大口径管道施工配套机具研究[1]

1、大口径管道施工配套机具研究大庆油田建设集团有限责任公司：刘凤 王德春 刘玉玲 孙卫松0 概述 随着我国石油天然气工业的发展，特别是“西气东输”工程的启动，管道事业面临着前所未有的发展机遇。油建公司继“陕京”管线和“涩宁兰”管线施工之后，积累了大量的经验，又一举中标 “西气东输”管道工程14、23、24标段，这是油建公司展现实力、锻炼队伍、开发外阜市场的一个难得的契机。但是客观分析，尽管我们在管道施工方面取得了一定的成绩，但是与国内外先进的施工队伍相比，我们还存在着一定的差距，尤其是在大口径管道施工配套机具方面，还需要进行大量的研制开发、引进和改进。因此，为提高油建公司的施工技术水平，增强企业的

2、市场竞争实力，我们必须以技术的可靠性和设备的实用性为基础，丰富完善大口径管道施工配套机具，以先进的设备确保施工质量，提高工作效率，增强专业队伍的施工能力，向国内外先进施工水平靠拢。 大口径管道野外施工中，一般都采用尼龙吊带形式布管下沟。由于吊带不能沿钢管前进，所以施工时必须要用几台吊管机互相配合，轮番取下及再装上吊管带，推进式前进，因此操作时比较繁琐而且浪费工时。现在国外及国内管道局施工单位己设计应用一种能沿管道外壁滚动前进的移动吊管带，这种吊管带在施工中不用拆下，可由吊管机直接带着沿管壁前进，大大节约了工时，提高了工作效率，是一种比较有推广价值的施工机具。国内移动吊管带规格有几种，但是针对于

3、“西气东输”工程的¢1016管线，国内还没有现成适用的产品，需要我们进行开发研制。 在管道建设施工中，分段焊是主体不可逾越的环节，尤其是分段预留的管口和穿跨越预留的管口，因停放时间较长，为了防止管道内进入流砂、水、土或异物等，一般都采用封头或盲板堵焊，待组对焊接时再除掉，这样往往影响原管口的相关尺寸，需在组焊前再修复，增大了工作量，影响了施工质量，因此需要研制出一种既不破坏管口形状，又安装、拆卸方便，适合现场施工操作的活动盲板。 焊前预热是消除内应力，保证焊接质量的必要环节。当前国内的预热方式主要有三种，第一种是火焰加热，第二种是中频加热，第三种是采用电热带加热。现场一般情况下都是采

4、用火焰喷枪进行烘烤预热，这种方式一般需两人同时对称地操作，即费时费力，又不能对管口周边同时、均匀地进行加热，所以很难达到焊接所要求的预热条件，影响了施工的进度和质量，因此需要研制一种操作方便且能够快速有效地加热焊道的焊前预热装置。“西气东输”的管线施工是我公司外阜工程中的重中之重，对施工质量的要求比较严格。由于在现场焊接时要求推广应用全自动焊接，因此为保证焊接质量，焊接时需在防风棚中进行操作。防风棚国外有定型的设计生产厂家，国内各施工单位一般都是自行设计。以往我单位野外施工中常用的防风棚都是用角钢作钢骨架，外罩一层镀锌铁皮，而且都是在厂里做好后再运到施工现场。这样的防风棚一则重量较沉，搬运起来

5、麻烦，二则由于占地空间大，运输费用较高。因此为配合“西气东输”工程，并针对于施工地段地势复杂且距离我们较远，需长途运输这一具体情况，我们研制出一种轻便的，可拆卸、组装的，适合搬运的组合式防风棚。大口径管道在长距离运输及吊装过程中不可必免地会产生管口变形、椭圆度超标等现象，使现场组对时产生错口，影响焊接质量，因此对口器是现场组对时必不可少的操作工具。大口径管线一般都采用内对口器进行对口，但对于“死口”和弯头部分，则必须采用外对口器，因此根据施工需要，研制一种操作简便、适合现场施工作业的外对口器是十分必要的。随着石油、化工设备的建设及检修，技术改造项目日益增多，并且新老区各种装置、工艺管线的碰头及

6、公用工程与新建工程的工艺接口也大量出现，以往这部分工程都安排在停工期或化工装置的大修期间进行，如因生产需要一定要改线时，必需将与其有关的生产装置停产，并且还要打动火报告，大大增加了生产费用及工期，有时甚至造成了不可估量的损失。因此引进一台带压开孔机是必要的。综上所述，结合西气东输工程及油建公司的实际情况，本项目主要研制的机具是：移动吊管带、管口预热装置、活动盲板、组合式防风棚、外对口器及带压开孔机。2 方案的设计与实施2.1 移动吊管带2.1.1移动吊管带工作原理： 组成吊管带的辊轮内装轴承，辊轮轴设计为空心轴结构，用钢丝绳将几个辊轮连接起来，每两个辊轮之间用弹簧隔开，根据起吊钢管的直径选用不

