金刚石串珠绳锯水下切割海底输油钢管

（1）金刚石串珠绳锯水下切割试验系统

金刚石串珠绳锯水下切割试验系统主要由试验平台、金刚石绳锯机水下主体、液压控制系统、检测系统、金刚石串珠绳、单层海底油气管道、钢管等组成。金刚石串珠绳锯水下切割试验在专用于水下装置试验的室内水池中进行，该水池规格（长×宽×深）：50m×25m×10m，能够模拟海流、海浪等运动，可以满足水下切割钢管的工况需要。金刚石串珠绳锯安置在专用的水下切割装置——金刚石绳锯机水下主体上，如图4-26所示，由该装置完成管道的切割作业。

水下金刚石绳锯机的主要参数：

①外形尺寸（长×宽×高）：1 500mm×900 mm×2 800mm。

②重量：～1350kg。

③主动轮工作转速（驱动马达）：500～1 200r／min。

④升降机工作转速（进给马达）：20～755r／min。

⑤切割工作进给速度：1．0～70mm／min。

⑥快退速度：50～225mm／min。

⑦切割最大行程：1 300mm。

水下绳锯机液压传动控制系统采用船上与水中电缆通讯方式实现绳锯机水中的控制操作。液压系统有船上液压动力源及控制柜与水下液压传动阀组成，动力源主要由船上控制柜、油箱、三相交流电机与变量泵、油口接管组成。该绳锯选用了意大利MARINI公司生产的串珠绳，其主要参数如表4-19所示，串珠绳如图4-27所示。

图4-26　金刚石绳锯水下主体

1—切割主机；2—金刚石串珠绳；3—基座

图4-27　金刚石串珠绳

表4-19　金刚石串珠绳的主要参数

（2）金刚石串珠绳锯水下切割试验

对于切割复合材料和不规则形状的构件采用一般切割方法很难进行加工，即使能够进行加工，加工工艺也会很复杂。利用金刚石串珠绳锯进行切割加工时工艺简单，操作容易，能够满足加工技术要求。单层海底油气管道属于复合材料，包括非金属与金属材料，主要有：混凝土配重层、聚乙烯防腐涂层、聚氨酯保温层防腐漆和钢管，由于钢材硬度、强度比非金属材料高很多，切割钢材难度大，所以，此次试验就直接选用海底石油输送钢管进行试验，切割初始设置参数如表4-20所示。

表4-20　管道切割试验初始设置参数

试验过程中进行系统压力、锯绳张力、进给位移、切削速度、油温等参数的测量，其中系统压力为液压源压力传感器数码显示，锯绳张力通过张力传感器由水中传送至控制柜液晶显示，切削速度通过数位化光电转速计测得，进给位移通过主进给轴的转速传感器测得。初次试验测得的数据如表4-21所示。整个试验约40min，油温由16℃升到39℃时平衡，试验后吊出绳锯机，其管道切口如图4-28所示。

图4-28　管道切口

表4-21　金刚石串珠绳水下切割数据

进行初次试验分析后，调整进给速度初值分别为：工进1速度，1．7mm／min；工进2速度，4mm／min；工进3速度，5．4mm／min。再次进行水下切割试验，测得数据如表4-22。实际试验切割时间1h05min，切割管道弦长150mm，垂直距离125mm。

（3）初次切割试验分析

从表4-22切割数据可以看出，进给速度工进1（1．6～1．7mm／min）切割管道上壁，切透壁厚前，S1＝18mm段，切割过程中锯绳张力基本在875～935N变化，张力变化值≤60N，没有出现张力增加情况，说明此时的进给速度与切削速度相匹配；系统压力额定20MPa，实际为16．5MPa，切割负载低于额定负载，说明金刚石串珠磨削钢材速度与进给速度吻合，即磨掉的母材与进给速度一致，切割负载不再增加，磨粒处于正常磨损状态，此时为较理想切割状态。切割框架进给位移79-47＝32mm，大于管材实际切割位移S1＝18mm，切割时锯绳存在一定的挠度，产生垂直母材的法向切割力，有利于切割作业。

当切透壁厚时，进给速度换工进2（5．5～6mm／min）切割S2＝20～25mm段；锯绳张力随着进给位移的增加而增加，由855N增至1 215N，说明进给速度大于切削速度；系统压力由16．5MPa增至18MPa，切割负载增加，低于额定负载，也说明金刚石串珠磨削钢材速度小于进给速度。随着锯绳张力的增加，锯绳挠度增大，垂直母材的法向切割力增大，磨粒处于非正常磨损状态，金刚石磨粒磨损大，切割效率下降，不是理想切割状态。

