双级钻头不停输带压开孔的研究及应用

上海煤气第二管线工程有限公司 陈继伟

不停输带压开孔工艺技术，是在气体母管不停止输送介质、不降低压力、不进行气体放空和吹扫、保证管线正常运行的情况下，对管线进行旁接支路作业[1]。目前主要有封闭式开孔、旁路孔零件开孔和连接器开孔，原理上都是先在原管道上安装零件、阀门和开孔机等，通过创造封闭环境，在密闭空间内进行开孔作业来实现不停输。

随着科学技术的日新月异，减轻劳动强度、保障施工的可靠性和安全性、降低生产成本、减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业所必须面临的重大问题与发展趋势。因此，施工项目对钻头要求的日益提高，不仅限于在施工现场使用的单级钻头，为更好地满足施工要求，PDC钻头[2]、金刚石钻头[3]等新型材料钻头也相继出现。本文提出了一种新的设计——双级钻头。

1 单级钻头在特施分公司的应用现状

2013－2018年，对特施分公司负责项目中钻头的使用情况进行了调查，结果显示在相同开孔管径、开孔压力及管壁厚度情况下，开孔时长与刀刃损坏面积成正比，见表 1。根据相关调查统计，找到了 11条末端因素，其中由各末端原因造成带压开孔效率低、所占比例大的为主要因素(要因)，所占比例小的为非主要因素(非要因)，如表2所示。

表1 各项目中单级钻头使用情况调查

表2 因素分析

针对以上分析出的要因，综合实际情况进行分析研究讨论后，针对每条主要原因制定了以下对策、目标及措施，见表3。

表3 对策、目标及措施

针对单级钻头崩刃、效率低等问题，尽管制定了优化措施，但是不能从根本上解决问题，普遍存在定位精度差、导向性差、易崩刀、费力且效率低、寿命短、成本高等缺点。基于此，创新设计了一款双级钻头，规避以上缺点，从而提高施工作业质量和效率。

2 双级钻头设计及参数特征模型建立

双级钻头实物如图1所示，其设计由两个钻头组合而成，材料为硬质合金钢。前头部分的一级钻头起到导向定位转孔作用，后面部分的二级钻头起到切削扩孔作用，其刃面加宽保护了刀刃。与传统钻头相比较，该设计具有以下功能：定位导向精度高、突破限制少崩刀、省时省力效率高、寿命延长效益好，真正意义上满足项目施工需求，达到节省成本、提高功效、增加企业收益的目的。

图1 双级钻头实物

本文应用Solidworks软件，对双级钻头模型进行三维参数化特征建模，模型中体现了双级钻头的前端小钻头、后端大钻头和钻杆等重要特征，对部分倒角、倒圆角进行部分简化处理。模型建好后通过Solidworks和ANSYSY Workbench的接口功能，为在 ANSYSY Workbench进行有限元分析提供了基础。

3 双级钻头有限元模型的建立及结果分析

有限元的基本概念是将一个原来是连续的物体划分成有限个单元。这些所划分的单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，根据变心协调的条件把这些单元重新组合，变成能够整体进行综合求解的模块，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。ANSYS软件是一种融结构、热流体电磁和声学的大型通用有限元软件，广泛应用于水利、铁路、航空航天、核工业、土木工程、石油、汽车、造船、液体分析等领域。该软件可在大部分计算机及操作系统中运行。

为验证双级钻头作业时强度，本文应用了ANSYS Workbench软件，从软件接口直接读取Solidworks模型文件。双级钻头的材料为硬质合金钢，弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为0.277。本文采用自动划分法对双级钻头进行网格划分，网格大小为10 mm，网格划分共产生148 945个单元、260 527个节点。

双级钻头三维网格见图 2，双级钻头刃面受力点见图3。

图2 双级钻头三维网格

图3 双级钻头刃面受力点

为模拟双级钻头在机器运行中的受载荷及约束情况，在对模型施加约束和载荷后，求解得到应力、应变、变形量。

结果表明，双级钻头的应力最大值为0.27 kN，应变最大值为1.45e-3，最大变形量为1.91 mm。根据手册，查找得到该硬质合金的最大许用应力为0.57 kN，最大许用应变为1.87e-3，最大许用变形量为20 mm。模拟结果均处于许用范围。所以通过理论分析，双级钻头设计合理，结构性能满足要求。

4 双级钻头试验研究

为验证双级钻头的适用性，在实验室进行了打孔试验，如图4所示。通过场内手动开孔机，进行了多次开孔试验，结果表明，在相同管材、相同作业人员的情况下，采用双级钻头后，其崩刃面积由原来的29%减少至23%，开孔时间由1.82 h缩短为1.50 h，开孔效率提高17.58%。双级钻头能够用于不停输带压开孔作业，且与单级钻头作业相比，切削效率、切削质量和钻头理论寿命等均有提高。

图4 双级钻头开孔作业试验

在虹梅南路不停输带压开孔作业中使用了双级钻头，制定并推广了新的操作工艺和标准，并对使用情况作了调查，见表 4。从该表可以看出，工艺改进后，人工开孔时长大大减少，同时工人反馈比以往开孔省力很多，开孔效率提高15%，完全达到了预期，满足了设定目标值。整个不停输带压开孔工艺的稳定性得到了极大的提升，开孔效果也得到了保证，避免了许多不必要的损失，取得了良好的经济效益和社会效益。

表4 效果检验

5 结语

在不停输带压开孔过程中使用双级钻头，提高了带压开孔效率、降低了工程成本，产生了可观的经济效益。同时也为企业树立了良好的形象，带来了良好的社会效益。规范的带压开孔作业，有利地推动了城市输配管网接线、改造、维护、抢修、抢险等施工，杜绝了动火联头过程中天然气的大量放烧，减少了环境污染，保证了输配气管网的安全平稳运行，同时也提高了输气干线平稳供气的能力，不会给居民和企业用户带来不便，也促进了城市天然气管网的升级和完善。