魏瑄， 王利群， 王巍， 陳元， 吳寅虎， 張世偉

（中國石油天然氣管道第二工程有限公司，江蘇徐州221008）

0 引 言

輸油管道大多要穿越河流、公路、平原、沙漠、山區(qū)、山嶺、沼澤等復(fù)雜地形,穿越處作業(yè)空間狹小，使得在管道鋪設(shè)完成后填充困難，且采用傳統(tǒng)的“空壓機(jī)+橡膠管吹沙”的填充方式已無法滿足施工質(zhì)量，而且效率低。由于管道溝渠未被填充或通風(fēng)不良，有可能存在由于其他原因引起的局部區(qū)域石油氣富集，為以后的管道安全留有安全隱患。依據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，在隧道穿越或者頂管穿越后應(yīng)回填，必須壓實(shí)或夯實(shí)，防止沉降危害管道，因此本文提出了研制快速、高效、高質(zhì)的填充設(shè)備——管道頂管套管填充裝置[1-3]。

1 管道頂管套管填充工藝和原理

1.1 填充工藝

將細(xì)沙置入管道頂管套管填充裝置料斗，由空壓機(jī)提供的壓縮空氣裹攜物料經(jīng)過管道頂管套管填充裝置的輸料管送到噴頭處，在氣壓作用下將細(xì)沙填充到受噴面上。這種填充方式具有輸送距離長、工作風(fēng)壓低、噴頭脈沖小、工藝設(shè)備簡單、填充效果好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 填充工藝

1.2 工作原理

干式噴射機(jī)是把拌和好的管道填充物料供入噴射機(jī)料斗中，由撥料軸撥動(dòng)填充物料進(jìn)入轉(zhuǎn)子的料腔中，填充物料旋轉(zhuǎn)到出料口處時(shí)，一路壓縮空氣通過氣路系統(tǒng)把物料吹至出料口。另一路壓縮空氣進(jìn)入旋流器，將填充物料加速并吹散，使得填充物料帶壓力到達(dá)填埋位置[4-7]。輸送填充物料用管預(yù)先固定在主管上，行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置到達(dá)指定位置后，由噴射系統(tǒng)開始充砂，使得填充位置的填充密實(shí)。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

管道頂管套管填充裝置由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)子總成、氣路系統(tǒng)、填充系統(tǒng)等部分組成。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管道頂管套管填充裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)及減速器構(gòu)成。由電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，按照3倍的安全系數(shù)進(jìn)行選擇，功率 為 2.2 kW。減速器通過三級(jí)齒輪進(jìn)行減速，減速比約為87。減速器位于裝置下部，采用豎直安裝的方式與電動(dòng)機(jī)聯(lián)接，且與轉(zhuǎn)子軸向平行。

2.2 傳動(dòng)轉(zhuǎn)子總成

在填充作業(yè)中，喂料轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速過快，會(huì)增加喂料難度，導(dǎo)致?lián)芰喜痪鶆颍覍?duì)撥料器的力學(xué)強(qiáng)度要求增大；而轉(zhuǎn)速過小，在保持一定生產(chǎn)率的條件下，料腔孔截面積和料腔高度就需要增大，會(huì)浪費(fèi)材料，以保證足夠大的填充量，同時(shí)不會(huì)給扇系形膠板造成太大的磨損，脈沖也小。

表1 管道頂管套管填充裝置的主要技術(shù)參數(shù)

喂料轉(zhuǎn)子的料腔數(shù)決定平面面積利用率，同時(shí)還影響噴料的連續(xù)程度。根據(jù)收集到的設(shè)備資料以及從轉(zhuǎn)子幾何尺寸、材料的力學(xué)強(qiáng)度等方面考慮，確定喂量轉(zhuǎn)子的直徑并在圓周的適當(dāng)位置上均布10個(gè)直通型料腔。

2.3 氣路系統(tǒng)

管道頂管套管填充裝置氣路主要有主氣路、轉(zhuǎn)子氣路、旋流器氣路，分別由3個(gè)氣閥控制。氣路分配裝置是控制氣路走向的關(guān)鍵部件，由氣閥、管路及其附件組成。氣路中設(shè)有一個(gè)壓力表，以便監(jiān)測(cè)輸送填充物料的工作壓力。

2.4 旋流器

旋流器是管道頂管套管填充裝置系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。在旋流器內(nèi)，通過轉(zhuǎn)子進(jìn)入的砂子在此進(jìn)行二次充氣吹散懸浮，使得砂子在管道內(nèi)的流動(dòng)性更好。

2.5 管道頂管套管填充裝置收放管路系統(tǒng)

