上海煤氣第二管線工程有限公司 陳繼偉

不停輸帶壓開(kāi)孔工藝技術(shù)，是在氣體母管不停止輸送介質(zhì)、不降低壓力、不進(jìn)行氣體放空和吹掃、保證管線正常運(yùn)行的情況下，對(duì)管線進(jìn)行旁接支路作業(yè)[1]。目前主要有封閉式開(kāi)孔、旁路孔零件開(kāi)孔和連接器開(kāi)孔，原理上都是先在原管道上安裝零件、閥門和開(kāi)孔機(jī)等，通過(guò)創(chuàng)造封閉環(huán)境，在密閉空間內(nèi)進(jìn)行開(kāi)孔作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)不停輸。

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保障施工的可靠性和安全性、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)品的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)所必須面臨的重大問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)。因此，施工項(xiàng)目對(duì)鉆頭要求的日益提高，不僅限于在施工現(xiàn)場(chǎng)使用的單級(jí)鉆頭，為更好地滿足施工要求，PDC鉆頭[2]、金剛石鉆頭[3]等新型材料鉆頭也相繼出現(xiàn)。本文提出了一種新的設(shè)計(jì)——雙級(jí)鉆頭。

1 單級(jí)鉆頭在特施分公司的應(yīng)用現(xiàn)狀

2013－2018年，對(duì)特施分公司負(fù)責(zé)項(xiàng)目中鉆頭的使用情況進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示在相同開(kāi)孔管徑、開(kāi)孔壓力及管壁厚度情況下，開(kāi)孔時(shí)長(zhǎng)與刀刃損壞面積成正比，見(jiàn)表 1。根據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，找到了 11條末端因素，其中由各末端原因造成帶壓開(kāi)孔效率低、所占比例大的為主要因素(要因)，所占比例小的為非主要因素(非要因)，如表2所示。

表1 各項(xiàng)目中單級(jí)鉆頭使用情況調(diào)查

表2 因素分析

針對(duì)以上分析出的要因，綜合實(shí)際情況進(jìn)行分析研究討論后，針對(duì)每條主要原因制定了以下對(duì)策、目標(biāo)及措施，見(jiàn)表3。

表3 對(duì)策、目標(biāo)及措施

針對(duì)單級(jí)鉆頭崩刃、效率低等問(wèn)題，盡管制定了優(yōu)化措施，但是不能從根本上解決問(wèn)題，普遍存在定位精度差、導(dǎo)向性差、易崩刀、費(fèi)力且效率低、壽命短、成本高等缺點(diǎn)。基于此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款雙級(jí)鉆頭，規(guī)避以上缺點(diǎn)，從而提高施工作業(yè)質(zhì)量和效率。

2 雙級(jí)鉆頭設(shè)計(jì)及參數(shù)特征模型建立

雙級(jí)鉆頭實(shí)物如圖1所示，其設(shè)計(jì)由兩個(gè)鉆頭組合而成，材料為硬質(zhì)合金鋼。前頭部分的一級(jí)鉆頭起到導(dǎo)向定位轉(zhuǎn)孔作用，后面部分的二級(jí)鉆頭起到切削擴(kuò)孔作用，其刃面加寬保護(hù)了刀刃。與傳統(tǒng)鉆頭相比較，該設(shè)計(jì)具有以下功能：定位導(dǎo)向精度高、突破限制少崩刀、省時(shí)省力效率高、壽命延長(zhǎng)效益好，真正意義上滿足項(xiàng)目施工需求，達(dá)到節(jié)省成本、提高功效、增加企業(yè)收益的目的。

圖1 雙級(jí)鉆頭實(shí)物

本文應(yīng)用Solidworks軟件，對(duì)雙級(jí)鉆頭模型進(jìn)行三維參數(shù)化特征建模，模型中體現(xiàn)了雙級(jí)鉆頭的前端小鉆頭、后端大鉆頭和鉆桿等重要特征，對(duì)部分倒角、倒圓角進(jìn)行部分簡(jiǎn)化處理。模型建好后通過(guò)Solidworks和ANSYSY Workbench的接口功能，為在 ANSYSY Workbench進(jìn)行有限元分析提供了基礎(chǔ)。

