全自动式三头火焰切割机的研制与应用

马洪新李 果郑松贤董彩凤钱武杰练旭华魏国涛王 军

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.杭州欧佩亚海洋工程有限公司)

全自动式三头火焰切割机的研制与应用

马洪新1李 果1郑松贤1董彩凤2钱武杰2练旭华2魏国涛1王 军1

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.杭州欧佩亚海洋工程有限公司)

目前海洋工程中应用较多的管道切割设备为管道式单头火焰切割机,其切割头需要绕管道旋转一周才能完成整管的切割,切割作业效率较低。研制了一种全自动式三头火焰切割机,文中介绍了该切割机的工作原理、机械结构、控制系统以及适用范围与技术特点。这种新型切割机只需行进120°就能实现对整管的切割,大大提高了海洋工程中管道切割作业的效率。

全自动式三头火焰切割机;工作原理;机械结构;控制系统;适应范围;技术特点

目前海洋工程中管道切割作业应用较多的管道式火焰切割机多是单割炬,即一个火焰切割头,简称单头火焰切割机。这种切割机在切割作业中,切割头需要绕管道旋转一周才能完成整管的切割,切割效率很低。此外,少数切割机为双割炬,这类切割机割炬的切割角度可调,多用于对管道切割坡口形状有特殊要求的切割作业,切割头同样要绕管道旋转一周才能完成整管的切割,切割作业效率与效果也不理想。为了提高管道式火焰切割机的切割效率,笔者研发了一种全自动式三头火焰切割机,可以大大提高管道切割作业的效率。

1 全自动式三头火焰切割机的研制

1.1 工作原理

全自动式三头火焰切割机的工作原理与现有管道式火焰切割机的原理基本相同,电机驱动链轮带动整个机构在设定的轨道上行进,切割头通过转动一定的角度实现对管道的切割。由于该装置具有三只火焰切割炬,只需行进120°就可实现对整管的切割,因此其切割作业效率相对单头火焰切割机要高很多。

现在市场上的管道式火焰切割机的行进方式主要有手摇式、磁力吸附式、全自动链条式、定位块式、全自动轨道链条复合式等,前4种行进方式的切割机或是对管径误差与椭圆误差不能进行自动补偿(即切割管径越大,切割误差越大),或是成本高昂,操作不便。而全自动轨道链条复合式价格适中,操作方便,并具有高效率高质量的优势,因此所研制的全自动式三头火焰切割机采用轨道链条复合式行进方式。

全自动式三头火焰切割机工作原理如图1所示,切割机的行进方向可以双向选择。一方面,轨道紧固于管道,主机两侧的车轮卡在轨道上,同时主机通过链条与管道抱紧,保证主机在切割过程中不掉机、不滑动;另一方面,通过轨道与链条控制主机行进的轨迹,保证切割起点与终点重合。

图1 全自动式三头火焰切割机工作原理图

1.2 机械结构

图2为全自动式三头火焰切割机结构示意图。全自动式三头火焰切割机主要由主机、支架支撑梁、支架、横梁(3根)以及轨道、链条和3个割炬(割炬为标准配件)组成。

1.2.1 支架支撑梁与支架

支架支撑梁是全自动式三头火焰切割机的创新点之一,它既能承受支架的一部分重量,保持设备行进过程中的稳定性,又便于支架的安装与拆卸;支架是全自动式三头火焰切割机的创新点之二,它包括两段弧形板。图3为全自动式三头火焰切割机支架与支架支撑梁示意图。考虑到实际操作中的复杂工况,如管道的圆度、轨道的倾斜等,为了便于调整,支架与支架支撑梁相连的不是孔而是弧形槽。应用这种结构,支架通过一端的螺栓固定在主机上,并通过支撑梁保证稳定性,且该机构便于拆卸[1-2]。在实际作业中,当完成一次切割后,只需打开其中一段支架,就可将切割机从管道上取下,而无需拆另一段支架,从而减少了工作量,提高了切割效率。

图2 全自动式三头火焰切割机结构示意图

图3 全自动式三头火焰切割支架与支架支撑梁示意图

在每个支架与中间主机横梁的角度为120°处连接横梁(如图3中的3个横梁安装孔),横梁一端固定割炬,因此切割机只需行走120°就可实现对整管的切割,但支架的刚度与支撑梁要保证作业过程中横梁的稳定性。

为了保证支架的强度,同时减少质量,除注意支架材质外,还要对支架进行镂空处理[3]。另外,圆形支架最上方的2个减重圆孔同时亦为机器的吊点,现场作业中当切割机完成一段管道切割时,可以先将机器起吊脱离目标管道表面,等管道下一个切割点就位后再下放安装,从而加快切割作业进程,提高切割效率。

1.2.2 横梁

横梁由刚度较大、密度较轻的铝合金钢材制作而成[4],由于要保证结构的稳定性,横梁结构不能太长。所研制的全自动式三头火焰切割机的横梁长度300mm,其上有螺纹与刻度,便于安装割炬,可以实现0～250mm的行程调节范围。同时,螺纹和刻度能方便地调节割炬在横梁上的位置,可实现上下前后方向的移动,以保证切口的质量。

