郭士清 王立權(quán) 弓海霞 尚憲朝

(1. 哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2. 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 黑龍江佳木斯 154007；3. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

新型深水管道切管機(jī)設(shè)計(jì)與樣機(jī)試驗(yàn)*

郭士清1，2王立權(quán)1弓海霞1尚憲朝3

(1. 哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2. 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 黑龍江佳木斯 154007；3. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

針對(duì)深水X70級(jí)管道維修時(shí)管道切斷與倒角機(jī)具二次定位困難、作業(yè)效率低的問題，提出了“一次”裝夾，即可完成管道切斷、倒角作業(yè)的新型深水管道切管機(jī)設(shè)計(jì)方案。該機(jī)具采用立銑方法完成切斷管道、外倒角作業(yè)，采用波紋刃鉆銑鍯復(fù)合刀具，解決了切斷深水X70級(jí)管道時(shí)夾刀的技術(shù)難題；采用拱孔式雙搖桿自定心管道夾緊裝置設(shè)計(jì)方案，解決了作業(yè)時(shí)機(jī)具旋轉(zhuǎn)刀盤與管道軸線偏心的技術(shù)難題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動(dòng)補(bǔ)償海水壓力的液壓系統(tǒng)，完成了樣機(jī)的研制與陸上作業(yè)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明該機(jī)具能夠?qū)崿F(xiàn)“一次”裝夾，可以滿足切割深水X70級(jí)高強(qiáng)度管道時(shí)不夾刀、切管時(shí)間短、倒角均勻的作業(yè)要求，從而為工程樣機(jī)的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)深水管道維修作業(yè)機(jī)具的國產(chǎn)化具有重要意義。

深水管道維修；切管機(jī)；切斷；倒角；自定心夾緊裝置；壓力補(bǔ)償；樣機(jī)試驗(yàn)

深水海底管道由海洋工程專用X70級(jí)鋼板卷管焊接而成，鋼材的屈服強(qiáng)度502 MPa、抗拉強(qiáng)度644 MPa、延伸率55.5%、沖擊功274 J，廣泛采用直徑304.8～609.6 mm、壁厚12.7～31.8 mm的單層管道，管道外有防腐層、保溫層、混凝土配重層[1-3]。深水海底管道位于深水區(qū)域，海水壓力大，海上提管維修及干式艙水下維修等淺水維修技術(shù)及裝備無法應(yīng)用，須采用水下機(jī)器人(ROV)操控自動(dòng)機(jī)具完成維修作業(yè)。深水海底管道維修須動(dòng)用大型支撐船、ROV、提管裝備及深水管道維修作業(yè)機(jī)具等，維修成本高昂[4]。目前，國外深水破損管道修復(fù)廣泛采用水下無潛機(jī)械連接技術(shù)[5]、深水焊接技術(shù)[6]，須去除管道混凝土層、保溫層,需要混凝土去除機(jī)具、管道切斷與管端倒角等多種機(jī)具配合作業(yè)[7-9]。而國外深水失效管道維修廣泛采用磨削原理切斷管道[10-11]，作業(yè)機(jī)具為Waches或Statoil公司的深水金剛石繩鋸機(jī)，刀具為金剛石串珠繩；或采用鋸割原理切斷管道，作業(yè)機(jī)具為Waches公司的深水閘刀鋸，刀具為專用鋸條。由于深水X70級(jí)管道材料強(qiáng)度大、塑性好、韌性高、管壁厚，采用這2種機(jī)具對(duì)其進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)存在如下問題：

1) 刀具磨損嚴(yán)重，須多次換刀[12]，導(dǎo)致維修過程中須多次吊放機(jī)具；

2) 管道切口小，切口處夾緊力大，易夾刀，無法塞入楔塊，嚴(yán)重時(shí)無法進(jìn)行切割；

3) 深水環(huán)境下ROV操控機(jī)具二次定位困難，降低了作業(yè)效率，增加了維修成本。

另外，深水管道倒角機(jī)具是在淺水分瓣式坡口機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用車削技術(shù)，深水環(huán)境下ROV操控機(jī)具定位到待作業(yè)管端須耗費(fèi)大量時(shí)間。

