页岩气专用弯管冷弯机研制与应用

朱 凯

（中国石化华东油气分公司采油气工程服务中心，江苏泰州 225300）

0 引言

目前的页岩气采气场站设施高度智能化、信息化，通过网络管理、周界防御、视频监控、应急广播、门禁管理五大系统实现数据实时传输，正常采气生产已完全实现无人值守功能。经统计每个场站建设施工平均各类电缆用量达20～40 km 左右。根据施工规范要求，各类仪控电缆埋地过路引出、拐角处均需加钢质弯管保护敷设。使用的各类钢质弯管需现场加工，主要由施工人员采用液压工具手动加工，劳动强度较高，加工效率较低。

电缆敷设标准要求规定，电缆保护钢管弯制后，不应有裂缝和明显的凹瘪。弯扁程度不宜大于管子外径的10%，弯曲半径不应小于电缆的最小弯曲半径。根据上述标准要求，调研目前市场各类弯管机性能参数，进行可行性研究。按照页岩气场站建设标准化要求，设计加工专用电动冷弯机，实现标准化生产，满足施工规范要求。实践证明，专用电动冷弯管机可以极大提高施工效率，减轻工人劳动强度。

1 结构组成

按照管材弯曲成型的方法可将弯管分为推弯、滚弯、压弯、绕弯等。其中绕弯较易实现自动化，目前弯管机主要采用绕弯的方法。弯曲模安装在主轴上，夹紧模夹紧防止管件轴向窜动，压力模以适当压力压在主动轮上，防止起皱、扁平、变薄等失效。当主轴旋转时，管子被缠绕在弯曲模上随主轴转动面成形。

弯管机整体由机身、操作台、弯曲模具、调节机构、减速传动装置、电气线路及控制设备系统组成。弯管机装置及控制电路设计，结构简单合理，操作安全方便，便于安装和拆卸。

电动冷弯管装置如图1 所示。机身用于支撑固定传动，为保证刚性要求，采用整体焊接结构，结构紧凑。电机及传动机构置于机身内部，减少占用空间。操作台面为工作区域，布置有可更换弯曲模具及限位机构。为保证弯管不发生扭曲变形，在工作台面两端设置水平送料辊。弯曲模具设计成可更换结构，以满足不同规格管子的加工要求。调节机构为丝杆传动，用于压紧管子，以防止弯管发生椭圆变形等现象。操作平台下侧面设置开关按钮，方便使用，防止误操作。传动系统设计成皮带+齿轮两级传动形式。其中皮带传动可起操作过载保护的作用。齿轮传动副可调换不同齿轮组合，以满足调节转速的需求。控制系统通过电气按钮实现开关、急停及点动等功能。

图1 弯管冷弯加工机样机

该装置具有使用高效安全方便的特点，可以实现一键操作弯曲加工，通过行程开关自动回位。弯曲加工精度高，弯曲角度0°～180°任意设定，精度为±1°，适用于不同规格、批量的弯管加工。只需更换不同规格的固定轮，便可满足不同规格管子加工。采用成套弯曲模具进行弯曲加工，弯曲臂和弯曲轴连成一体，弯模轴可更换，结构合理、机械强度高、电气线路简化。可以使用同一套模具弯制不同形状的管形，最大限度地减少了专用工艺设备，节约生产成本。

2 工作原理及参数

弯管模具固定在冷弯机输出轴上并跟随输出轴一起转动，管子通过调节夹紧模固定在弯管模的半圆槽内，由电机提供动力，将管子顺着弯曲模向前推进，从而得到所需的弯管半径。冷弯机弯管加工原理见图2，主要技术参数见表1。

表1 冷弯机主要技术参数

图2 弯管加工原理

3 设计及计算

3.1 结构设计

装置整体设计内容包括工件工艺分析、计算弯曲力矩、电机选取、传动比计算、传动装置运转参数、皮带轮选择、蜗轮蜗杆减速计算、机身结构、辅助设施、电路设计等，其中的重点是确定弯曲力矩、动力电机选取及传动比的选择。

3.2 传动系统设计

采用皮带+齿轮两级传动形式。其中皮带传动可起操作过载保护作用。齿轮传动副可调换不同齿轮组合，按大管低速、小管高速的原则实现不同转速要求。机械传动原理如图3 所示。

