高强度油气管道钻铣切管机系统结构设计

葛汉林，吴明，姜芳，胡志勇

(辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001）

高强度油气管道钻铣切管机系统结构设计

葛汉林，吴明，姜芳，胡志勇

(辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001）

针对X70、X80高强度油气管道的切割与坡口作业，介绍了钻铣切管机的组成及工作原理，设计了切管机的固定盘、活动盘、夹持支腿、钻铣头、仿形坡口装置及液压系统的结构，同时选择了铣刀及装夹方式。

X80钢；油气管道；切管机；铣削；液压驱动

无论输送何种介质的管道，在运行中除了进行有计划的维修和改造外，更避免不了突发性事故的抢修(如带压抢修、更换腐蚀管道、加装装置、分输改造等作业）。在抢修中，对于管道更换，一般是在破损位置的两端进行管道切割，然后对管端做坡口，最后将管道进行焊接［1］。所以管道切管机是管道施工中的重要设备之一。

切管机的类型很多，国内如浙江奥太机械有限公司生产的ISD电动坡口机等，但都是针对城市管线的小管径、铸铁管道，而且采用小型电机或气动马达。国外最具有代表性的是美国WACHS公司生产的TRAV-L－爬管式切割机和SF、HDSF分瓣式切割坡口机，但其主要缺点是在线切管时容易夹刀、切割时间过长、无法切割X80等高强度大壁厚的管道［2］。作者设计的钻铣切管机主要针对长输油气管道，切割管道材质为X70、X80等高强度管线钢，管径范围457～1 219 mm，管道壁厚28 mm以内。

1 钻铣切管机的组成及工作原理

1.1 钻铣切管机的组成

钻铣切管机由液压马达驱动，主要包括固定盘、活动盘、夹持支腿、钻铣头、传动装置、仿形坡口车刀架、液压系统等部件。其机体三维示意图如图1所示。

图1 钻铣切管机机体三维示意图

1.2 钻铣切管机工作原理及优势

(1）工作原理。在机械冷加工中，为了要从工件上切去一部分金属，刀具与工件之间必须完成一定的切削运动。常用的机械冷加工有车削、铣削、刨削、镗削、锯削等。美国WACHS公司的切管机工作原理有锯切、卧式铣削、车削等，如图2(a）、(b）、(c）所示。作者设计的钻铣切管机工作原理采用立铣刀立式铣削，如图2(d）所示。切管机利用一个液压马达驱动立铣刀旋转，形成切削主运动；利用另一个液压马达驱动活动盘旋转，形成周向进给运动，而管道静止不动，这样就实现了铣刀与管道的切削运动。

图2 切管机工作原理示意

(2）作业过程。首先把对开式的机体吊装在管道需要切割的位置，其次通过调整夹持支腿使机体与管道同心并夹紧在管道上，接着是手动进给钻通孔，然后活动盘带着旋转的铣刀沿管道旋转1周，便可完成管道的切割作业，最后把钻铣头换装成仿形坡口刀架，就能加工出精确的焊接坡口和一致的钝边，完全符合油气管道焊接标准［3－4］。

(3）该设计方案的优势:①刀具是螺旋刀齿，与切口是线接触，接触面积小、摩擦力小；②切口宽；③刀刃长，更适合加工厚壁的管道；④能采用更高的切削速度。所以采用该设计方案可解决“在线切管不夹刀、切管时间短、能切割X80高强钢”等关键问题。

2 圆周运动传动方案设计

通过分析工作原理可知，钻铣切管机要完成切管作业，需要有3个方向的运动:铣刀的旋转、铣刀绕管道的周向进给运动和切割前在管道上钻通孔的径向进给运动。

活动盘圆周旋转采用液压马达驱动，动力经蜗杆传动、行星传动、齿轮传动，使活动盘旋转，实现刀具的周向进给运动。传动装置外形如图3所示。可以看出:传动装置安装在固定盘的外缘，与活动盘外缘的齿面啮合。传动方案中采用蜗杆传动，优势在于蜗杆传动平稳、具有自锁性能，可大大提高铣削平稳性，避免刀具崩刃、断刀。

图3 圆周运动传动装置

3 结构设计方案

由于管道焊接坡口的标准化要求，通过对钻铣切管机的结构设计进行分析，提出将切割和坡口功能分开设计的方案。

3.1 固定盘设计

固定盘起支承和连接切管机各个部件的作用。固定盘为两个半环形，这两个半环形通过端部对接形成圆环形结构。其前端面圆周布置多个滚轮，与活动盘的中空圆轨道形成导轨副，支承活动盘的旋转，实现铣刀的周向进给运动，结构如图4所示。

图4 固定盘结构简图

3.2 活动盘设计

活动盘前端面安装钻铣头并带着钻铣头绕管道做旋转运动。活动盘也为两个中空的半环形，这两个半环形通过端部对接形成中空的圆环形结构，里面设有圆轨道面，与固定盘前端面的多个小滚轮形成导轨副，支承于固定座上。

3.3 夹持支腿设计

夹持支腿数量有4个，圆周安装在固定盘的后端面上。夹持支腿由本体部分与压脚组成，其中本体部分包括箱体、丝杆、推力球轴承和筒杆等。压脚与被切管的管道外壁抵接，这样固定盘就通过夹持支腿固定到要切割的管道外壁上，并与管道形成同心圆。夹持支腿完全是可调的，适合于不同管径的需要。

3.4 钻铣头设计

钻铣头用于装夹铣刀并带动铣刀做切削主运动，还可以通过丝杠螺母机构实现钻头的手动径向进给以便在管道上钻出通孔。钻铣头固定在活动盘前端面，并随活动盘绕管道做圆周旋转。钻铣头采用液压马达驱动，液压马达和主轴直连。它由底板、直线导轨副、主轴箱、液压马达、丝杠、主轴等组成，其外形如图5所示。