目前國內(nèi)不具備修復(fù)深水失效管道的機(jī)具與技術(shù)。隨著南海荔灣3-1深水氣田的投產(chǎn)，亟需研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、作業(yè)穩(wěn)定、效率高的深水管道維修作業(yè)機(jī)具。本文通過分析現(xiàn)有管道切斷機(jī)具與倒角機(jī)具在維修深水X70級(jí)管道作業(yè)時(shí)所遇困難，提出了一種“一次”裝夾，即可完成管道切斷、倒角作業(yè)的新型深水管道切管機(jī)方案，完成了機(jī)具本體結(jié)構(gòu)及自適應(yīng)海水壓力的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了樣機(jī)陸上作業(yè)性能試驗(yàn)，從而為工程樣機(jī)的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)深水管道維修作業(yè)機(jī)具的國產(chǎn)化具有重大意義。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的“一次”裝夾即可完成對(duì)深水單層管道內(nèi)層鋼管切斷及外倒角作業(yè)的維修機(jī)具適用作業(yè)水深500～1 500 m，管徑范圍304.8～457.2 mm，壁厚12.7～19.5 mm,主要由機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、浮力材料等組成,其中機(jī)械本體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、夾緊裝置、“C”形旋轉(zhuǎn)刀盤、切斷動(dòng)力頭、ROV對(duì)接裝置組成，如圖1所示。機(jī)架的桁架結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋁合金板與空心鋼管構(gòu)成，減小了機(jī)具所受的水阻力及機(jī)具質(zhì)量。前后夾緊裝置鉸接在機(jī)架上，用于將機(jī)具裝夾在固定于托管架上的海底管道上。切斷動(dòng)力頭安裝在“C”形旋轉(zhuǎn)刀盤上，作業(yè)刀具采用專用波紋刃鉆銑锪復(fù)合刀，解決了切斷深水X70級(jí)管道時(shí)切管夾刀的技術(shù)難題，簡(jiǎn)化了作業(yè)工序。動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)刀具的自轉(zhuǎn)及徑向進(jìn)給，刀盤繞管道軸線周向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具的周向進(jìn)給。液壓系統(tǒng)采用海水壓力自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)平衡海水壓力，避免了閥箱等采用耐壓結(jié)構(gòu)，減輕了機(jī)具重量，其中液壓閥箱安裝在本體上，箱體內(nèi)充油并與壓力補(bǔ)償器連接?？刂葡到y(tǒng)采用水上工控機(jī)與水下PLC兩級(jí)控制方案，水下作業(yè)時(shí)機(jī)具安裝水下攝像機(jī)及傳感器，監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，其中1臺(tái)ROV攜帶定位到待作業(yè)管道處，2臺(tái)ROV配合完成機(jī)具裝夾及作業(yè)。由于ROV的作業(yè)負(fù)載小于200 N時(shí)工況最好[13]，因此該機(jī)具須配置浮力材料以使其水中重力小于200 N，且浮心與重心應(yīng)盡量保證在同一垂線上。

圖1 新型深水管道切管機(jī)結(jié)構(gòu)模型

2 切斷動(dòng)力頭設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的深水管道切割機(jī)切斷動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，由主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成，其中主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)、減速器、銑刀組成，進(jìn)給系統(tǒng)由進(jìn)給馬達(dá)、減速器、鏈輪、絲杠、導(dǎo)軌等組成。大鏈輪上裝有過載保護(hù)器，當(dāng)銑刀過載時(shí)，過載保護(hù)器與絲杠脫離，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)停止，防止損傷動(dòng)力頭。為防止高壓海水從馬達(dá)軸端滲入而損壞馬達(dá)，將馬達(dá)輸出軸密封在耐壓殼體內(nèi)。

切斷管道工序包括徑向鉆削管道和周向切斷2個(gè)步驟。徑向鉆削管道時(shí)，主軸馬達(dá)與進(jìn)給馬達(dá)同時(shí)工作，鉆透管道后徑向進(jìn)給停止，刀盤開始旋轉(zhuǎn)，繞管道一周完成切斷管道。外倒角時(shí)，刀具進(jìn)給到指定位置后徑向進(jìn)給馬達(dá)停止，刀盤逆向轉(zhuǎn)動(dòng)一周，完成對(duì)管道倒角作業(yè)。

