单根立，刘朋，王新生，刘建涛

(1.河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018；2.中国石油天然气管道科学研究院有限公司，河北廊坊 065000)

0 前言

在能源输送领域，高级油气管道备受关注，我国在油气管道建设中位于世界前列，稳定可靠、安全的油气供应对我国实现可持续发展至关重要[1]。

针对不同的地形、环境等因素，管道所布置的传送路线也应因地制宜，合理规划传输路线，所以需要对管材的弯曲角度提出更高需求。管材所布置的外界环境对管材外层影响非常大，故必须对管材进行防腐处理[2]。但对于经过防腐处理的油气管材，传统的外弯方式已经不能满足要求，所以可采用管内冷弯的方式进行管材弯曲加工。我国目前对于大口径管材最常用的弯管加工方法分为冷弯和热弯2种，管内冷弯的加工方式还非常少。其中冷弯是指借助液压机械强行施加外力使管材在冷状态下弯曲。热弯是指把管件加热至该管件的规定弯曲温度下再使管件弯曲的过程，通常使用中频热弯技术，采用电感应加热的方法[3]。

在国外，有美国、加拿大和德国等近10家冷弯机生产厂，所产机型基本结构均为垂直液压式，搭配内胎装置工作。其内胎形式主要有气动式和液压式2种，气动式结构内胎优点在于行走速度快、弯管预制效率高，但需要另行配置空气压缩机，系统工作平稳性差，难以控制。液压式内胎借助整机液压站，结构紧凑，且液压传动平稳可靠，能够保证钢管在预制过程中不发生椭圆变形。目前，国外现有的大口径冷弯管机产品依然是人工操作[4]。目前我国研制出来的CYW型垂直液压冷弯管机，填补了国内大口径弯管加工的空白，该设备采取的弯管加工方式同样是管外冷弯加工方式[5]。此外，我国还有使用冷滚弯技术加工管材，利用多个侧面弧度与所加工的管材弧度相同的压力滚，将其进行冷弯加工。

针对经过管道外层防腐处理的油气管材弯曲加工问题，本文作者设计一种大口径油气管材液压冷弯机，采用管内冷弯的加工方式，相比一般的外弯加工设备具有质量轻、灵活、结构简单等优点。在大口径油气管道弯曲加工设计上有所创新，能够克服以上缺陷，以保证最终试验数据的准确性。

1 液压内弯机机械结构设计

1.1 机械结构方案设计

大口径的油气传输管道管内弯曲需设计径向顶弯装置、管内涨紧装置、牵引装置，这三部分相互配合以达到理想的工作效果[6-7]。文中所研制的管内冷弯设备以上述三大装置系统为基础，工作示意如图1所示。所有楔块涨紧后由中部顶弯模块进行弯曲加工，通过内部径向液压缸将力作用在顶弯圆台上，圆台会随着液压缸活塞杆向下移动，使得整个钢管部分受到一个中间向下的力F1和两端涨紧部分向上的力F2、F3，从而使管材弯曲变形。在设备每次弯曲加工完成后，需由外部设备将管材移至水平，设备移动至未加工的直管段进行下次加工。按照智能化、易安装、易维护、运行平稳的原则进行组合设计。下面进行详细说明。

图1 工作示意

1.2 液压内弯设备结构与加工技术参数

弯管设备整体采用高硬度合金钢为主体设计材料，该设备在未涨紧时，设备最大直径0.58 m，长度2.2 m，两端涨紧楔块之间距离为2 m，相距中间顶弯楔块距离为1 m。在设备的前进方向一端楔块部分安装测距传感器进行距离检测，该设备与待加工管材的加工技术参数如表1所示，设备的管内运行示意如图2所示。

表1 液压内弯机主要加工技术参数

图2 管内运行示意

上述加工角度1°为顶弯模块左右两端各弯曲0.5°，相加得到单次加工最终角度。管材两端需留2 m的直管部分，设备行走选用减速电机提供大扭矩进行驱动。涨紧楔块与内滑体两端的接触面角度设置在自锁角度之内，确保与管内壁接触时处于最大限度的锁紧状态。涨紧楔块全部涨紧后可将其余部分悬空不与管内壁接触，从而不影响弯曲工作。冷弯设备正视图如图3所示。

