水下管道坡口机技术现状及其发展趋势
日期：2018-07-11 点击：3478
对水下技术的发展现状进行了概述，分析了坡口机的研究对水下油气输送管道安装、维修技术的重要性。文中对一些发达国家正在研究或使用的一些有代表性的坡口机进行了综述，并且列举了一些例子。经过分析认为，了解坡口机发展状况，对于追踪国外先进科技，提升水下作业技术有重要的意义。针对海底管道铺设和维修，提出了坡口机的进一步发展方向。
1 引言
我国是一个海洋大国，面临太平洋及其所属渤海、黄海、东海、南海，大陆海岸线长达1.8万多公里，有300多平方公里的领海和管辖海域。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一，是各国重要的战略目标。21世纪是世界向海洋进军的世纪。为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底管道、电缆等的敷设和检查、海底打捞救生以及军事应用，迫切需要进一步开发水下作业技术。水下技术，是我国一个起步较晚，但近些年来发展很快的领域。目前尽管在水下科学技术方面已取得了一定成绩，但是还需要进一步发展多元科学技术，以使海洋作业更加方便、快捷。其中水下工程技术就是需要尽快发展的一种多元科学技术。水下工程技术通常是指海洋工程中围绕海底油气及其它矿产资源的勘探、开采和救助打捞工程所需要的设备、设施的设计、建造及施工工艺和作业技术。自上世纪60年代以来，水下工程技术迅速发展。60年代到70年代期间，美、英、法、德、日、挪威等世界主要海洋国家，相继建立了一批海洋开发研究机构，如日本海洋技术中心（JAMSTEC）、法国国立海洋开发中心（CNEXO）、挪威水下技术中心（NUC）等，极大地促进了海洋开发进程及海洋技术研究工作。此外，各国近海工程公司和潜水公司，也纷纷进行水下科学技术的研究和水下作业设施的开发，其中美国、英国、法国等一些公司等都具有较强的实力，在潜水技术、ROV技术、水下作业工具技术、水下焊接技术及装备、水下检测技术与检测仪器方面处于领先地位。海底油气输送管道维修作业系统是水下工程技术的一个部分，维修作业的主要任务是研制一套海洋环境下能够对单双层海底管道进行吊装、切割、去表皮、开坡口、对口、清理等作业的机具并能够快速修复海底管道。下面就维修作业机具中的开坡口机的发展概况作详细介绍。
1 坡口机的研究概况
在管道铺设或管接修复过程中，需要对管道进行切割/开坡口作业，以便进行焊接。切割/坡口机是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备，它所涉及的各项技术在国外有成形产品出售。我国的产品多数为模仿国外制造。国外具有代表性的坡口机产品有以下几种。
1.1 火焰切割/坡口机
美国H&M公司生产两种火焰切割]/坡口机：钢带式火焰切割和坡口机采用铝制机身，重量轻，适合现场切割管道，坡口机的导轨采用不锈钢凸缘导轨，一种导轨可适用多种管径（钢带通过搭接，直径可调），行走稳定准确，切割线不错位。坡口角度可调。带有15mm电动遥控器，速度可调，正反转控制，非常适应海上平台导管架切割和管道切割。产品适用管径为250-2400mm的管道。
马鞍形环齿轮式火焰切割( 坡口机适合车间高效率下料，而且可扩展成斜口切割机。铝制机身，重量轻，装配精度极高，鞍座和环齿轮同轴度达到)0.64mm，端面垂直度达到±0.38mm。电动型配±15mm长遥控电缆，可调速和正反转。一种机型可适用四种相邻管径。坡口角度可调。配双割把架，可以同时割出双侧坡口。配圆度靠轮，可以适应不圆的管子切割。系列产品，适用管径为50-1200mm的管道。
1.2 管端坡口机
意大利“ 古倍喜” 公司生产内卡式、外卡式坡口机和管端坡口车床。内卡式管道坡口机有两个型号，适合于小管径管道加工坡口。它由气动操作，防爆，适用于石化炼油企业管道维修。坡口机工作时通过超强自锁内卡芯轴卡于管道内，不打滑，不振颤，不弯曲变形。外卡式管道坡口机有多个型号，采用多刀车削方式，适用于小管径管道。管端坡口车床内径卡紧，便携，尤其适合厚壁管端加工处理。
