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        雙級鉆頭不停輸帶壓開孔的研究及應(yīng)用

        2020-09-02 07:19:22上海煤氣第二管線工程有限公司陳繼偉
        上海煤氣 2020年4期
        關(guān)鍵詞:有限元效率作業(yè)

        上海煤氣第二管線工程有限公司 陳繼偉

        不停輸帶壓開孔工藝技術(shù),是在氣體母管不停止輸送介質(zhì)、不降低壓力、不進(jìn)行氣體放空和吹掃、保證管線正常運(yùn)行的情況下,對管線進(jìn)行旁接支路作業(yè)[1]。目前主要有封閉式開孔、旁路孔零件開孔和連接器開孔,原理上都是先在原管道上安裝零件、閥門和開孔機(jī)等,通過創(chuàng)造封閉環(huán)境,在密閉空間內(nèi)進(jìn)行開孔作業(yè)來實(shí)現(xiàn)不停輸。

        隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保障施工的可靠性和安全性、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)品的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)所必須面臨的重大問題與發(fā)展趨勢。因此,施工項(xiàng)目對鉆頭要求的日益提高,不僅限于在施工現(xiàn)場使用的單級鉆頭,為更好地滿足施工要求,PDC鉆頭[2]、金剛石鉆頭[3]等新型材料鉆頭也相繼出現(xiàn)。本文提出了一種新的設(shè)計(jì)——雙級鉆頭。

        1 單級鉆頭在特施分公司的應(yīng)用現(xiàn)狀

        2013-2018年,對特施分公司負(fù)責(zé)項(xiàng)目中鉆頭的使用情況進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果顯示在相同開孔管徑、開孔壓力及管壁厚度情況下,開孔時(shí)長與刀刃損壞面積成正比,見表 1。根據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì),找到了 11條末端因素,其中由各末端原因造成帶壓開孔效率低、所占比例大的為主要因素(要因),所占比例小的為非主要因素(非要因),如表2所示。

        表1 各項(xiàng)目中單級鉆頭使用情況調(diào)查

        表2 因素分析

        針對以上分析出的要因,綜合實(shí)際情況進(jìn)行分析研究討論后,針對每條主要原因制定了以下對策、目標(biāo)及措施,見表3。

        表3 對策、目標(biāo)及措施

        針對單級鉆頭崩刃、效率低等問題,盡管制定了優(yōu)化措施,但是不能從根本上解決問題,普遍存在定位精度差、導(dǎo)向性差、易崩刀、費(fèi)力且效率低、壽命短、成本高等缺點(diǎn)?;诖耍瑒?chuàng)新設(shè)計(jì)了一款雙級鉆頭,規(guī)避以上缺點(diǎn),從而提高施工作業(yè)質(zhì)量和效率。

        2 雙級鉆頭設(shè)計(jì)及參數(shù)特征模型建立

        雙級鉆頭實(shí)物如圖1所示,其設(shè)計(jì)由兩個(gè)鉆頭組合而成,材料為硬質(zhì)合金鋼。前頭部分的一級鉆頭起到導(dǎo)向定位轉(zhuǎn)孔作用,后面部分的二級鉆頭起到切削擴(kuò)孔作用,其刃面加寬保護(hù)了刀刃。與傳統(tǒng)鉆頭相比較,該設(shè)計(jì)具有以下功能:定位導(dǎo)向精度高、突破限制少崩刀、省時(shí)省力效率高、壽命延長效益好,真正意義上滿足項(xiàng)目施工需求,達(dá)到節(jié)省成本、提高功效、增加企業(yè)收益的目的。

        圖1 雙級鉆頭實(shí)物

        本文應(yīng)用Solidworks軟件,對雙級鉆頭模型進(jìn)行三維參數(shù)化特征建模,模型中體現(xiàn)了雙級鉆頭的前端小鉆頭、后端大鉆頭和鉆桿等重要特征,對部分倒角、倒圓角進(jìn)行部分簡化處理。模型建好后通過Solidworks和ANSYSY Workbench的接口功能,為在 ANSYSY Workbench進(jìn)行有限元分析提供了基礎(chǔ)。