图3 冷弯设备正视图

1.3 径向顶弯结构设计

径向顶弯结构由顶弯圆台、顶弯楔块和内部的径向顶弯液压缸组成。该部分装配在内滑体的中间平台处，内滑体两端与圆台上都设有T形滑槽。在每次弯曲完成时需收回涨紧楔块和顶弯楔块，然后向前行走，到达指定距离后再次涨紧，操作依次类推。其中顶弯楔块做了2次弧度设计：(1)满足管道涨紧内壁的弧度要求；(2)满足弯曲时单次径向弯曲的弧度要求。圆台顶弯装置如图4所示，内滑体外形如图5所示。

图4 圆台顶弯装置

1.4 管内张紧装置与牵引结构设计

管内涨紧装置由多组牵引结构组成，通过驱动从动端和驱动端内滑体内的液压缸，使它作用在顶板上，进而由顶板带动涨紧楔块在轨道槽上滑动，以此完成涨紧楔块的管内涨紧效果。采用大拉力硬弹簧在涨紧时起到拉动和顶推楔块完成涨紧动作的作用，涨紧后由径向液压缸作用在顶弯圆台上，此时因大拉力硬弹簧具有弹性故可满足小形变的要求。该项工作由两端的2个液压缸相互配合完成。当进行涨紧工作时，驱动端液压缸伸长，而从动端液压缸收缩，以此使所有楔块达到最高位置，完成涨紧动作。由于驱动端的驱动轮位置影响，故顶弯圆台上的6个顶弯楔块有5个是由驱动端涨紧楔块牵引，剩下的1个由从动端涨紧楔块牵引。由于驱动端电机位置的影响，驱动端顶板上设置了导向光杠孔，该孔进行了边倒圆加工以减小滑行摩擦力，在光杠对称的另一端安装液压缸。涨紧功能也是在弯管加工过程中防止管材被挤压、发生错误变形的重要一步。整体涨紧结构如图6所示。

图6 涨紧结构

2 液压系统设计

2.1 液压控制方案设计

此系统功能运行最高工作压力30 MPa为顶弯功能的适用压力，可通过调压油路调节至涨紧功能适用的10 MPa压力。该液压系统主要由径向顶弯液压油路、驱动端顶板液压油路和从动端顶板液压油路组成，完成的动作是行走-涨紧-顶弯-顶弯收回-涨紧收回，该周期动作完成后继续从行走开始。使用传感器对整个系统的压力和流量变化进行监控。

2.2 主机液压系统

此设计选用恒压变量柱塞泵为系统主泵源，在进行流量适应性调节时，压力变化非常微小，可以持续向系统提供一个恒压力源。如图7所示，机泵组10将液压油从油箱3中吸出，液压油通过单向阀11.1，刚开机时，通过电磁阀溢流完成空载启动。完成后二位二通电磁换向阀13电磁铁失电，液压油进入系统功能部分，首先经过高压滤油器15，由于顶弯动作压力大，故从空载环境切换到功能运行环境势必会产生压力震荡，此时通过回路中的蓄能器18进行能量吸收与平衡[8]，然后通过控制功能油路中的三位四通电磁换向阀19完成液压缸的伸缩动作。在系统顶弯油路中设有直流式溢流阀14.2，可改善执行机构运行的平稳性和防止因顶弯圆台自重导致顶弯活塞杆下降[9]。油箱上设有补油路线，手摇泵6可进行压力油的填充，通过管道过滤器5进行液压油过滤。配合PLC编程控制液压阀进行联合调控管内涨紧动作和顶弯动作的执行。

图7 液压系统工作原理

2.3 管内涨紧动作

完成管内涨紧是进行弯管加工的关键一步，是决定管材保持圆形截面的重要环节。涨紧部分的机械结构主要由2个液压缸配合完成，涨紧缸1(驱动端)伸长和涨紧缸2(从动端)收缩，完成楔块涨紧动作。涨紧回路中设置有液控单向阀20和可调节流阀21，提供锁紧保压功能和调速控制，完成弯管后，涨紧缸1和涨紧缸2反向动作完成涨紧楔块的收缩，配合测距传感器信号采集进行下一个100 cm的弯管工作。

2.4 顶弯动作

顶弯动作是整个弯管工作的最主要动作，采用径向施加压力，径向液压缸伸出将顶弯圆台垂直向下推动，形成2个弯曲力矩，使管材发生弯曲变形，并通过涨紧机构避免管道在进行弯曲时发生椭圆形截面[10-11]变形，以此达到最终弯管效果。在管端设有2个倾角传感器(一个用于测量水平摆放角度，另一个用于测量弯曲角度)，确保加工角度的准确性。该机械结构的设计可以满足直径660 mm系列的管材加工使用，只需对更大厚度的管材弯曲加工时的外部压力做出调整即可。