1.3 全自动柔性切管机
日本板桥全自动柔性轴切管机结构比较特殊，机头没有任何动力马达，动力来自柔性扭矩传输缆轴。可以对管道进行切割、开槽等作业。适用于铸铁管、水泥管、钢管、石棉管和塑料管等。能够快速、安全作业，也可在水中作业。最大切割厚度达60mm。
1.4 爬管式管道切割/坡口机
美国瓦奇T-L-C爬管式切割( 坡口机是一种便携式铣削机，它通过链条将机体固定在管道上，驱动链轮使机体带着旋转的切割刀和坡口刀沿链条爬行一周，完成管道的切割和开坡口。它由液压驱动，可以在管子水平或者垂直方向作业，也可以在壕沟和180m 深水下作业。它可以在带压的管道或者罐体上进行冷切割和坡口加工，加工精度高，安全防爆，特别适合恶劣环境（ 风沙、污泥、水下） 工作，适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。
美国瓦奇闸刀式管道切割锯是系列产品。可以割锯实心( 空心管道和棒料。可用于自来水公司、输气公司、炼油厂、核电站、化工厂等行业。闸刀式管锯固定时需用带链条的台钳将闸刀锯和管子夹紧，精加工的铸铁V形马鞍底座确保切口的平直。管锯可在管外的任何位置安装，垂直和水平作业的效果同样出色。它可以采用气动、液动或电动控制，摇把负责手工进给，马达负责锯割，一个标准壁厚的150mm管子在6min内便可以割断。锯条采用通用的硬质合金高强度锯条，更换方便，由于在切割回程中是将刀刃从割口处提升，因此刀刃寿命大大延长。除了上述切割( 坡口机外，还有：美国Mathey公司生产的爬管式切割( 坡口机，原理同瓦奇坡口机，性能稍有差异。德国GF公司生产的适用于薄壁细长管切割( 开坡口的BA系列管道切割兼坡口机；适用于锅炉、换热器管道处理的DBD 系列坡口机；适用于现场和车间厚壁管道管端处理加工的坡口机。美国“力得BRB公司生产用于城市公用供暖、供气管道施工的手动切割刀等等。综上所述，国外用于现场作业的切割( 坡口机成型产品可靠性高，适合于现场作业，但在很大程度上是由人手工操作的，自动化程度并不高。
2 坡口机的分析和展望
2.1 坡口机分析
在上述介绍的各种切割( 坡口机中，现场作业效果最好的坡口机属美国Wachs和Mathey公司的爬管式切割! 坡口机，在管道维修这一领域有很强的实用性。它具有如下特点：
（1）应用面广。由气动或者液压驱动，它可以在管子水平或者垂直方向作业，安装防腐外壳后可以在壕沟和深水下作业。
（2）加工对象范围大。直径为150-1800mm的碳钢、不锈钢、球墨铸铁、铸铁及大部分合金材料管道。甚至直径达100m的油罐。
（3）铣削切割方式，可以切下4.17-75mm的金属，而且不改变机加工表面的物理性能。
（4）加工精度较高。一般情况下，端面垂直度在1.56mm范围内。如果使用导轨附件可将加工精度保持在0.125mm以内。采用导轨和特殊导轨轮可在零能见度下进行垂直切割、水下切割及多道切割。
（5）安全防爆。切割机在易爆的环境下可以在天然气、原油及燃料管上作业，它曾经用于切割导弹燃料系统。
（6）安装简单。将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管道上，便可开动机器。
（7）海上管道维护。液压型的切割! 坡口机采用全封闭液压系统，特别适合恶劣环境（ 风沙、水下）工作。适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。
（8） 抗腐蚀。使用不锈钢螺丝、特殊轴承、铅封及锌层等附件，可防止盐水作业下的腐蚀。
2.2 坡口机水下作业过程及其原理
（1）链条固定装置。管道切割/坡口机由链条固定在被切割/开坡口管道上，为了适应不同的管径，并保持链条始终紧贴管子处于张紧状态，采用前三个张紧轮和后三个张紧轮的不同组合来实现。
（2）径向进给机构。主液压马达驱动切割/坡口刀旋转，形成切削主运动。
（3） 周向爬行机构。径向切透后，进给液压马达驱动链轮使主机沿管道作周向爬行，形成切削进给运动。其中两个液压马达互锁，防止刀具不旋转的时候链轮旋转，损坏机器。
