抓管机在管道施工建设中的应用及安全性分析.doc

抓管机在管道施工建设中的应用及安全性分析汪允显 李县军 邢泽成（徐州徐工挖掘机械有限公司 江苏 徐州 221004）摘 要：抓管机（Pipeline Machinery ）是液压挖掘机的一种变型产品，可广泛应用于石油天然气管道项目建设、石化冶金行业管道铺设、港口疏浚管线建设和管道制品转运等行业。 抓管机由于具有液压挖掘机的操作特点，又兼备履带式起重机的部分性能，通过更换不同的作业机具，可实现管道的装、卸车及运输、管道铺设、管道起吊及管道沟的挖掘与回填等多种作业工况。作为新型设备，其作业的安全性直接关系到施工人员和设备的安全。分析其安全性，对提高产品可靠性有极大的意义，对其它工程机械的安全性设计也有一定的参考意义。 关键词：抓管机；管道 安全性1 引言随着经济的发展，能源危机越来越严重，我国每年需进口大量的石油。然而，海上运输石油的成本, 以及政治、战争等不利因素越来越高，为此，我国开始从陆路大量进口俄罗斯、中亚地区的石油，已开工建设了中俄、中哈石油管线；另外，西气东输工程也需要建设大量管道。目前，管道施工建设主要设备是吊管机，主要是用于大口径管子的布管、下沟作业。但在管道转运、对口方面，吊管机却有笨重、效率低等诸多缺陷。抓管机的出现解决了上述难题，抓管机在挖掘机的基础上，在工作装置、液压系统、控制系统等方面增加一系列附件使其在管道作业中更加方便、安全，效率更高，完全可取代吊管机在管道转运、对口方面的工作（图1）。 图1 抓管机2 抓管机施工应用目前抓管机生产企业还比较少，主要是卡特彼勒和徐工集团（图2），抓管机在管道施工建设中主要应用于管道的装、卸车及运输、管道铺设、管道起吊及管道沟的挖掘与回填等方面。以徐工集团生产的XE470P 液压抓管机为例，下面详细介绍抓管机的实际施工应用。 卡特彼勒 徐工集团图2 主要抓管机生产企业 2.1管道的装、卸车及运输XE470P 液压抓管机的抓手可360度旋转，方便管道姿态的调整。作业时，其前端抓手可牢固抓紧钢管，仅需驾驶员一人即可轻松操作，不需要地勤人员辅助，作业效率相比传统的吊管方式大大提高。通常，管道运输车辆满载状态下高度大概3-4.5m ，抓管机作业半径大概需要6-7.5m 米。常用的石油管道为螺旋埋弧焊接钢管，我们取常用的主干道管路为例，其外径为1.219m ，长度为12m ，重量大约7000kg ，根据XE470P 液压抓管机的作业重量表（图3），完全满足装、卸车的需要。其采用的美国康明斯发动机，额定功率为250kw ，完全满足在沙漠等复杂的环境下运输管道的要求，解决目前设备在复杂环境下的运输管道的难题。 图3 XE470P液压抓管机作业重量表2.2 管道铺设利用抓管机进行管道的预铺设，可极大提高管道的铺设速度。在铺设管道时，抓管机与运输车辆相互配合， 共同沿管道铺设线移动。根据现场布管测试，其铺设速度可达传统铺设管路的3-4倍，大大加快管道的建设速度，缩短施工周期，经济效益明显（图4）。图4 抓管机进行管道预铺设2.3 管道起吊XE470P 液压抓管机可更换抓具，通过前端快速连接器，可方便、快速的将抓手更换为吊钩。通过绳索等起吊管道，快速、灵活，解决在狭小空间等不利于抓手作业的环境下吊装管道的需要。2.4 管道沟的挖掘与回填XE470P 液压抓管机拥有挖掘机的全部功能，通过前端快速连接器，可方便、快速的将抓手更换为挖掘机用铲斗，用于管道铺设前的挖掘沟道及铺设后的回填作业，加快管道的建设速度。3 安全性分析随着社会的发展，施工建设对设备安全性要求越来越高，液压抓管机作为管道施工建设的一种新型设备，其安全性的高低直接关系到施工人员和设备的安全，为此我们将分析其安全性，看是否满足施工建设对设备安全性的要求。