大直径钢管对中装置的研制

2022-11-28乔鹏飞朱昊天

河南水利与南水北调 2022年10期

乔鹏飞，岳斌，朱昊天

（1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西西安 710032；2.华北水利水电大学，河南郑州 450045）

1 引言

输送管道在现代世界里的应用无处不在，如市政排水建设、电力通信、燃气燃油输送以及居民日常用水的输送都会使用管道来达到输送目的。虽然各种输送管道的使用在很大程度上简化了物料输送的难度，但是不可避免的一个现实问题就是输送管道在安装过程中不可能是一个完整的个体。因此施工现场使用多条分段输送管道拼接的方案解决管道安装应用的问题。传统管道对接的大部分关键工作都是由人工来完成的，传统做法不仅会耗费大量的人力物力，而且还会不可避免地产生由人工操作带来的钢管对接误差，这些对接误差会对后期的调整过程造成麻烦。因此，制造出一种能够代替人工进行精确管道对中操作的管道对中装置是非常有必要的。

国外生产的管道对接装置类型包括链式外对口器、手动杠杆式与弓形液压外对口器、气动内对口器等，其中以Junction tool 公司为代表研制的链式外对口器采用片式起重链代替传统对口器的刚性环结构，链式结构的应用不仅减轻了整体装置的重量，还增加了装置的灵活性，但是链式结构的使用也使得装置的制造成本增加且链式结构易磨损。以Mathey 公司为代表生产的手动杠杆式外对口器，其夹紧功能由杠杆和凸轮配合实现，装置操作简单，管道对接精度相对较高，且装置具有自锁功能，但是其同一型号的对口器只适用于一种管径尺寸的对接，这就使得此装置的使用场景大大受限，不能够根据现场的施工需求进行及时的调整。以ORC 公司为代表研制的气动内对口器，其整体装置由滑轮行走装置、扩张导向装置、扩张对接装置以及装置操作系统组成，在保证管口对接精度的基础上增加了装置的可操作性，但是此装置的结构组成较为复杂，增加了装置后期的维护成本，且此装置对工作环境要求较高。

孟庆鑫，弓海霞等在对国外对口器的先进技术的研究基础上，针对不同管道，从结构、可靠性等因素出发开发出一种采用链式外对口方式的管道对中装置，装置采用液压驱动，其优点是对口力大、操作简单且抗腐蚀。刘文川，石凯等结合中国油气长输管道现场施工中对口器及对口方法的应用状况，针对不同施工情况下的管道对接，对管道对口器的选择提出了指导性意见。李崇冰设计了一种新型的简易外对口器，装置不受管径大小以及施工环境的影响且操作简易。

基于上述原因，根据滇中引水工程实际需要，研制了一种适用于大口径的管道外对口器装置，相比以往传统的管道对中装置，该装置结构简单、体积小质量轻、操作简单。可以做到一个装置解决不同口径管道快速对接的问题，且适用于野外和室内的施工环境。

2 钢管对中装置结构

2.1 装置机械部分

大口径输水管道对中装置机械结构主要由3部分组成，分别是基础滑台部分、电机驱动装置、管道承托部分（管道升降机构），其中基础滑台部分是由水平滑轨和两个滑块组成，电力驱动部分是由伺服电机、减速器以及联轴器组成，管道承托部分是由设备支撑顶升座、管道支撑板组成；其中基础滑台部分中的两个滑块可以带动管道承托部分来间接地左右移动管道，进而调节待对接管道在水平方向上的角度误差；电机驱动部分通过伺服电机、减速器和联轴器来驱动移动丝杠进而移动丝杠带动移动滑块在水平滑轨上左右移动；管道承托部分与待对中地的管道直接接触，其中管道承托部分的管道支撑板的形状为契合管道形状的圆弧形，保证在移动的过程中管道不发生晃动。

2.2 装置控制系统

大口径输水管道对中装置的控制系统采用PLC 为主控元件，装置的控制方式为无线遥控控制。装置的控制系统主要由无线信号发射器、无线信号接收器、PLC控制单元、线路分输模块这几部分构成。其中无线信号接收器和PLC 控制单元由单独的供电单元进行供电。无线信号发射器由电池进行供电，无线信号发射器的控制面板上包括管道承托部分独立升降、基础滑台部分滑块同向移动等功能按钮；通过操作相应功能的按钮发出相应的动作指令，无线信号接收器接收动作指令并将指令传送到PLC控制单元；PLC控制单元将处理过后的指令信息通过线路分输模块传送给相应的机械执行结构，最后由相应的机械结构完成目标动作执行。

3钢管对中装置工作过程

3.1 工作原理

装置整体的工作原理如图1所示。

图1 管道对中装置工作原理图

如图1所示，操作人员只需在无线信号发射器控制面板选择按压相应功能的按钮，然后控制信号被无线信号接收器接收，PLC 控制单元对控制信号进行识别与处理：如果控制信号内容是左右移动滑块调节水平距离，则经PLC处理过后的相应的控制信息会通过线路分输模块传送到相应的执行机构即电机驱动装置；若控制信号内容是升降管道高度，则经PLC 处理过后的控制信息会通过线路分输装置传送到管道升降机构来完成最终的管道高度调整。此外该管道对中装置在施工过程中需成对使用，两管道对中装置分别放置于待对中管道的两端。

3.2 工作过程

在管道对中装置使用前，需要先使用吊升装置将待对中的管道放置到实现准备好的基准位置，若此时待对中的管道与前一个固定好的管道仅有水平方向上的距离偏差，通过无线信号发射器控制面板上的控制移动滑块的功能按钮控制电机驱动装置带动移动丝杠，进而移动两端的左右移动滑块带动设备支撑顶升座左右移动钢管，使两管道对中；若待对中管道与前一个已固定管道存在竖直方向上的角度偏差，则通过无线信号发射器控制面板上的控制管道承托部分的功能按钮控制位于滑块内部的液压千斤顶升降，液压千斤顶的升降带动管道承托部分的设备支撑顶升座同步升降，进而达到调整两管道在竖直方向上角度偏差的目的；通过以上两种调节方式的组合使用可以实现待对中管道多角度调整，而且在配套的控制系统的加持下使得大口径输水管道对中作业可以达到稳准的效果。

4 钢管对中装置特点

研制的钢管对中装置具有以下特点：①装置控制系统中的无线遥控控制系统可精准控制滑块进行水平方向上的左右移动距离，也可精准控制管道承托部分独立或者同步升降的高度。②装置机械结构组成简单、体积小重量轻，易于装置的拆卸和组装，有利于装置后期的维护维修。（3）装置的机械结构外表面采用了防腐蚀材料喷涂处理，防腐蚀能力强、结构耐用，既适用于野外施工环境也适用于室内空间较小的施工环境。④装置制造成本低，相比传统管道对中装置可节省30%的制造成本。