升大直徑接長鋼管，并同步完成鋼管的升降和水平調(diào)整，保證鋼管的同心度。兩臺管端相貫線切割設(shè)備分別置于待切鋼管的兩端，可在鋼軌上長距離的移動，進行切割作業(yè)，滿足切割不同長度管子的要求。兩臺移動接料車在切割完成后，用于接住切割的廢料。

圖2 馬鞍口切割機工作原理示意圖

經(jīng)過調(diào)心校正后，切割機進行切割作業(yè)，此時，必須有一個施工人員登上接料斗的作業(yè)平臺進行監(jiān)火，復核馬鞍口口形切割狀態(tài)。當鋼管端部的馬鞍口頂面即將完成圓周方向的切割斷口前，施工人員需要使用操控手柄將移動接料車提升到接料最大高度，接料車就位后，實施機器斷口。

斷口后，鋼管切割的端口廢管段會自由滑落到接料車上的接料斗內(nèi)，這時由于沖擊作用，接料斗會產(chǎn)生較大震蕩，由于操作平臺內(nèi)側(cè)并沒有設(shè)置安全護鏈，站立在操作平臺上的施工人員存在隨著廢管段墜落的安全隱患。

如圖3所示，原有接料車上的接料斗存在以下缺點：

原系統(tǒng)舊料斗為6mm花紋鋼單層底，重量輕，料頭墜落震蕩較大。原舊料斗提升高度有限，存在300mm高差，料頭墜落勢能大。原料斗工作平臺窄小，內(nèi)側(cè)無法加護欄，施工人員看火作業(yè)存在安全隱患。原料斗沒有維修平臺，機器故障時，不方便維護。

圖3 原有接料車及接料斗的維修現(xiàn)場圖

1 概念設(shè)計

結(jié)合馬鞍口切割機系統(tǒng)的操作流程，接料臺車的尺寸和荷載情況，現(xiàn)有車間利庫材料情況，以及車間對于新料斗使用時需要配備的一些功能，對于新料斗的概念設(shè)計提出了以下幾點技術(shù)要求，新料斗的TEKLA三維模型見圖4。

第一、接料斗制作材料，優(yōu)先使用車間利庫材料，全部采用Q235B的碳素鋼材。

第二、料斗底板下的升降框架(槽鋼)尺寸2195×1000mm，與料斗之間的定位是中心對中心。

第三、切割最大管徑為2000mm，管子最下端與原料斗底板之間距離是300mm，新料斗采取曲面雙層底，并向上提升了250mm，僅剩50mm的落差，降低料頭的下落時的勢能。

圖4 新料斗三維模型示意圖

第四、接料臺車的設(shè)計荷載是4噸，其中2000mm管徑料頭最重為2噸，新料斗的設(shè)計承載力為2噸，但新料斗設(shè)計自重應控制在1.6噸，即90%臺車承載力的范圍內(nèi)為宜。

第五、接料斗主要承重構(gòu)件使用10mm鋼板，內(nèi)外間隔設(shè)置強肋骨，自帶四個吊點，次要承重構(gòu)件使用6mm鋼板，附屬結(jié)構(gòu)由鋼管、型鋼、鐵鏈等組成。

第六、為了保證新料斗的使用性能，加寬作業(yè)平臺和增設(shè)維修平臺，設(shè)置欄桿和護欄，其中操作平臺內(nèi)側(cè)設(shè)置踏板和可拆卸護欄。各平臺均僅限上一人，且不得同時上人。

第七、新料斗需要進行防腐處理，油漆噴涂要求為接料斗主要結(jié)構(gòu)為藍色，料斗平臺以上附屬結(jié)構(gòu)為白色，并懸掛安全警示標識。

2 有限元分析

2.1 簡化模型

應用有限元分析軟件ANSYS對該新料斗進行計算分析，在模型中僅考慮了主次結(jié)構(gòu)，對于附屬結(jié)構(gòu)的梯子、欄桿、踢腳板等三級結(jié)構(gòu)不做考慮，主次結(jié)構(gòu)的強度校核采用WSD方法，參考API RP 2A規(guī)范[5]的公式進行校核。

圖5 新料斗的力學簡化模型

2.2 邊界條件

在料斗底部位置約束兩條長邊的X、Y、Z三個方向的平動位移。如圖2.1所示。

圖6 計算邊界條件

2.3 工況設(shè)置

該計算考慮兩種外加荷載共四種危險工況。在各種工況中均考慮結(jié)構(gòu)自重，在軟件中以施加Standard Earth Gravity來體現(xiàn)。

工況LC1： 操作平臺站1人

考慮部分施工機具，總重按100kg估算，取1.5倍動載系數(shù)，為150kg，即施加1500N的荷載。受力面按照操作人員的雙腳面積約為300cm2估算，位置在為大開口一側(cè)的邊緣處，如圖7所示。