3 雙級(jí)鉆頭有限元模型的建立及結(jié)果分析

有限元的基本概念是將一個(gè)原來(lái)是連續(xù)的物體劃分成有限個(gè)單元。這些所劃分的單元通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，承受與實(shí)際載荷等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行分析，根據(jù)變心協(xié)調(diào)的條件把這些單元重新組合，變成能夠整體進(jìn)行綜合求解的模塊，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題。ANSYS軟件是一種融結(jié)構(gòu)、熱流體電磁和聲學(xué)的大型通用有限元軟件，廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、航空航天、核工業(yè)、土木工程、石油、汽車、造船、液體分析等領(lǐng)域。該軟件可在大部分計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行。

為驗(yàn)證雙級(jí)鉆頭作業(yè)時(shí)強(qiáng)度，本文應(yīng)用了ANSYS Workbench軟件，從軟件接口直接讀取Solidworks模型文件。雙級(jí)鉆頭的材料為硬質(zhì)合金鋼，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.277。本文采用自動(dòng)劃分法對(duì)雙級(jí)鉆頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為10 mm，網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生148 945個(gè)單元、260 527個(gè)節(jié)點(diǎn)。

雙級(jí)鉆頭三維網(wǎng)格見(jiàn)圖 2，雙級(jí)鉆頭刃面受力點(diǎn)見(jiàn)圖3。

圖2 雙級(jí)鉆頭三維網(wǎng)格

圖3 雙級(jí)鉆頭刃面受力點(diǎn)

為模擬雙級(jí)鉆頭在機(jī)器運(yùn)行中的受載荷及約束情況，在對(duì)模型施加約束和載荷后，求解得到應(yīng)力、應(yīng)變、變形量。

結(jié)果表明，雙級(jí)鉆頭的應(yīng)力最大值為0.27 kN，應(yīng)變最大值為1.45e-3，最大變形量為1.91 mm。根據(jù)手冊(cè)，查找得到該硬質(zhì)合金的最大許用應(yīng)力為0.57 kN，最大許用應(yīng)變?yōu)?.87e-3，最大許用變形量為20 mm。模擬結(jié)果均處于許用范圍。所以通過(guò)理論分析，雙級(jí)鉆頭設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)性能滿足要求。

4 雙級(jí)鉆頭試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證雙級(jí)鉆頭的適用性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了打孔試驗(yàn)，如圖4所示。通過(guò)場(chǎng)內(nèi)手動(dòng)開(kāi)孔機(jī)，進(jìn)行了多次開(kāi)孔試驗(yàn)，結(jié)果表明，在相同管材、相同作業(yè)人員的情況下，采用雙級(jí)鉆頭后，其崩刃面積由原來(lái)的29%減少至23%，開(kāi)孔時(shí)間由1.82 h縮短為1.50 h，開(kāi)孔效率提高17.58%。雙級(jí)鉆頭能夠用于不停輸帶壓開(kāi)孔作業(yè)，且與單級(jí)鉆頭作業(yè)相比，切削效率、切削質(zhì)量和鉆頭理論壽命等均有提高。

圖4 雙級(jí)鉆頭開(kāi)孔作業(yè)試驗(yàn)

在虹梅南路不停輸帶壓開(kāi)孔作業(yè)中使用了雙級(jí)鉆頭，制定并推廣了新的操作工藝和標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)使用情況作了調(diào)查，見(jiàn)表 4。從該表可以看出，工藝改進(jìn)后，人工開(kāi)孔時(shí)長(zhǎng)大大減少，同時(shí)工人反饋比以往開(kāi)孔省力很多，開(kāi)孔效率提高15%，完全達(dá)到了預(yù)期，滿足了設(shè)定目標(biāo)值。整個(gè)不停輸帶壓開(kāi)孔工藝的穩(wěn)定性得到了極大的提升，開(kāi)孔效果也得到了保證，避免了許多不必要的損失，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表4 效果檢驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

在不停輸帶壓開(kāi)孔過(guò)程中使用雙級(jí)鉆頭，提高了帶壓開(kāi)孔效率、降低了工程成本，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)也為企業(yè)樹(shù)立了良好的形象，帶來(lái)了良好的社會(huì)效益。規(guī)范的帶壓開(kāi)孔作業(yè)，有利地推動(dòng)了城市輸配管網(wǎng)接線、改造、維護(hù)、搶修、搶險(xiǎn)等施工，杜絕了動(dòng)火聯(lián)頭過(guò)程中天然氣的大量放燒，減少了環(huán)境污染，保證了輸配氣管網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)也提高了輸氣干線平穩(wěn)供氣的能力，不會(huì)給居民和企業(yè)用戶帶來(lái)不便，也促進(jìn)了城市天然氣管網(wǎng)的升級(jí)和完善。