以徐工集团生产的XE470P 液压抓管机为例，XE470P 液压抓管机以XE470C 液压挖掘机为基础，在XE470C 液压挖掘机的作业特性上，凭借徐工集团技术和产品优势， XE470P液压抓管机能够满足客户大规模管道施工作业中的多种工况需求。下面重点从机械结构、液压系统和控制系统方面分析其安全性。3.1机械结构方面XE470P 液压抓管机主要由XE470C 液压挖掘机变型而来，工作装置部分主要将前端铲斗更换为抓手。因动臂、斗杆等部件经过长期工况检验，满足作业要求，在此不再进行分析，此次主要分析抓手机构。为减轻前端抓手重量，抓手采用低合金高强度结构钢Q345C 材料，提供最大的强度重量比，大口径的销轴和宽阔的连接处分担大量的负载压力。1采用Pro/E进行有限元建模，以四面体单元为主，划分网格后共有单元数量33 258-6 3个，Q345C 材料的弹性模量为210 000,泊松比为0.3，密度为7.810kg/mm（图5）。 图5 抓手单元格划分 图6 抓手应力云图2从应力云图（图6）可知，最大应力为93 MPa，根据相关资料, 正常环境下，Q345C屈服应力为345 MPa，疲劳极限强度为200 MPa。因工作环境良好，无较大的冲击，且振动2较小，以屈服应力作为判断标准，并保证一定的安全系数，这里取1.5, XE470P 液压抓管机抓手其安全系数为3.7，完全满足结构安全要求。3.2液压系统方面为保证液压系统的安全性, XE470P液压抓管机在动臂油缸大腔、斗杆油缸小腔及抓手工作油缸大腔加装了负载保持阀（图7），防止管路意外爆裂时，工作装置掉落造成的重大事故。 图7 负载保持阀防掉系统以动臂油缸负载保持阀为例（图8），工作原理如图： 图8 动臂油缸负载保持阀工作原理Z 口与动臂油缸大腔直接相连，ST 口连接大腔外部管路，A 口与油缸小腔连接，L 是泄油口，Vst 是先导油口, 顺序阀的开启压力设定420Bar 。当动臂油缸外部管路爆裂且压力低于420Bar 时，由于未达到顺序阀开启压力，Z-Vst 油路切断，两位两通换向阀在弹簧力作用下处于单向阀位，切断换向阀油路，使动臂油缸大腔油液无法外泄，从而防止了动臂油缸掉落，起到防护作用。3.3控制系统方面为更加精确的监控工作状态，XE470P 液压抓管机采用了徐工集团自主研发的新一代智能吊装控制系统（图9）。该系统通过安装在抓管机上的大量传感器（图10）实时监控机器的工作状态。 图9 智能吊装控制系统 图10 部分传感器的作用依据模型算法实时计算出实际力矩，并与额定力矩进行对比，当实际力矩达到设定的安全力矩时，该智能控制系统将发出声光报警提醒操作者注意危险操作；当实际力矩超过设定的安全力矩时，该智能控制系统将自动切断危险动作，阻止操作者继续进行危险操作，从而保护人身及设备的安全。按照GB12602-2009起重机超载保护装置的要求，通过大量实验及实际施工作业验证，该智能吊装控制系统可靠性高，完全满足施工建设对设备安全性的要求。4 结语目前，随着世界性能源危机的加深，我国正在加速进行石油及天然气管道的建设，由于传统运输、铺设装备越来越不能满足管道建设速度的需求，尤其在复杂环境下的施工作业。抓管机的出现，必将改变目前管道施工建设的现状，必将极大加快管道建设速度，节约大量 人力、物力，创造更多的经济效益。通过在机械结构、液压系统、控制系统等方面的加强，液压抓管机在安全性方面得到很大的提升，其安全性远远超过目前管道建设中常用的设备吊管机，基本解决传统管道施工建设中的安全性问题。同时，液压抓管机通过快速更换不同作业机具，可实现挖掘机全部功能和吊管机大部分功能，大幅减少人员配置需求和设备的采购、运输使用成本。其可靠的安全性和优良的使用性价比为今后抓管机的大规模应用提供了有力的保障。参考文献1二代龙