图3 机械传动原理

3.3 管材弯曲力矩计算

根据计算的力矩，确定弯管机驱动力矩、电机功率、传动装置及夹紧装置的结构尺寸，计算公式如下：

式中 K0——材料相对强度系数

σs——材料屈服强度，MPa

D——管材外径，mm

t——管子壁厚，mm

d——管子内径，mm

ρ——管子弯曲半径，mm

按最大弯管机加工最大直径Φ60×4 mm 确定最大弯曲力矩。管子材料为20 号钢，D=60 mm，d=52 mm，ρ=200 mm，K0=11.6，σs=240 MPa。代入式（1），计算可得弯曲力矩M=4990168.99 N·m。

3.4 电机选型

预选电机型号为Y112M-4P，额定功率4 kW，额定转速1440 r/min。弯管机的传动效率η 取0.85。

输出传动力矩M出=M入×i×η=22548.61×335.29×0.85 =6426274.93 N·m ＞M。

因此，电机选取型号满足设计要求。

4 现场应用

（1）弯曲过程由直线送进，空间转角、弯曲，压模夹紧、松开，弯模复位组成。弯管加工步骤为：①按图纸要求留出直线段长度，夹紧管子；②启动弯管机，进行弯管操作；③松开模具，取出管子，检验管子尺寸并校正。为避免管子弯曲部分壁厚减薄，减少回弹，管子与模具接触部分均采用滚动轮，以减少摩擦阻力，增加助推动力，弯曲时压模适当压紧管子，助推力推向前，形成助弯的侧推力。

（2）弯管机有多种弯管速度。一般情况下，弯制小直径钢管宜采用高速弯曲，对于直径大、弯曲半径小、壁薄的管子应采用较低的速度。采用整体弯模防止管子扁平变形。压模的压力应严格控制调节，如果压力不足，则弯曲半径内侧容易起皱纹；如果压力过大，则会使管子弯曲部分变细，引起弯曲部分椭圆度增大。当管子被拉着向前时，管子中心线外部的材料在切点处支撑，产生拉伸、硬化，保证形状不瘪。切点位置会影响管子的椭圆度，影响管子的回弹。

（3）在一般情况下，弯曲半径R 取4D（D 为管子外径），其中压紧模的形状很重要，管子滑动通过的槽应略大于管子外径，其数值可为壁厚的10 %。表面应光滑，防止管子划伤。

弯曲模具、成品弯管实物如图4、图5 所示。

图4 弯管模具

图5 成品弯管

5 工艺措施

（1）完善加工工艺，编制相应操作规程。通过购置小型制动机及相关零部件，自行设计、加工电动弯管机，并增加相应角度限位器，以控制加工所需要弯管角度，提升弯管加工效率。

（2）弯曲旋转装置绕旋转中心轴转动，主要控制参数包括角位移、转速和转动力矩。主要控制参数通过电机及传动机构实现。钳口将管子压紧在弯曲模内，随弯曲旋转台一起转动，实现管子弯曲成型。

（3）弯曲模具设计加工质量直接影响弯管质量。整套弯曲模由弯曲模、夹紧模、导向模组成。机器带动弯模转动时，管子在摩擦力作用下随着弯模一起转动，缠绕在弯模上弯曲成型。

（4）弯曲成型时，金属材料受力产生变形。当外力撤消后，由于受弹性变形影响会产生回弹现象。管子材料、直径、弯曲半径不同，加工用的工装、弯曲速度、夹紧力等工艺参数不同都会影响管子的回弹。通过反复摸索，总结经验，调整行程限位开关触点位置，有效控制回弹量。根据弯管机转盘的转角和管子弯曲角度存在线性关系的特点，确定回弹余量，调整限位块位置，以获得满意效果，实现弯管加工机械化、标准化。

（5）弯曲半径、管子直径、管子厚度、加工方法等均是影响变形的因素。弯曲过程中，弯曲外侧面拉伸壁厚变薄，内侧面挤压变厚。上、下面不受力，管子截面呈椭圆形。经过对弯管加工受力分析，通过调整压紧模夹紧力大小控制截面变形，满足弯曲均匀、无折皱，弯管截面最大与最小外径差控制5%～10% 的质量要求。在对焊接有缝管弯曲时，焊缝应避开受拉和受压区，可以有效减少管子强度影响。

6 结束语

通过购置小型制动机及相关部构件，自行设计制作专用电动弯管机，并增加相应角度限位器，以控制加工所需要弯管角度，提升弯管加工效率。经实际检验，弯管加工全部满足质量标准，达到设计要求。与手动液压弯管方式相比，专用电动弯管机加工效率高、弯管质量稳定、故障率低、维修成本低，具有简单实用、加工、使用成本较低等优势。可通过更换转盘上的固定轮，实现多种规格弯管的加工。能保证产品尺寸要求，提高弯管外观质量，满足野外现场施工要求，具有一定推广应用价值。