工況LC2：維修平臺站1人

考慮部分施工機具，總重按100kg估算，取1.5倍動載系數(shù)，為150kg，即施加1500N的荷載。受力面按照操作人員的雙腳面積約為300cm2估算，位置選在大開口一側(cè)的邊緣處，如圖8所示。

工況LC3：操作平臺踏板站1人

考慮部分施工機具，總重按100kg估算，取1.5倍動載系數(shù)，為150kg，即施加1500N的荷載。受力面按照操作人員的雙腳面積約為300cm2估算，位置選在兩個支撐筋板中間的活動踏板無支撐處，如圖9所示。

工況LC4：廢料頭墜落至雙層底內(nèi)底面

最大管徑為2m，其切割料頭重量取為2t掉落高度為50mm，故可以忽略料頭掉到料斗上的速度，可視為將料頭突然放到料斗上，故其沖擊荷載的動荷系數(shù)Kd=2，則沖擊荷載為4噸，即40000N。受力面選為雙層底上地面的非橫肋板直接支撐處，如圖10所示。

圖7 工況LC1 操作平臺站1人

圖8 工況LC2 維修平臺站1人

圖9 工況LC3 操作平臺踏板站1人

圖10 工況LC4廢料頭墜落至雙層底內(nèi)底面

3 校核結(jié)果

3.1 屈服強度校核

屈服強度校核基于米塞斯應力，對于板單元，米塞斯應力按下式計算：

式中： σjd——設(shè)計桿件在X方向上的應力；

σyd——設(shè)計桿件在Y方向上的應力；

τd——設(shè)計桿件在X-Y平面內(nèi)的剪切應力。

料斗結(jié)構(gòu)米塞斯應力應不超過結(jié)構(gòu)的許用應力： 。 為結(jié)構(gòu)的許用應力，按下式計算：σjd≤σallow。

σallow=0.6fy=0.6×235=141MPa

3.2 剛度校核

最大綜合位移應不超過規(guī)范規(guī)定的板的撓度允許值：Vmax≤VT。

其中VT為規(guī)范規(guī)定的撓度允許值。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》GB 50017-2017[6]板的撓度允許值為：VT=L/150。(其中L為板的跨距。)

3.3 計算結(jié)果

各工況的計算結(jié)果如表2所示，詳細應力云圖和變形云圖，如圖11～圖18。

表2 計算應力及變形匯總

圖11 工況LC1應力云圖

圖12 工況LC1變形云圖

圖13 工況LC2應力云圖

圖14 工況LC2變形云圖

圖15 工況LC3應力云圖

圖16 工況LC3變形云圖

圖17 工況LC4應力云圖

圖18 工況LC4變形云圖

3.4 計算結(jié)論

本文所設(shè)計的新料斗的結(jié)構(gòu)滿足強度和剛度要求。

4 應用情況

新料斗預制噴涂完成后，制管車間將舊料斗在接料車升降機架上進行了切除，并吊裝新制作的料斗與升降機架進行間斷焊固定。在使用過程中，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，為了防止切割后的料頭發(fā)生滑動，在新料斗內(nèi)底板的上表面點焊部分螺紋鋼管，增加了摩擦力。馬鞍口數(shù)控切割機，在進行切割作業(yè)中，由于新料斗重量增加，且雙層底的高度提升較大，料頭墜落勢能降低，并且有了可拆卸欄桿的護鏈，當廢料頭發(fā)生墜落時，新料斗產(chǎn)生的震蕩較舊料斗有明顯減小，保證操作平臺上的施工人員更加安全，新料斗完工應用實物，如圖19所示。

圖19 新料斗完工應用實物圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合馬鞍口切割機原有系統(tǒng)的操作流程，接料臺車的尺寸和荷載情況，現(xiàn)有車間利庫材料情況，以及新料斗使用性能分析，對一種新式大直徑鋼管馬鞍口切割機接料斗進行了設(shè)計及應用研究。文中對新料斗主要結(jié)構(gòu)進行了TEKLA模型和

ANSYS模型建立，并通過設(shè)定兩種外加荷載共四種危險工況，進行了強度和剛度的計算分析，形成計算結(jié)論用于指導新料斗的預制。在新料斗使用過程中，車間工人又進行了部分優(yōu)化改進，使其更加貼合生產(chǎn)實際，滿足鋼管數(shù)控切割的使用要求。本文對于海洋工程領(lǐng)域車間自制工機具的設(shè)計及應用起到參考價值，既體現(xiàn)了車間自制工機具設(shè)計的創(chuàng)新性，也充分落實了技術(shù)服務(wù)生產(chǎn)的實用性。