圖2 新型深水管道切管機(jī)切斷動(dòng)力頭三維結(jié)構(gòu)

3 夾緊裝置設(shè)計(jì)

夾緊裝置是深水管道切管機(jī)具的載體，其設(shè)計(jì)要求是：①能夠穩(wěn)定夾持管道，保證切割作業(yè)時(shí)機(jī)具與管道間不發(fā)生位移；②對(duì)旋轉(zhuǎn)刀盤回轉(zhuǎn)中心與管道軸線的同心度要求較高，防止刀具周向倒角時(shí)吃刀量不均勻，出現(xiàn)打刀或損傷動(dòng)力頭情況。

為滿足上述要求，本文提出了拱式雙搖桿自定心夾緊裝置方案(圖3)。該裝置由2組對(duì)稱設(shè)置在機(jī)架P兩側(cè)的完全相同的平行四邊形雙搖桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成(圖4)，其機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)特征為：機(jī)架為拱橋狀，圖3中ABCD(A′B′C′D′)為平面雙搖桿機(jī)構(gòu)，BE(B′E′)為單出桿驅(qū)動(dòng)液壓缸,AB(A′B′)為主動(dòng)搖桿,BC(B′C′)為連桿,CD(C′D′)為從動(dòng)搖桿；各搖桿下延長(zhǎng)段相等(lAF=lDG、lA′F′=lD′G′，F(xiàn)、G、F′、G′為夾持點(diǎn))，4個(gè)夾持點(diǎn)對(duì)稱設(shè)置在4個(gè)象限內(nèi)；固定鉸鏈中心A、D、A′、D′同在以夾具中心O為中心的同心圓上。分析認(rèn)為，上述平行四邊形雙搖桿機(jī)構(gòu)具有平動(dòng)及主從搖桿擺角相等特征，在液壓缸同步驅(qū)動(dòng)主動(dòng)搖桿時(shí)，4個(gè)夾持點(diǎn)同時(shí)在拱孔的同心圓上作同步同心徑向收縮和擴(kuò)張，當(dāng)夾緊裝置夾緊管道后，機(jī)架拱孔中心將與管柱軸線重合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)具旋轉(zhuǎn)刀盤的回轉(zhuǎn)中心與管道軸線同心。

圖3 新型深水管道切管機(jī)夾緊裝置原理圖

圖4 新型深水管道切管機(jī)夾緊裝置三維結(jié)構(gòu)

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 液壓系統(tǒng)組成與工作原理

本文設(shè)計(jì)的深水管道切管機(jī)液壓系統(tǒng)采用壓力補(bǔ)償技術(shù)，使系統(tǒng)的回油壓力與海水壓力相等，并自適應(yīng)水深環(huán)境壓力[14-15]。采用壓力補(bǔ)償后，液壓系統(tǒng)的元器件及管路等工作狀態(tài)與陸上液壓系統(tǒng)相同，使系統(tǒng)的負(fù)載能力不受海水壓力的影響。深水管道切管機(jī)液壓系統(tǒng)由深水液壓動(dòng)力源、刀具旋轉(zhuǎn)回路、刀具徑向進(jìn)給回路、旋轉(zhuǎn)刀盤周向進(jìn)給回路、夾緊裝置夾緊回路、應(yīng)急單元等組成，如圖5所示。由于動(dòng)力頭主軸馬達(dá)額定壓力為10 MPa，轉(zhuǎn)速高，所需流量大，而進(jìn)給馬達(dá)額定壓力為7 MPa,轉(zhuǎn)速低，所需流量小，因此，為避免能量損耗，采用了雙聯(lián)變量泵為系統(tǒng)提供兩級(jí)壓力。