1.3 控制系统

全自动式三头火焰切割机主机行进采用交流电机驱动,即通过调节电机的转速来调节主机的行进速度,从而达到理想的切割效果;通过调节电机的转向,可以实现主机的行进方向,即正转与反转,以适应不同的切割要求。

为保证切割效果,3个割炬与管道之间的距离需相等,因此将割炬放进夹持机构中,配合刻度尺调节夹持器,调整距离一致。同时,3个割炬需在同一圆面内。所研制的三头火焰切割机采用割炬找点的方法:在不点火的状态下,先确定一割炬正对管壁的一点;然后启动设备,将另外两割炬也对上该点;最后锁死3个夹持器上所有的横向移动机构。这样只需一次对中就可以完成多次切割任务,大大提高了安装调整效率。

全自动式三头火焰切割机的3个割炬分别有一个气体分配器,切割机配有控制3个分配器的总阀门,总阀门分关闭、预热和切割3档。每个分配器也有3个阀门:预热氧气阀、切割氧气阀(与氧气连通)和乙炔阀(与乙炔连通)。点火时,切割氧气阀可以一直打开,乙炔阀和预热氧气阀调整到适当位置即可,切割时用总阀门开关对气体流量进行控制,用乙炔阀与预热氧气阀来控制混合气体的预热火焰。当预热到一定温度时,打开切割氧气阀,喷出切割氧,实现切割。熄火时,一方面切断总阀门,直接可以切断供气(包括乙炔和氧气);同时,电机控制开关关断使主机停止运动,操作安全性较高。

在工作过程中,根据被切割管道的实际情况,调节相应操作盒上的调速旋钮,可改变电机转速(转速可调范围为0至电机额定转速),从而改变切割机的切割速度,达到理想的切割效果。同时,可通过切换电机的正反转档来改变切割机的切割方向,操作更加灵活。

2 适用范围与技术特点

2.1 适用范围

本文所研制的全自动式三头火焰切割机适用于天然气管道、石油管道等多种弃置管道类型的切断回收作业,包括带混凝土层的单层海底管道和双层海底管道。

对于双层管道,将切割机的轨道安装在目标管道外管上,完成轨道安装和切割机装配后,先切割外层管道,然后将切下的外管推开一段距离,调整火焰枪头与内层管道距离,再完成内管切割,即一次安装同时实现内外管切割,节省了切割机的安装时间。

对于表面带混凝土涂层的弃置管道,为了缩短装卸时间,可以专门设置合适尺寸的套管,将切割机轨道和机器本身安装在套管上,作业过程中目标管道从套管中穿过,使套管固定,目标管道跟随作业向前移动。此方法可以节省每次切割机安装,特别是轨道安装的时间,成倍提高作业效率,创造良好的经济效益。此外,为了方便操作,在套管上加工供切割机钢轮行走的轨道凹槽(图4),这样便可以弃用安装轨道,既便于操作,又节省时间。

图4 全自动式三头火焰切割机钢轮行走的轨道凹槽

2.2 技术特点

本文所研制的全自动式三头火焰切割机已成功应用于海上管道切割作业中,在实际应用中体现出以下技术特点:

1)超高的切割精度,采用轨道+链条复合行走机构,可保证切割轨迹起点与终点重合。

2)优越的防滑性能,主机链条采用精心设计的防滑链条,轨道上设计防滑带,可保证主机行走均匀不打滑。

3)整机有3个割炬,可将切割效率提升3倍,属于技术首创。

3 结束语

本文研制的全自动式三头火焰切割机已成功应用于海上管道切割作业中,其性能稳定可靠,切割精度高,能够极大地提高管道维护抢修作业和管道回收作业的工作效率,缩短维护抢修作业及管道回收作业的施工工期,降低业主因停产带来的经济损失。该设备机械结构简单,安装操作方便,适用范围广,具有广阔的市场前景。

[1]孙桓.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]濮良贵.机械设计[M].8版.北京:高等教育出版社,2006.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000.

[4]汪海涛.冶金机械设计手册[M].北京:中国科技文化出版社, 2006.

Development and application of fully automatic three head flame cuttingmachine

MaHongxin1Li Guo1Zheng Songxian1Dong Caifeng2Qian Wujie2Lian Xuhua2Wei Guotao1Wang Jun1
(1.Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin,300452; 2.Offshore Pipelines and Risers INC,Hangzhou,310012)

Single head flame cuttingmachine is widely applied for cuttingsubseapipe in ocean engineering atpresent,and its headmust rotate around thepipe a circle to complete the wholepipe cutting,with low cutting efficiency.A fully automatic three head flame cuttingmachine is developed.Thispaper introduced the workingprinciple of this kind of cuttingmachine,control of themechanicalstructure,controlsystem,the applicablescope and technical characteristics.This new type of cuttingmachine just need tomarch 120°to finish the wholepipe cutting,which greatly improving the efficiency ofpipe cutting operation in ocean engineering.

fully automatic three head flame cuttingmachine;the workingprinciple;themechanicalstructure;controlsystem;applicablescope;technical characteristics

2013-10-29改回日期:2013-12-20

(编辑:叶秋敏)

马洪新,男,高级工程师,2002年毕业于中国石油大学(华东)自动化专业,主要从事海底管道工程设计与施工。电话:022-59899704。E-mail:mahx@mail.cooec.com.cn。