7、同数量的辊轮和弹簧，从而使辊轮与钢管良好接触；当钢管下沟时，移动吊管带的辊轮在吊管机的带动下，沿钢管滚动前进，使钢管平稳下沟。其结构如图一所示：1.滚轮总成 2.吊管带横梁 3.被铺设钢管 4.间隔短接 5.钢丝绳图一 移动吊管带示意图 2.1.2 技术关键 ：为保证移动吊管带在施工中满足现场使用要求，确保在使用时即能使起吊钢管平稳下沟，又能减少移动辊轮对钢管外防腐层的破坏，关键就在于移动吊管带的辊轮结构的设计和辊轮外部材质的选择。2.1.3 解决方式：我们将辊轮轴设计为空心轴，这样即减轻了辊轮的重量，又能使各个辊轮之间连接简单牢固；辊轮轴上装有轴承，在布管时能使辊轮沿钢管灵活滚动；同时辊轮轮

8、体采用“内为钢辊轮外套弹性聚氨脂”结构，这样保证了辊轮既有足够的强度又能保护钢管外防腐层，使之满足现场需要。2.1.4 用途及特点：我们设计的移动吊管带适用于各种壁厚的1016钢管，具有布管平稳可靠、生产效率高、能有效地保护钢管外防腐层等特点。2.1.5 试验及效果：2002年2月，我们在科研所院内利用吊车，对从“西气东输”施工现场拉回来的二根1016mm、长6m的三层PE防腐管进行了吊装试验。实验情况如照片所示：图二 移动吊管带试验照片经试验：移动吊管带移动平稳，各辊轮转动灵活，曲率半径适用于1016管径，吊架及钢丝绳能够承受钢管重量，并且辊轮移过后钢管外防腐层保持完好，没有被破坏。因此该移

9、动吊管带能够满足现场布管、下沟的要求。2.2 活动盲板2.2.1 工作原理：利用正反扣丝杠带动内胀拉杆运动，使撑块涨紧于管内壁上，使封板与管口密封。1 丝头 2 封板 3 铰链 4 拉杆 5 三爪螺母 6 撑杆7 撑块 8 钢管 9 反螺纹杆 10联轴器11 正螺纹杆 12 外螺纹套轴 13 柔性垫圈 14 内螺纹封帽 其结构如图六所示：图三 活动盲板结构图 2.2.2 研制情况：为防止活动盲板安装时撑块对管道内壁防腐层产生破坏，我们在撑块上加了橡胶垫片；同时为更好地保护好管口质量，我们又在封板内侧增加了柔性垫圈。2.2.3结构特点：（1）材料普通，加工制造方便，成本较低；（2）结构简单，安装

10、、拆卸方便，即可临时进行封堵，又可长期保护管口免遭破坏；（3）由于在丝杠的操作上设计了专用工具，因此具有良好的防盗性能。2.2.图四 活动盲板试验图片4 试验结果：2002年2月在科研所院内，我们利用6米多长的1016mm钢管对活动盲板进行了试验。实验照片如图所示：经试验：此活动盲板操作方便，内胀拉杆带动撑块可紧固地支撑于管内壁上，封板垫圈与管口严密接触，间隙小于1mm，密封效果较好，达到了设计要求。另外该机具将管口密封后如不借助专用工具的话，人力很难将其取下，具有良好的防盗性能。2.3 环形加热器：火嘴支撑辊进气管图五 火焰加热原理结构图2.3.1 工作原理：如图所示，以石油液化汽作为燃气，

11、点燃火嘴后，通过转动支撑辊轮带动火嘴周向运动，使火焰加热整个焊道，达到焊前要求的预热温度。2.3.2 技术关键：加热方式的选择及如何使火焰燃烧均匀。2.3.3 解决途径：采用均匀分布的多个火嘴同时燃烧液化汽的方式加热管口，并根据气量分配不同选用不同规格的火嘴。2.3.4 试验效果：环形加热器加工完成后，我们进行了试验，效果较好。（1）结构简单，安装、操作方便，成本低廉，且气源采用方便。；（2）火焰喷射均匀、有力度、火焰呈蓝色；（3）加热后管口温度能达到焊接工艺要求的焊前预热温度；（4）由于该机具设计有移动辊轮，加热时可沿轴向及环向不断地进行调整，因此加热总宽度可达到焊前预热要求的150mm。经