圖5 新型深水管道切管機(jī)液壓系統(tǒng)組成

1) 液壓動(dòng)力源。液壓動(dòng)力源采用雙聯(lián)變量泵供油，DB3U型多級(jí)電液先導(dǎo)溢流閥為系統(tǒng)提供兩級(jí)壓力，以滿足系統(tǒng)的需要，并通過壓力傳感器來監(jiān)測(cè)油源的壓力。油箱采用閉式結(jié)構(gòu)布置，通過補(bǔ)償器來補(bǔ)償海水的壓力，使油源的回油壓力略高于海水壓力，以防止海水進(jìn)入液壓系統(tǒng)；同時(shí)補(bǔ)償器可補(bǔ)償整個(gè)液壓系統(tǒng)的油液泄漏和液壓缸工作時(shí)有桿腔與無桿腔的容積差。液壓動(dòng)力源由ROV攜帶，ROV機(jī)械手操作液壓飛頭使液壓動(dòng)力源與液壓回路連接，為機(jī)具提供動(dòng)力。

2) 刀具旋轉(zhuǎn)回路。該回路由大變量泵、電磁先導(dǎo)溢流閥、比例調(diào)速閥、三位四通換向閥V1、主軸液壓馬達(dá)組成。比例調(diào)速閥具有的穩(wěn)壓作用改善了馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性，且轉(zhuǎn)速可調(diào)。比例調(diào)速閥1得電閥口打開后，換向閥V1左位得電時(shí)馬達(dá)正轉(zhuǎn)，右位得電時(shí)馬達(dá)反轉(zhuǎn)，失電時(shí)馬達(dá)停止工作。

3) 刀具徑向進(jìn)給回路。該回路由小變量泵、多級(jí)電液先導(dǎo)溢流閥、比例調(diào)速閥、三位四通換向閥V2、進(jìn)給馬達(dá)組成，實(shí)現(xiàn)刀具的低速徑向進(jìn)給。多級(jí)電液先導(dǎo)溢流閥左位得電，為回路提供7 MPa壓力。比例調(diào)速閥2得電閥口打開后，換向閥V2左位得電時(shí)馬達(dá)正轉(zhuǎn)，右位得電時(shí)馬達(dá)反轉(zhuǎn)，當(dāng)徑向銑透管道后電磁換向閥失電時(shí)馬達(dá)停止工作，徑向進(jìn)給自鎖。

4) 刀盤周向旋轉(zhuǎn)回路。該回路由小變量泵、多級(jí)電液先導(dǎo)溢流閥、比例調(diào)速閥、三位四通換向閥V3、平衡閥、周向進(jìn)給馬達(dá)組成，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刀盤的周向旋轉(zhuǎn)。平衡閥起背壓和緩沖作用，在液壓馬達(dá)換向時(shí)仍可保持平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。換向閥V3左位得電時(shí)刀盤正轉(zhuǎn)，右位得電時(shí)刀盤反轉(zhuǎn)，失電時(shí)刀盤停止工作。換向閥V2與V3不能同時(shí)工作。

5) 夾緊回路。前、后夾緊裝置液壓回路相同，以前夾緊液壓回路為例，它由小變量泵、多級(jí)電液先導(dǎo)溢流閥、單向節(jié)流閥、三位四通換向閥V4、液壓鎖、節(jié)流閥、液壓缸、蓄能器組成。多級(jí)電液先導(dǎo)溢流閥右位得電，為回路提供10 MPa壓力。換向閥V4左位得電時(shí)機(jī)具夾緊管道，右位得電時(shí)機(jī)具松開管道。機(jī)具夾緊管道后，換向閥V4回中位，由液壓鎖和蓄能器為回路提供壓力，實(shí)現(xiàn)夾緊裝置的穩(wěn)定夾緊。

6) 應(yīng)急單元。應(yīng)急單元由ROV油源、液壓飛頭、手動(dòng)閘閥、應(yīng)急回路組成。當(dāng)機(jī)具出現(xiàn)故障時(shí)，ROV機(jī)械手操作液壓飛頭，將ROV油源與應(yīng)急回路接通，為機(jī)具提供應(yīng)急動(dòng)力，依次打開手動(dòng)閘閥，實(shí)現(xiàn)機(jī)具的應(yīng)急操作。

4.2 液壓系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

4.2.1 主軸馬達(dá)參數(shù)

理論計(jì)算取銑削最大管徑457.2 mm、壁厚19.05 mm的極端工況。刀具直徑d=25 mm，轉(zhuǎn)速n=250 r/min，銑削深度ap=19.05 mm,銑削寬度ae=25 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.02 mm，齒數(shù)z=4。