        3 雙級鉆頭有限元模型的建立及結(jié)果分析

        有限元的基本概念是將一個(gè)原來是連續(xù)的物體劃分成有限個(gè)單元。這些所劃分的單元通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接,承受與實(shí)際載荷等效的節(jié)點(diǎn)載荷,并根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行分析,根據(jù)變心協(xié)調(diào)的條件把這些單元重新組合,變成能夠整體進(jìn)行綜合求解的模塊,從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。ANSYS軟件是一種融結(jié)構(gòu)、熱流體電磁和聲學(xué)的大型通用有限元軟件,廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、航空航天、核工業(yè)、土木工程、石油、汽車、造船、液體分析等領(lǐng)域。該軟件可在大部分計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行。

        為驗(yàn)證雙級鉆頭作業(yè)時(shí)強(qiáng)度,本文應(yīng)用了ANSYS Workbench軟件,從軟件接口直接讀取Solidworks模型文件。雙級鉆頭的材料為硬質(zhì)合金鋼,彈性模量為2.11×105MPa,泊松比為0.277。本文采用自動(dòng)劃分法對雙級鉆頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小為10 mm,網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生148 945個(gè)單元、260 527個(gè)節(jié)點(diǎn)。

        雙級鉆頭三維網(wǎng)格見圖 2,雙級鉆頭刃面受力點(diǎn)見圖3。

        圖2 雙級鉆頭三維網(wǎng)格

        圖3 雙級鉆頭刃面受力點(diǎn)

        為模擬雙級鉆頭在機(jī)器運(yùn)行中的受載荷及約束情況,在對模型施加約束和載荷后,求解得到應(yīng)力、應(yīng)變、變形量。

        結(jié)果表明,雙級鉆頭的應(yīng)力最大值為0.27 kN,應(yīng)變最大值為1.45e-3,最大變形量為1.91 mm。根據(jù)手冊,查找得到該硬質(zhì)合金的最大許用應(yīng)力為0.57 kN,最大許用應(yīng)變?yōu)?.87e-3,最大許用變形量為20 mm。模擬結(jié)果均處于許用范圍。所以通過理論分析,雙級鉆頭設(shè)計(jì)合理,結(jié)構(gòu)性能滿足要求。

        4 雙級鉆頭試驗(yàn)研究

        為驗(yàn)證雙級鉆頭的適用性,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了打孔試驗(yàn),如圖4所示。通過場內(nèi)手動(dòng)開孔機(jī),進(jìn)行了多次開孔試驗(yàn),結(jié)果表明,在相同管材、相同作業(yè)人員的情況下,采用雙級鉆頭后,其崩刃面積由原來的29%減少至23%,開孔時(shí)間由1.82 h縮短為1.50 h,開孔效率提高17.58%。雙級鉆頭能夠用于不停輸帶壓開孔作業(yè),且與單級鉆頭作業(yè)相比,切削效率、切削質(zhì)量和鉆頭理論壽命等均有提高。

        圖4 雙級鉆頭開孔作業(yè)試驗(yàn)

        在虹梅南路不停輸帶壓開孔作業(yè)中使用了雙級鉆頭,制定并推廣了新的操作工藝和標(biāo)準(zhǔn),并對使用情況作了調(diào)查,見表 4。從該表可以看出,工藝改進(jìn)后,人工開孔時(shí)長大大減少,同時(shí)工人反饋比以往開孔省力很多,開孔效率提高15%,完全達(dá)到了預(yù)期,滿足了設(shè)定目標(biāo)值。整個(gè)不停輸帶壓開孔工藝的穩(wěn)定性得到了極大的提升,開孔效果也得到了保證,避免了許多不必要的損失,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

        表4 效果檢驗(yàn)

        5 結(jié)語

        在不停輸帶壓開孔過程中使用雙級鉆頭,提高了帶壓開孔效率、降低了工程成本,產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)也為企業(yè)樹立了良好的形象,帶來了良好的社會效益。規(guī)范的帶壓開孔作業(yè),有利地推動(dòng)了城市輸配管網(wǎng)接線、改造、維護(hù)、搶修、搶險(xiǎn)等施工,杜絕了動(dòng)火聯(lián)頭過程中天然氣的大量放燒,減少了環(huán)境污染,保證了輸配氣管網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行,同時(shí)也提高了輸氣干線平穩(wěn)供氣的能力,不會給居民和企業(yè)用戶帶來不便,也促進(jìn)了城市天然氣管網(wǎng)的升級和完善。

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