12、试验，该机具性能满足设计应用要求。图六 环形加热器实物照片环形加热器的实物照片如图所示：2.4 组合式防风棚2.4.1 工作原理：用镀锌铁皮作防风棚外罩，用方钢管作内部骨架，将防风棚的每一侧面都做成可拆装式，便于长途运输和现场安装。2.4.2 技术关键：钢骨架的组合方式。2.4.3 解决途径：将防风棚各部分做成分体结构，相互之间用螺栓连接，运输时分体拆装，到现场后再组装应用。防风棚结构示意图如图所示，图七 防风棚结构简图2.4.4 研制情况：根据西气东输项目经理部人意见，我们在防风棚的内部增加了配电装置及通风装置，并提高了防风棚的承载能力，安置了氧、乙炔瓶、电焊机及操作工具的摆放位置。根据施工

13、需要，该防风棚共加工了八套，于2002年4月在 “西气东输”施工现场得到应用。该防风棚具有以下特点：（1）、分体式拆装，便于长途运输。每一面都是活动式的可以分开连接。（2）、内部空间宽敞，体积大，便于焊工在棚内转体，灵活操作。（3）、对称装有两扇电动排风烟机，保持棚内空气新鲜。（4）、内部备有两台自动焊机及两个气瓶，并携带砂轮机等工具。（5）、备有电器配电箱，保证棚内设备用电要求。（6）、各个方向均镶有透明有机玻璃，保证焊接时光线亮度。（7）、整体吊装，便于专用吊车沿管线运行，符合现场操作规程。（8）、整体重量（包括内置设备）不超过1吨。2.5 外对口器根据工程施工情况及焊接培训要求，2002

14、年我们先后研制了两种结构的外对口器。2.5.1 螺旋1016外对口器（1）结构原理：如图所示：对口器上设计有两组均匀分布在焊道两侧的压脚，每个压脚都可以单独通过螺旋丝杠进行加力，这样就可以根据对口处的情况分别调节螺旋丝杠，实现对口。1.螺旋压紧杆 2.欲对口钢管 3.上部支撑圈 4.下部支撑圈图八 螺旋外对口器示意图 （2）技术关键：压点的布置及材质的选择（3）解决途径：为使管口各方向受力一致，压点设计为沿圆周方向均匀布置，同时为增加丝杠强度及使用寿命，螺旋丝杠的材料选择为：40cr。图九 螺旋式1016外对口器实物照片（4）研制情况：2002年3月末我们将图纸交机修厂加工，2002年4月加工

15、完后即投入使用。螺旋式1016外对口器实物如图所示：（5）试验情况：2002年4月，我们将螺旋1016外对口器在油建培训中心进行了应用试验。经试验，该对口器安装、操作方便，对口速度快，对中效果好，无论是在强度上还是在螺旋加力上，都满足使用要求，且组对后错口量小于1.0mm，满足焊接要求。螺旋外对口器经试验和施工应用，证明是成功的。该对口器具有以下几个特点：a结构简单，轻便；b容易加工；c机动灵活，对口时可根据管端情况分别进行调整。不足之处是操作上要求技术水平比较高，要有一个熟练过程。螺旋外对口器的成功，给我们提供了必要的设计参数和理论根据，在此基础上，为降低劳动强度，减化操作步骤，更适合现场施

16、工作业，我们又进行了液压外对器的研制。2.5.2 液压式外对口器（1）结构原理：和螺旋外对口器相比，液压外对口器的结构更简单。它省去了加力螺旋及压脚，由均匀分布在焊口两侧的凸点代替，这些凸点分别被布置在两个半圆形的定位圈上，这两个半圆形定位圈的一端则被圆柱销铰在一起。加力装置安装在其中一个定位圈上，对口时，随着液压缸的升起，加力装置下部分勾住另一个定位圈的凹卡，夹住管子向上定位圈靠拢，以实现管端整形及对口。液压外对口器结构如图所示：1欲对口钢管 2.油压千斤顶 3.上压圈 4.下压圈图十 液压外对口器示意图（2）技术关键：压点的布置、材质的选择及加工精度的保证（3）解决途径：根据管径及受力情况