（4）刀片。分为切割刀和坡口刀两种，切割刀和坡口刀有多种规格，不同的刀片直径对应切割/坡口不同的管道壁厚。
2.3 坡口机设计构想和其展望
海洋油气资源的开发是海洋开发的紧要构成局部，其中海底破损油气管道的维修又是确保海底开采的油气顺利运输、防止海洋污染的必要保证。我国在北海、南海和东海等海域进行海上油气开发，海底油气输送管道一般有单层管和双层管两种，单层管主要结构是单层钢管外面覆盖一层钢筋混凝土，双层管主要结构是在两层钢管中间添加有保温层。北海、南海和东海的海底油气管道铺设已经近20年，许多管道面临着破损的危险。目前，我国海底破损油气管道都是聘请国外的专业公司进行维修，大多是美国的公司，每次维修都需要花费几百万元人民币，价格昂贵。随着时间的推移，现在工作的海底油气管道破损率会越来越高，每年需要维修的次数也会不断增加，因此急需将海底油气管道维修作业系统国产化。针对海底管道维修系统希望建立一系列性能可靠、体积小巧、自动化程度高的作业机具，用于管道维修。这不仅能使我国在相关领域的科技水平得到提高，避免受国外公司技术保密的限制，提高海底油气管道维修的效率，同时还能使每年维修海底油气管道的费用大大降低。缩短我国与世界发达国家在这一领域技术水平的差距，同时还会提高我国在海洋开发方面的国际地位和竞争能力。从目前国外发展现状来看，爬管式坡口机不仅能在水下工作，也能在干式环境中工作，而且能适应大范围管径的管道切割/开坡口作业。但是该坡口机属于半自动的，针对不同材质、不同性能的材料所用切削速度应是多少，需要靠人工根据经验作现场调整。如遇能见度较差的海情，作业将非常困难；而且我国海域环境较为复杂，该坡口机还需要进一步完善。
我国的科技工作者应在对国外坡口机的先进技术进行研究的基础上，针对不同材料，从切削性能、切削精度、可靠性等因素出发，深入研究，采用先进控制方法，设计自己的自动化爬管式坡口机，为我国的水下工程技术发展做出贡献。
3 结论
此文概述了坡口机的研究现状及发展方向，特别着重对爬管式切割/坡口机的实例作了介绍，并对其研究情况进行了综述。针对海底油气输送管道维修的需求，综合考虑海洋油田开采、海底管道铺设和维修、水下作业工具要求等因素，提出了坡口机的设计构想和研究方向，为进一步研究新型自动化坡口机指明了方向。
1 引言
我国是一个海洋大国，面临太平洋及其所属渤海、黄海、东海、南海，大陆海岸线长达1.8万多公里，有300多平方公里的领海和管辖海域。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一，是各国重要的战略目标。21世纪是世界向海洋进军的世纪。为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底管道、电缆等的敷设和检查、海底打捞救生以及军事应用，迫切需要进一步开发水下作业技术。水下技术，是我国一个起步较晚，但近些年来发展很快的领域。目前尽管在水下科学技术方面已取得了一定成绩，但是还需要进一步发展多元科学技术，以使海洋作业更加方便、快捷。其中水下工程技术就是需要尽快发展的一种多元科学技术。水下工程技术通常是指海洋工程中围绕海底油气及其它矿产资源的勘探、开采和救助打捞工程所需要的设备、设施的设计、建造及施工工艺和作业技术。自上世纪60年代以来，水下工程技术迅速发展。60年代到70年代期间，美、英、法、德、日、挪威等世界主要海洋国家，相继建立了一批海洋开发研究机构，如日本海洋技术中心（JAMSTEC）、法国国立海洋开发中心（CNEXO）、挪威水下技术中心（NUC）等，极大地促进了海洋开发进程及海洋技术研究工作。此外，各国近海工程公司和潜水公司，也纷纷进行水下科学技术的研究和水下作业设施的开发，其中美国、英国、法国等一些公司等都具有较强的实力，在潜水技术、ROV技术、水下作业工具技术、水下焊接技术及装备、水下检测技术与检测仪器方面处于领先地位。海底油气输送管道维修作业系统是水下工程技术的一个部分，维修作业的主要任务是研制一套海洋环境下能够对单双层海底管道进行吊装、切割、去表皮、开坡口、对口、清理等作业的机具并能够快速修复海底管道。下面就维修作业机具中的开坡口机的发展概况作详细介绍。