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，噴沙管在20～100 m之間，質(zhì)量大，體積大，人工收放困難。管道頂管套管填充裝置管路收放系統(tǒng)通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒完成對(duì)管路的收放作業(yè)。管路收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)為鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2.6 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車架、車架箱體等。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮車架強(qiáng)度、填充裝備、收放管裝備及電器的空間和位置。車架箱體是車輛的覆蓋件，是車輛功能和外形美觀的重要組成部分。車架上安裝了手剎制動(dòng)裝置。

2.7 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)控電柜具有防雨水結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有漏電保護(hù)器，面板設(shè)有控制管路收放的正反轉(zhuǎn)按鈕和急停開關(guān)。為實(shí)現(xiàn)填充驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)速度的控制，系統(tǒng)加裝了德力西生產(chǎn)的變頻器。由于電動(dòng)機(jī)功率為5.5 kW，變頻器功率按照功率匹配也應(yīng)該選擇5.5 kW，但為防止過載等原因，選擇7.5 kW變頻器。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

管道頂管套管填充裝置填充系統(tǒng)需要噴砂管路。初步設(shè)計(jì)管路最大長度為100 m。

根據(jù)噴砂要求，選用的管子內(nèi)徑為32 mm，外徑為48 mm，每米管子質(zhì)量約為1 kg。通過和廠家交流，管子的最小彎曲半徑為200 mm。其他設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

3.1 滾筒有效總寬度

管子總質(zhì)量m41=100 m×1 kg/m=100 kg；假設(shè)滾筒外徑d40=400 mm，每層布管圈數(shù)n41=8，則滾筒有效寬度最小為W41=8×48 mm=383 mm；實(shí)際纏繞時(shí)，每圈之間有一定空隙，設(shè)為3 mm，則總空隙W41=8×3 mm=24 mm。所以總的滾筒有效寬度W43=W41+W42=408 mm，圓整為410 mm。

3.2 滾筒擋圈最大直徑

第一層管路中徑d41=d40+48 mm=448 mm，管路外徑D41=d41+48 mm=496 mm;第二層管路中徑d42=d41+96 mm=554 mm，……，d4i=d4i－1+96 mm。層數(shù)及累計(jì)管路長度相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 層數(shù)及累計(jì)管路長度相關(guān)參數(shù) m

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可以確定，當(dāng)層數(shù)為6時(shí)，管路總長度為103.98 m,即可滿足要求100 m的設(shè)計(jì)值，滾筒擋圈最大直徑選擇d46=950 mm即可。

3.3 滾筒轉(zhuǎn)矩

滾筒需要的轉(zhuǎn)矩在內(nèi)圈時(shí)最大轉(zhuǎn)矩按照提升來計(jì)算：滾筒需要的轉(zhuǎn)矩在外圈時(shí)最大轉(zhuǎn)矩按照提升來計(jì)算：

3.4 電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算

為了增大轉(zhuǎn)矩，選擇減速機(jī)的速比為i41=87;電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n42=1450 r/min。則減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為n43=n42/i41=1450÷87=16.67 r/min; 管路最低速度為v41=πd40n43=3.14×0.4×16.67=20.94 m/min;管路最高速度為v46=πd46n43=3.14×0.95×16.67=49.75 m/min; 電動(dòng)機(jī)最大功率為W41=2πM41n43/60=2×3.14×465.8×16.67÷60=0.81 kW。系統(tǒng)選擇比較小的2.2 kW電動(dòng)機(jī)，安全系數(shù)為3。

4 試 驗(yàn)

2019年10月23日，項(xiàng)目組在組裝車間進(jìn)行了一次砂子填充填充試驗(yàn)。通過對(duì)中等河砂進(jìn)行40 m管路試驗(yàn)，頂管套管填充裝置在氣壓為0.4 MPa、吹砂量為3 m3，用時(shí)大約50 min，在40 m管路末端，吹出的流動(dòng)的河砂強(qiáng)勁有力。經(jīng)過測(cè)試，裝置各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都符合設(shè)計(jì)需求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

5 結(jié) 論

該裝置在公司承擔(dān)的多個(gè)穿越項(xiàng)目工程中的應(yīng)用標(biāo)明，與傳統(tǒng)的“空壓機(jī)+橡膠管吹砂”的填充方式相比，作業(yè)機(jī)械化程度高，可極大地降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效避免了填充質(zhì)量不符合設(shè)計(jì)要求而返工的現(xiàn)象，保證了填充的質(zhì)量及效率，得到了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理及業(yè)主的好評(píng)。

表4 噴砂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

同時(shí)，該裝置的成功研制將在管道穿越填充設(shè)備方面形成的關(guān)鍵裝備及配套技術(shù)，為提升管道建設(shè)施工技術(shù)水平和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益都有很好的促進(jìn)作用，具有良好的應(yīng)用前景。