调整工进2速度，降至4～4．25mm／min切割管侧壁S3＝25～30mm段，可看出，张力重新维持在620～660N变化，张力变化值≤40N，没有出现张力增加情况；系统压力由18MPa降至16．2MPa，小于切透壁厚前S1段，这与实际切割面积小负载小的理论分析相吻合，同样，也说明此时的进给速度与切削速度相匹配，也为较理想的切割状态。由上可得出：当金刚石绳锯切削速度一定时，进给速度与管道切口宽度L、面积S有关，而管道切口宽度L、面积S又由管道直径、切割部位决定，不同的管道直径、切割部位相对应不同的进给速度。此次试验切割的材质为DH36，屈服强度σb＝535MPa，弹性模量E＝210GPa，比普通管材10＃（σb＝335MPa）或20＃（σb＝410MPa）钢强度高、硬度大，因此，此次试验所确定的切割参数可以应用于其他普通钢材。

表4-22　金刚石串珠绳再次水下切割数据

（4）金刚石串珠的磨损测量

试验过程中随机选取10个串珠为研究对象，根据试验的实际进程在不同的时间点对其直径进行了测量，测量中使用千分尺对每个串珠直径沿圆周方向测量4次，取其平均值为该次的测量值，每个串珠直径随切削时间的变化趋势如图4-29所示。由此数据可分析串珠绳磨削比与进给速度之间的关系，在这里定义串珠绳的磨削比是指单位时间内切削金属的面积与串珠直径变化量的比，即

　　　（4-3）

式中，G——串珠绳的磨削比，mm2／mm；

S——单位时间内切削金属的面积，mm2／min；

△——单位时间内串珠直径的变化量，mm／min。

图4-29　串珠直径随切削时间的变化趋势

图4-30为串珠绳磨削比与径向进给速度之间的关系曲线。由图中可以看出，随着进给速度的增加，串珠绳的磨削比下降，也就是说串珠绳的磨损量增大，串珠绳的寿命缩短。在切割钢管壁厚前，当串珠绳进给速度在1．75～2．75mm／min之间变化时，串珠绳的磨削比变化幅度较小，即存在着一个最佳的径向进给速度，使串珠绳的磨削比最大，磨损量最小，串珠绳的寿命较长。

（5）再次试验分析

图4-30　磨削比与径向进给速度之间的关系

由表4-22数据可看出锯绳张力维持在809～950N，没有单调向上发散，系统压力在16．2～19MPa，始终在额定压力20MPa下时，说明切割力矩满足切割要求，油温由18℃升到40℃后基本呈缓慢上升趋势，在随后切割3h达到48℃后，维持平衡，说明切割进给速度基本上满足切削速度，能够完成钢管的切割作业，整个切割作业由PLC系统根据锯绳张力大小自动调节工进速度。由进给速度的切换看，在实际切割钢管中，工进3、工进2切割钢管两侧壁速度仍快，锯绳挠度大，张力大，系统负载大，压力升高，磨损大，这种现象一部分也是由于锯绳金刚石磨粒已经在初次试验时磨损造成的。如果只用工进1切割，速度慢，作业时间长，因此，为了在相对短时间内将钢管切割下来，最佳的切割方法是：结合工进1与工进2、工进3的速度进行切割，即用工进1切割管道壁厚以后，速度切换到工进2或工进3进行切割；当锯绳张力超过设定值时，再将速度切换到工进1，随着进给速度的下降，锯绳张力将下降；在锯绳张力低于设定值一定时间后，再次切换到工进2或工进3，依次循环，直到完成管道的切割作业。

（6）结论

本试验进行了金刚石串珠绳锯水下切割钢管试验的研究，通过搭建试验系统，设置切割初始参数，分析了串珠绳切割管道的面积和切口宽度与进给位移的关系，进行了水下切割管道前期试验与分析，确定了切割工艺参数并再次试验，验证了切割参数进行海底管道切割的可行性。目前，该绳锯已经交付使用部门，予以了纳米金刚石磨粒磷酸酯化改性物。与改性前相比，它在pH值大于5．5的水基溶液中的分散稳定性得到提高。试验结果表明：纳米金刚石磨粒磷酸酯衍生物浓度为0．05%～0．075%时，可明显提高水基基础液的承载能力。