17、，计算出合适的压点数量，将压点均匀布置在上下支撑圈上，同时为增加机具的强度及使用寿命，上下支撑圈的材料选择为：40cr，并且在加工时要选择好的加工厂，使上下支撑圈在立车上加工，以保证所有压点在同一个圆周上。针对不同标段的管道施工，我们共设计了两种规格的液压外对口器，一种为¢1016液压外对口器，一种为¢711液压外对口器。为配合四川“忠武”线的施工，2002年7月，我们对¢711液压外对口器进行了加工。（4）试验情况：¢711液压外对口器加工完成后，由于实验所需的¢711管难以找到，因此为了试验需要我们又特地设计并加工了¢711管段，

18、并在机修厂进行了多次试验及改进，终于使外对口器的试验效果达到了设计及使用要求。实物照片及实验效果下图：图十一 液压¢711外对口器实物照片图十二 对口后管口效果照片（六）Dg50-Dg300mm带压开孔机2.6 带压开孔机2.6.1 带压开孔机简介带压开孔机主要用于在运营的管道上钻孔，也就是在管路不停输介质的情况下，开旁路孔，以便新支管与原始管道相连。带压开孔机的规格有多种，适合从12.5mm1800mm的各种管径。据了解，目前油建公司每年施工的管线中，最常用的是300mm以下的管线，如60、114、159、273等，在化工厂施工时，温度400，压力2.0Mpa，300mm以上的管线

19、应用的相对较少一些，因此购置300mm以下规格的带压开孔机比较实用。对于300mm以下开孔机，我们调研了国内几个厂家生产的带压开孔机设备：经过对比分析，我们认为大庆三金机械厂的开孔机比较适用。主要理由如下：(1) 管径适用范围广。对于Dg50Dg300管线只购一台开孔机就适用。(2) 适用温度、压力范围广。温度最大可达500,压力最大可达16.0MPa，即适用于油田管线开孔作业，又适用于化工厂管线施工，比较适合油建公司的施工作业。(3) 体积小，重量轻，扭力大。由于机身、主轴及减速箱体都采用高强合金钢制成，因此它的结购紧凑、重量轻，可移动，适于搬运。它的整套机具在所有调研厂家中是最小和最轻的。

20、(4) 具有丰富的生产实践经验。其生产带压开孔机有多年的历史，早期主要应用于大庆石化总厂的带压接管及管线的维修、抢修等工作，且有丰富的实践经验，其开孔机也在实践中不断地进行着改进。(5) 良好的售后服务。由于它的厂家在大庆内部，因此如果在施工作业中出现什么问题的话，厂家人员会很方便地来处理解决。(6) 价钱适中。在所有厂家报价中，只有沈阳实业有限公司的报价比它低，但沈阳厂家300mm以下规格的带压开孔机需购买两台，且它生产机具的时间只有一年，施工经验及时间年限不如大庆三金机械厂多。综上所述，我们决定与大庆三金机械厂协作生产带压开孔机。2.6.2 带压开孔机结构图十三带压开孔机结构示意图带压开孔

21、机结构如图所示：2.6.3 带压开孔机应用开孔机运行的基本程序如下：(1) 不当在已有的管线上安装管接件和阀门。(2) 安装开孔机。(3) 通过开关阀门运行开孔机。(4) 退回装配的开孔刀。(5) 关闭开孔阀门。(6) 移动开孔机便于连接新管线。根据我公司施工状况及油田管线施工现状，我们对带压开孔机提出了技术上的指标及及配置上的要求：a. 开孔范围：Dg50Dg300 mm ;b. 工作压力：1.66.4MPa ;c. 工作温度：Dg50Dg150 mm ,工作温度 -30425，Dg200Dg300 mm ,工作温度 -30180;d. 驱动方式：液压马达驱动，工作压力21MPa，主轴输出转

22、速060 r/min；e. 整机重量：机身重65kg；到2002年12月初，Dg50Dg300mm带压开孔机已加工完成，经试验各项性能指标满足要求，可进行开孔作业。3 推广应用情况：由于活动盲板及环形加热器轻巧、实用，2002年4月份“西气东输”工程陕西靖边14标段项目经理部拉走了四套活动盲板及四套环形加热器。由于在使用中效果较好，节约了人力物力，提高了劳动生产率，2002年8月该项目经理部又订作并拉走了四套环形加热器。2002年3 月，根据安徽滁洲23标段项目经理部要求，我们参照具有多年管道施工及管理经验的廊房管道局制作的防风棚，设计并制作了八套防风棚，并于2002年四月底运至安徽滁洲施工现场，目前使用情况良好。2002年4月中旬，大庆油田建设集团技术培训中心由于焊接培训的要求，应用了两套螺旋式10