1 坡口机的研究概况
在管道铺设或管接修复过程中，需要对管道进行切割/开坡口作业，以便进行焊接。切割/坡口机是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备，它所涉及的各项技术在国外有成形产品出售。我国的产品多数为模仿国外制造。国外具有代表性的坡口机产品有以下几种。
1.1 火焰切割/坡口机
美国H&M公司生产两种火焰切割]/坡口机：钢带式火焰切割和坡口机采用铝制机身，重量轻，适合现场切割管道，坡口机的导轨采用不锈钢凸缘导轨，一种导轨可适用多种管径（钢带通过搭接，直径可调），行走稳定准确，切割线不错位。坡口角度可调。带有15mm电动遥控器，速度可调，正反转控制，非常适应海上平台导管架切割和管道切割。产品适用管径为250-2400mm的管道。
马鞍形环齿轮式火焰切割( 坡口机适合车间高效率下料，而且可扩展成斜口切割机。铝制机身，重量轻，装配精度极高，鞍座和环齿轮同轴度达到)0.64mm，端面垂直度达到±0.38mm。电动型配±15mm长遥控电缆，可调速和正反转。一种机型可适用四种相邻管径。坡口角度可调。配双割把架，可以同时割出双侧坡口。配圆度靠轮，可以适应不圆的管子切割。系列产品，适用管径为50-1200mm的管道。
1.2 管端坡口机
意大利“ 古倍喜” 公司生产内卡式、外卡式坡口机和管端坡口车床。内卡式管道坡口机有两个型号，适合于小管径管道加工坡口。它由气动操作，防爆，适用于石化炼油企业管道维修。坡口机工作时通过超强自锁内卡芯轴卡于管道内，不打滑，不振颤，不弯曲变形。外卡式管道坡口机有多个型号，采用多刀车削方式，适用于小管径管道。管端坡口车床内径卡紧，便携，尤其适合厚壁管端加工处理。
1.3 全自动柔性切管机
日本板桥全自动柔性轴切管机结构比较特殊，机头没有任何动力马达，动力来自柔性扭矩传输缆轴。可以对管道进行切割、开槽等作业。适用于铸铁管、水泥管、钢管、石棉管和塑料管等。能够快速、安全作业，也可在水中作业。最大切割厚度达60mm。
1.4 爬管式管道切割/坡口机
美国瓦奇T-L-C爬管式切割( 坡口机是一种便携式铣削机，它通过链条将机体固定在管道上，驱动链轮使机体带着旋转的切割刀和坡口刀沿链条爬行一周，完成管道的切割和开坡口。它由液压驱动，可以在管子水平或者垂直方向作业，也可以在壕沟和180m 深水下作业。它可以在带压的管道或者罐体上进行冷切割和坡口加工，加工精度高，安全防爆，特别适合恶劣环境（ 风沙、污泥、水下） 工作，适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。
美国瓦奇闸刀式管道切割锯是系列产品。可以割锯实心( 空心管道和棒料。可用于自来水公司、输气公司、炼油厂、核电站、化工厂等行业。闸刀式管锯固定时需用带链条的台钳将闸刀锯和管子夹紧，精加工的铸铁V形马鞍底座确保切口的平直。管锯可在管外的任何位置安装，垂直和水平作业的效果同样出色。它可以采用气动、液动或电动控制，摇把负责手工进给，马达负责锯割，一个标准壁厚的150mm管子在6min内便可以割断。锯条采用通用的硬质合金高强度锯条，更换方便，由于在切割回程中是将刀刃从割口处提升，因此刀刃寿命大大延长。除了上述切割( 坡口机外，还有：美国Mathey公司生产的爬管式切割( 坡口机，原理同瓦奇坡口机，性能稍有差异。德国GF公司生产的适用于薄壁细长管切割( 开坡口的BA系列管道切割兼坡口机；适用于锅炉、换热器管道处理的DBD 系列坡口机；适用于现场和车间厚壁管道管端处理加工的坡口机。美国“力得BRB公司生产用于城市公用供暖、供气管道施工的手动切割刀等等。综上所述，国外用于现场作业的切割( 坡口机成型产品可靠性高，适合于现场作业，但在很大程度上是由人手工操作的，自动化程度并不高。
2 坡口机的分析和展望
2.1 坡口机分析
在上述介绍的各种切割( 坡口机中，现场作业效果最好的坡口机属美国Wachs和Mathey公司的爬管式切割! 坡口机，在管道维修这一领域有很强的实用性。它具有如下特点：