根據(jù)波紋刃銑刀機(jī)床切削X70級(jí)管道實(shí)驗(yàn)，得到修正后的立銑刀銑削力Fc計(jì)算公式為

(1)

切斷動(dòng)力頭主軸馬達(dá)輸出力矩應(yīng)滿足

(2)

式(2)中：Tz為主軸馬達(dá)輸出力矩；i為減速器傳動(dòng)比，i=3；ηt1為主軸系統(tǒng)傳動(dòng)效率，取0.6。代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得Tz≥8.9 N·m。

馬達(dá)輸出功率為

(3)

式(3)中：pz為主軸馬達(dá)輸出功率；n1為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，取750 r/min；ηt為馬達(dá)效率，取0.82。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得pz=0.57 kW，因此選擇伊頓公司型號(hào)H46的深水液壓馬達(dá)，額定壓力為10 MPa。

銑刀的周向進(jìn)給速度為

vf=nzfz

(4)

則刀盤切斷457.2mm管道的理論時(shí)間為t=2πr/vf=71.8 min(其中r為被切割管道的半徑，r=228.6 mm)。

4.2.2 徑向進(jìn)給馬達(dá)參數(shù)

根據(jù)機(jī)床鉆削X70鋼級(jí)管道實(shí)驗(yàn)，得到修正后的波紋刃鉆銑刀鉆削力公式為

(5)

絲杠的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(6)

式(6)中：φ為絲杠螺紋升角，φ=4.048°；ρ為當(dāng)量摩擦角，ρ=7.67°；d2為螺紋中徑，d2=18 mm。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得最大Ts為25.76 N·m。

進(jìn)給馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩為

(7)

式(7)中：i1為鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比，i1=1.3；i2為減速器傳動(dòng)比，i2=320;ηt2為傳動(dòng)效率，ηt2=0.92。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得Tj≥0.07 N·m。

刀具徑向進(jìn)給量f=10 mm/min，絲杠導(dǎo)程L=4 mm/r，則絲杠的轉(zhuǎn)速ns=2.5 r/min，進(jìn)給馬達(dá)轉(zhuǎn)速為nmj=1 040 r/min;馬達(dá)的效率取0.82，計(jì)算得徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出功率Pj≥0.006 kW，因此選擇Danfoss公司型號(hào)OMM12.5的深水液壓馬達(dá)，額定壓力7 MPa。

4.2.3 旋轉(zhuǎn)刀盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)參數(shù)

周向進(jìn)給作業(yè)時(shí)，刀盤進(jìn)給速度很低，理論分析時(shí)忽略水阻力矩，考慮陸上試驗(yàn)，則驅(qū)動(dòng)馬達(dá)須克服刀盤受到的摩擦阻力矩、切削阻力矩及陸上切削系統(tǒng)偏心力矩，即

(8)

式(8)中：TM為馬達(dá)輸出力矩；Tf為摩擦力矩；Tx為銑削阻力矩；TG為重力偏心矩；i3為齒輪傳動(dòng)比，i3=17.6；i4為渦輪減速器傳動(dòng)比，i4=900；η1為齒輪傳動(dòng)效率,取0.98；η0為渦輪減速器效率，取0.65。切削457.2 mm管道，切削阻力矩最大，刀盤轉(zhuǎn)到3點(diǎn)鐘方向時(shí)重力偏心矩最大，經(jīng)計(jì)算TM≥4.8 N·m。旋轉(zhuǎn)刀盤的轉(zhuǎn)速n2為0.014 r/min，旋轉(zhuǎn)刀盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速nmp為221.8 r/min，取馬達(dá)傳動(dòng)效率為0.82，計(jì)算得旋轉(zhuǎn)刀盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出功率P1≥0.09 kW，因此，選擇Danfoss公司OMM12.5深水液壓馬達(dá)，額定壓力7 MPa。

4.2.4 液壓泵和電機(jī)參數(shù)

液壓泵的最大工作壓力為

pp=p+∑Δp

(9)

式(9)中:pp為液壓泵的最大工作壓力;p為執(zhí)行元件內(nèi)腔最大壓力，為25 MPa;∑Δp為進(jìn)油路總壓力損失，取0.5 MPa。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得pp=25.5 MPa。