3 控制系统设计

3.1 控制系统流程设计

为方便人员操作，使用触摸屏设计了用户操作界面，完成界面登录后，方可进入触摸屏界面操作。在电控方面：可点选界面上的相应功能按键，由PLC输出信号，控制开关量和模拟量进而控制对应液压缸的运行以及低压启动系统。在液压控制方面：以发动机泵组作为动力源，切换三位四通电磁换向阀的左、中、右位实现对液压缸的伸缩控制，以及通过液压回路中的可调节流阀或调节恒压变量泵斜盘倾角均可实现对运行速度的控制。各油路支路中流量、油压传感器实时监控液压系统中的参数数据，以及使用测距传感器测量工作距离和倾角传感器测量弯管角度，所有数据均可上传至触摸屏界面测量，以此来反映整套液压系统的运行状态[12-13]。液压弯管设备控制系统流程如图8所示。

图8 液压弯管设备控制系统流程

3.2 PLC选型与I/O口分配及传感器选取

根据油气管道内弯设备运行的工作原理和加工目标，采用PLC作为主控制元件，对弯管设备的液压系统进行功能控制和数据采集，液压系统回路中的各项功能切换均由PLC对各电磁换向阀控制实现，并利用触摸屏实现对功能操作的选取和功能状态的显示，要求动作准确、运行安全可靠。通过模拟量输出模块，输出电流信号4～20 mA，通过比例放大器将电流放大到0～750 mA，最终该输出电流作用于变量柱塞泵的斜盘控制比例电磁铁，实现对斜盘倾角的控制，最终输出目标流量实现调速控制(较可调节流阀可实现流量精调)。通过对液压内弯机的功能特性分析得出，共包括输入信号4个，输出信号9个，485通信传感器10个，模拟量输出1组。I/O口分配点如表2所示。根据控制系统需要的I/O口位数及技术要求，选取了型号为AS228T-A的PLC和调节柱塞泵斜盘倾角的模拟量输出模块AS04DA-A以及触摸屏型号为DOP-107WV的台达系列控制元件。在涨紧楔块上安装限位开关，检测是否涨紧到位。数据采集系统采用传感器检测，传感器技术参数如表3所示。所有传感器均与PLC进行RS485串口通信，PLC上的485口连接一个一分12口的485集线器，通过集线器与所有的传感器连接。编写程序，对传感器实时采集的数据进行轮询读取，将所有传感器采集的数据通过PLC进行数据处理后显示到触摸屏界面上，工作人员可实时进行监控。控制关系如图9所示。

表2 液压内弯机PLC I/O口

表3 传感器主要技术参数

图9 控制关系

3.3 触摸屏软件设计

触摸屏软件负责监控PLC采集的各参数信息和控制输出动作使弯管设备运行，按照控制流程图8设计了触摸屏用户操作界面，如图10所示。触摸屏界面设置了功能运行区、弯曲加工监控区及设备数据监测区。按照实际操作对设备进行功能操控和加工信息读取，实时操作与监控。例如，弯曲加工监控区红色指示灯变为绿色时即达到设定加工目标。

4 管材加工测试

根据大口径油气管材的质量要求，弯曲加工速度必须稳定，该设备液压系统配备了节流调速和容积调速2种控制方式，对流量进行快速精确的控制。

设备测试时已证明该套液压冷弯加工方法保证了系统运行平稳，弯曲加工过程中管面光滑无褶皱，弯管过程中涨紧楔块起到了约束管材椭圆度的作用，质量达到了SY/T 5257—2018《油气输送用钢制弯管标准》的要求。图11和图12所示为该次测试管材(外径660 mm、壁厚8 mm)加工前后对比。管材弯曲角度按照总体方案需进行9次弯曲加工，加工次数与单次加工角度如表4所示。

表4 角度加工数据

图11 管材加工前示意

图12 管材加工完成后

按照冷弯管加工标准，此次管材弯曲加工总角度为8.9°，总误差小于±0.2°，符合弯管角度加工误差许可范围。

5 结论

根据弯曲加工的需求，合理设计结构和选择液压、电气元件，针对性地设计液压回路和控制系统，有效解决了油气管材外壁防护处理后的弯管加工问题，保证了管材弯曲加工的合格率和安全性，同时也提高了对管材加工的弯曲效率。该套设备采用PLC为控制单元，确保了设备的平稳运行、安全可靠。此设计可为后续的管内冷弯加工设备的研发提供理论依据。