3.5 坡口装置设计

管道切割完成以后，根据管道焊接要求，还需进行管端坡口的现场作业。同时，随着管道壁厚的增加和管道直径的加大，管道的不圆度也在增加［5］。所以坡口作业应能对管道的椭圆度进行补偿。

3.5.1 坡口装置工作原理

挡块部件安装在固定盘的相应位置，仿形坡口刀架安装在活动盘上。当活动盘带着坡口刀架旋转到挡块位置时，三角挡块与坡口刀架的槽轮相啮合，实现坡口刀的自动间歇进刀，即活动盘每旋转1圈，坡口刀径向进给1次。三角挡块与坡口刀架槽轮啮合如图6所示。

图5 钻铣头外形

图6 三角挡块与坡口刀架槽轮啮合

3.5.2 仿形坡口刀架设计

仿形坡口刀架由底板、固定支承座、活动块、导轨、丝杠、槽轮、弹簧、跟踪轮、刀座等组成。整个刀架安装在机体的活动盘上。在整个坡口过程中，跟踪轮总是能紧贴变形了的或者不是浑圆的管道表面。坡口刀在重型弹簧和跟踪轮的力平衡下，加工出精确的焊接坡口和一致的钝边，其外形如图7所示。当管道变形严重时，跟踪轮往回退的位移就大，丝杠容易顶死而不易拔转。结构设计时在丝杠顶部加装一个推力球轴承，就能轻松地拨转丝杠。

图7 仿形坡口刀架外形

3.5.3 挡块机构设计

挡块部件与仿形坡口刀架配合使用，功能是拨动坡口刀架上的槽轮，其外形如图8所示。挡块部件能灵活地通过拉出或推进挡块销轴，实现三角挡块与坡口刀架槽轮的啮合和脱离，满足三角挡块位置的实时调整。

图8 挡块机构外形

4 液压系统设计

钻铣切管机的工作动力由液压系统提供并控制，其原理如图9所示［6－7］。液压系统主要由液压泵站、集成块、控制阀和液压马达组成。液压泵站给液压系统提供压力油，它主要包括电动机、油泵、液压油箱、过滤器、冷却风扇等。液压控制系统安装在液压泵站上，控制整个机器的动作。它主要由集成块、溢流阀、减压阀、换向阀、调速阀、压力表等组成，其结构如图10所示。

图9 液压系统原理

图10 液压站结构简图

在确定液压系统的主要元件时，首先通过切削用量计算得到切削力的数据，其次计算出液压马达需提供的转速、转矩，并确定马达型号，然后计算出液压系统的压力和流量，选择液压泵和驱动电机。

5 铣刀的选择和装夹方式

由于在线管道在某些工况下内应力巨大、容易导致夹刀，需切割厚壁的X70、X80高强度管材，切管过程属于重铣削，这些因素对立铣刀的可靠装夹提出了很高的要求。立铣刀根据柄部形状的不同，分为直柄和锥柄两种，两者的安装形式不同。直柄立铣刀是通过一个尺寸与之相对应的弹簧夹头装夹在主轴内锥孔中；而锥柄立铣刀的后端有内螺纹孔供安装拉钉，装夹更可靠［8］。

此项目采用锥柄波纹刃铣刀，其装夹方式是:铣刀莫氏锥柄装入筒夹的莫氏孔内，并用螺钉与筒夹拉紧；筒夹装入钻铣头主轴7∶24锥度内锥孔里，再用端面键与夹紧螺帽锁紧，此时铣刀、筒夹、主轴三者可靠连接成一体。

6 结束语

针对大管径、大壁厚、高强度的X80油气管道切割与坡口要求，介绍了钻铣切管机的组成与工作原理。采用的立铣刀立式铣削的方案具有切口宽、摩擦力小、接触面积小、切削速度快等优势。根据该机的工作环境及要求，动力源采用液压驱动的方式。对钻铣切管机的系统结构进行了设计。该机器具有操作简单、切管速度快、坡口精度高等优点。

［1］中国石油管道兰州输气分公司.长输油气管道抢修手册［M］.兰州:兰州大学出版社，2005.

［2］张峰，梁君直.大口径管道管端坡口整形机［J］.石油工程建设，2002，28(3）:49-50.

［3］SY/T 0518-2002.油气管道钢制对焊管件设计规程［S］.

［4］SY/T 4103-2006.钢质管道焊接及验收［S］.

［5］APISPEC 5L-2007.管线钢管规范［S］.44 版.

［6］成大先.机械设计手册单行本:液压传动［M］.北京:化学工业出版社，2011.

［7］王益群，高殿荣.液压工程师技术手册［M］.北京:化学工业出版社，2011.

［8］杨伟群.数控工艺培训教程:数控铣部分［M］.2版.北京:清华大学出版社，2006.

Structure Design of High Strength Oil and Gas Pipelines Drilling and Milling Cutting Machine

GE Hanlin，WU Ming，JIANG Fang，HU Zhiyong
(Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning 113001，China）

According to X70，X80 high strength pipeline cutting and beveling operation requirements，the composition and working principle of drilling andmillingmachinewere introduced，the structures of cuttingmachine fixed disk，movable disk，clamping legs，drilling and milling head，copying groove frame and the hydraulic system were designed.At the same time，milling cutter and the clamping way were chosen.

X80 steel；Oil and gas pipeline；Cuttingmachine；Milling；Hydraulic drive

TH137

B

1001－3881(2014）10－042－3

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.012

2013－03－26

葛汉林 (1977—），男，博士研究生，讲师，从事机电液一体化设备、油气管道维抢修设备研究开发。E－mail:sutghl@163.com。