液壓泵的最大流量為

qp≥k∑qmax

(10)

式(10)中：qp為液壓泵流量；k為修正系數(shù)，取1.15；∑qmax為同時(shí)動(dòng)作執(zhí)行元件流量和的最大值。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得qp=43.56 L/min。

5 陸上管道切割與倒角試驗(yàn)

外倒角的目的是去除管道邊緣毛刺，以防止損傷連接器。試驗(yàn)鋼管為深水X70級(jí)管道，管徑457.2 mm，壁厚19.05 mm。經(jīng)測(cè)量，主軸轉(zhuǎn)速198 r/min,切管時(shí)間106 min，倒角時(shí)間36 min，本文設(shè)計(jì)的深水管道切管機(jī)陸上管道切割與倒角試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，可以看出：該機(jī)具切割管道時(shí)，切口寬、斷面平整、邊緣毛刺較小，切屑為厚而短的碎狀，表明機(jī)具切削穩(wěn)定，受力?。辉摍C(jī)具裝夾時(shí)會(huì)有小的偏心，但通過微調(diào)刀具進(jìn)給量可以修正這個(gè)偏心量，表明所設(shè)計(jì)的夾緊裝置有較好的定心性能。另外，水下作業(yè)時(shí)該機(jī)具的凈重力較小，機(jī)具的定心性能會(huì)更好。

圖6 本文設(shè)計(jì)的新型深水管道切管機(jī)具切管與倒角試驗(yàn)

6 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有切斷、倒角機(jī)具維修深水X70級(jí)管道作業(yè)時(shí)所遇困難的分析，提出了一種“一次”裝夾即可完成管道切斷、倒角作業(yè)的新型深水管道切管機(jī)設(shè)計(jì)方案，完成了機(jī)具本體結(jié)構(gòu)及自適應(yīng)海水壓力的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了樣機(jī)陸上作業(yè)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性，從而為工程樣機(jī)的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)深水管道維修作業(yè)機(jī)具的國產(chǎn)化具有重要意義。

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(編輯：呂歡歡)

Design and prototype test of a novel deep water pipeline cutting machine

Guo Shiqing1,2Wang Liquan1Gong Haixia1Shang Xianchao3

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang150001,China; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,JiamusiUniversity,Jiamusi,Heilongjiang154007,China;3.OffshoreOilEngineeringCo.，Ltd.,Tianjin300451,China)

It is difficult to sever and secondarily position the chamfering machine in repairing deep water X70 pipelines, which results in low operating efficiency. Scheme of a novel deep water pipeline cutting machine (DPCM) was proposed with one time clamping, cutting and chamfering. Pipeline-cutting and chamfering were achieved by a compound cutting tool with drilling, milling and countersinking, and the folder knife problem was solved by a corrugated edge milling cutter. A new system of two-arm holding and self-centering pipeline clamping devices with double rockers was proposed, which ensures concentricity between the cutter head and the pipeline during its operation. And then the hydraulic system was designed with automatic compensation of seawater pressure. A prototype was developed and its land test completed. The results show that the DPCM can be used to cut high strength subsea pipelines, meeting the requirements of on-line pipeline cutting without folder knife, short cutting time and evenly chamfering. It provides technical basis for this kind of deep water equipment localization, which is of great significance.

deep water pipeline repairing; pipeline cutting machinery; severance; chamfering; self-centering clamping device; pressure compensation; prototype test

*“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“深水水下應(yīng)急維修裝備與技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05027-005)”、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助“深水管道多功能作業(yè)機(jī)具關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究(編號(hào)：HEUCF1607047)”部分研究成果。

郭士清,男,博士研究生，副教授,主要從事水下智能機(jī)械、機(jī)電一體化技術(shù)研究。地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)南通大街145號(hào)哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(郵編：150001)。E-mail:zygsq951422@163.com。

1673-1506(2016)04-0136-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.022

TE977

A

2016-01-25 改回日期：2016-03-10

郭士清，王立權(quán)，弓海霞，等.新型深水管道切管機(jī)設(shè)計(jì)與樣機(jī)試驗(yàn)[J].中國海上油氣，2016,28(4)：136-142.

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