（1）应用面广。由气动或者液压驱动，它可以在管子水平或者垂直方向作业，安装防腐外壳后可以在壕沟和深水下作业。
（2）加工对象范围大。直径为150-1800mm的碳钢、不锈钢、球墨铸铁、铸铁及大部分合金材料管道。甚至直径达100m的油罐。
（3）铣削切割方式，可以切下4.17-75mm的金属，而且不改变机加工表面的物理性能。
（4）加工精度较高。一般情况下，端面垂直度在1.56mm范围内。如果使用导轨附件可将加工精度保持在0.125mm以内。采用导轨和特殊导轨轮可在零能见度下进行垂直切割、水下切割及多道切割。
（5）安全防爆。切割机在易爆的环境下可以在天然气、原油及燃料管上作业，它曾经用于切割导弹燃料系统。
（6）安装简单。将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管道上，便可开动机器。
（7）海上管道维护。液压型的切割! 坡口机采用全封闭液压系统，特别适合恶劣环境（ 风沙、水下）工作。适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。
（8） 抗腐蚀。使用不锈钢螺丝、特殊轴承、铅封及锌层等附件，可防止盐水作业下的腐蚀。
2.2 坡口机水下作业过程及其原理
（1）链条固定装置。管道切割/坡口机由链条固定在被切割/开坡口管道上，为了适应不同的管径，并保持链条始终紧贴管子处于张紧状态，采用前三个张紧轮和后三个张紧轮的不同组合来实现。
（2）径向进给机构。主液压马达驱动切割/坡口刀旋转，形成切削主运动。
（3） 周向爬行机构。径向切透后，进给液压马达驱动链轮使主机沿管道作周向爬行，形成切削进给运动。其中两个液压马达互锁，防止刀具不旋转的时候链轮旋转，损坏机器。
（4）刀片。分为切割刀和坡口刀两种，切割刀和坡口刀有多种规格，不同的刀片直径对应切割/坡口不同的管道壁厚。
2.3 坡口机设计构想和其展望
海洋油气资源的开发是海洋开发的紧要构成局部，其中海底破损油气管道的维修又是确保海底开采的油气顺利运输、防止海洋污染的必要保证。我国在北海、南海和东海等海域进行海上油气开发，海底油气输送管道一般有单层管和双层管两种，单层管主要结构是单层钢管外面覆盖一层钢筋混凝土，双层管主要结构是在两层钢管中间添加有保温层。北海、南海和东海的海底油气管道铺设已经近20年，许多管道面临着破损的危险。目前，我国海底破损油气管道都是聘请国外的专业公司进行维修，大多是美国的公司，每次维修都需要花费几百万元人民币，价格昂贵。随着时间的推移，现在工作的海底油气管道破损率会越来越高，每年需要维修的次数也会不断增加，因此急需将海底油气管道维修作业系统国产化。针对海底管道维修系统希望建立一系列性能可靠、体积小巧、自动化程度高的作业机具，用于管道维修。这不仅能使我国在相关领域的科技水平得到提高，避免受国外公司技术保密的限制，提高海底油气管道维修的效率，同时还能使每年维修海底油气管道的费用大大降低。缩短我国与世界发达国家在这一领域技术水平的差距，同时还会提高我国在海洋开发方面的国际地位和竞争能力。从目前国外发展现状来看，爬管式坡口机不仅能在水下工作，也能在干式环境中工作，而且能适应大范围管径的管道切割/开坡口作业。但是该坡口机属于半自动的，针对不同材质、不同性能的材料所用切削速度应是多少，需要靠人工根据经验作现场调整。如遇能见度较差的海情，作业将非常困难；而且我国海域环境较为复杂，该坡口机还需要进一步完善。
我国的科技工作者应在对国外坡口机的先进技术进行研究的基础上，针对不同材料，从切削性能、切削精度、可靠性等因素出发，深入研究，采用先进控制方法，设计自己的自动化爬管式坡口机，为我国的水下工程技术发展做出贡献。
3 结论
此文概述了坡口机的研究现状及发展方向，特别着重对爬管式切割/坡口机的实例作了介绍，并对其研究情况进行了综述。针对海底油气输送管道维修的需求，综合考虑海洋油田开采、海底管道铺设和维修、水下作业工具要求等因素，提出了坡口机的设计构想和研究方向，为进一步研究新型自动化坡口机指明了方向。