大口径油气输送管道开孔刀具的设计

2012-02-20赵彦刚李艳军杨绵鹏

装备制造技术 2012年5期

赵彦刚，李艳军，杨绵鹏

(南京航空航天大学民航学院，江苏南京 210016)

在对油气长输管线进行维抢修、改线施工过程中，国内外常用的施工方法是“管线不停输带压开孔封堵工艺”[1～2]。管道开孔刀，是实施开孔的必要设备之一。随着近年来大口径管道建设事业的发展，口径1 000 mm以上的高强度管线里程大幅增长[3～4]。大口径管道的不停输开孔封堵，任务艰巨，设备主要依赖于进口，价格昂贵，采购周期漫长。

国内油气管道维抢修企业，致力于管线开孔封堵设备的国产化。本文将根据金属切削原理及管道开孔特点，设计并试制Φ1016管线开孔刀。

1 开孔刀的总体结构

根据管道不停输带压开孔封堵的工艺要求，需要在管道上开各种规格的圆形孔，分别为旁通孔、封堵孔、平衡孔，其中封堵孔为等内径孔。被切除的料块呈马鞍形曲面。所以设计的管道开孔刀总体结构呈筒状，上端通过连接板与开孔机主轴连接，在下端筒壁上安装多组刀齿并加工容屑槽，如图1所示。

图1 开孔刀总体结构

筒形开孔刀（以下简称筒刀）在开孔机主轴的带动下旋转切削，沿管道径向直线进给。

2 刀具的设计[5～6]

2.1 刀齿材料的选择

刀具的品质和耐用度，与刀具切削部分的材料性能有着密切的联系。所以需要根据被切削材料特性与切削条件，综合权衡刀齿材料的耐磨性、加工性、韧性、赤热硬性及耐磨性等性能，确定刀片材料所需要的最重要性能。被切削材料X70管线钢属于高强度合金钢，切削过程走刀量较小，并且为断续切削，所以刀具材料所需最重要的性能，是坚韧度和良好的赤热硬性，可选软硬度等而韧性较好的含钴高速钢。AISI M48高速钢在赤热性和强韧性方面都比较理想，所以选择M48为刀齿材料。

2.2 刀齿关键角度的选择

刀齿与容屑槽结构如图2所示。

图2 刀齿与容屑槽结构

（1）前角。在选择刀具前角时，首先应保证刀刃锋利，同时也要兼顾刀刃的强度与耐用度。工件材料为X70管线钢，硬度最大为243HB(255HV)，工件材料强度高，硬度高，故应采取较小的倾角，确定刀具前角为11°。

（2）后角。后角的选择主要考虑因素是切削厚度和切削条件，工件的强度硬度较高时，为增加切削刃的强度，应选择较小的后角。粗加工或断续切削时，为强化切削刃，应选择较小的后角。根据不同条件下金属切削刀具后角参考值，取刀具后角为4°。

（3）主偏角。此处对管壁的切削类似于拉刀拉削切槽，故主偏角取90°。

2.3 刀齿数量及具体形状

（1）刀齿数量确定。刀齿数目主要影响单齿切削力和整个机构的振动，根据多齿刀具齿数经验公式（1）确定

其中，

d为刀具直径，

K值可使用模糊数学中的模糊综介评判法确定[7]。

求得Z=42，考虑到刀具断续切削时断续切削点的对称性，此处取刀齿数Z=40，每组4个刀齿，共10组刀齿分布在刀体上。

（2）刀齿形式。为分散刀齿所受载荷，同组的相邻刀齿设计成不同形式的刀刃形状，常见刀刃形式有分块式和分层式。此处选择分层式刀刃形式，如图3所示。

图3 分层式刀刃形式

刀刃宽度及齿高参数见表1。

表1 刀齿参数（单位：mm）

2.4 刀体尺寸的确定

刀体由筒体与连接板焊接组成，筒体采用钢板卷制，材料均选用Q345C。对于筒体尺寸，主要影响因素包括工作所受载荷、被切削管材的直径；连接板尺寸主要考虑与开孔机的连接需要。确定筒体用厚度为13 mm的钢板卷制焊接而成，外径977 mm，内径951 mm，高度600 mm，连接板厚度25 mm。

2.5 刀齿与刀体的焊接

刀齿与刀体之间的焊接，属于异种钢之间的焊接，选用适于异种金属焊接的钎焊方式。钎料选择适于低碳钢、结构钢焊接的银基钎料。加热方式选用感应加热，利用感应电流作为热源，充分利用局部加热的方式，对焊件进行加热。

实际加工过程中，经过多次试验，总结出一套最佳焊接方案：“三体一膏”（即刀齿、40%的银钎料片、刀片及焊膏）同时在温控90 kW全固态感应加热设备上感应加热到685～750℃，当银钎料片熔化时，把刀片延时2～3 s加游动排出空气校对正齐。焊接的刀片硬度经测试为HRC 56～58，X光拍片合格，在单齿冲击试验中，未出现脱落现象。