摘 要：近年来国家油气管道长距离、大输量的建设已经基本稳定，管道建设向城镇辐射性建设，向各支线管网、城镇市政管网发展，这对管道施工装备提出了小型化和适应性强的新要求。本文阐述了国产小型双驱动弯管机垂直液压冷弯管机的研制技术及成果的推广应用情况。
关键词：小型 垂直液压 冷弯管机 双驱动
0 引言
本课题针对伊拉克巴德拉原油集输管道项目D219管线施工及国内各支线管网的需要提出，伊拉克巴德拉原油集输管道项目需加工大量D219mm冷弯管。现有CYW系列垂直液压冷弯管机由于最小规格为CYW-508型，对D219规格冷弯管加工的适应性不强，专门为弯制储罐盘管而设计的小型卧式弯管机又存在上下管困难，弯制角度小、弯制角度测量困难等问题，因此本次设计一种小型燃驱/电驱双驱弯管机，该设备以柴油机或电动机为动力源，可满足不同场合的需要；最大弯制冷弯管规格可达324mm，对小口径管道适应性强，提高施工效率和弯制精度，更好地满足不同用户的需求。
1 冷弯管机的作用、工作原理
小型双驱动垂直液压冷弯管机是油气储运管道建设工程中必要的机械设备，主要用于管道建设施工中冷弯管的现场制作，其工作原理为：通过确定合理的支点和受力点并施加弯曲力矩，使钢管发生塑性变形，从而达到实现钢管冷弯曲的目的，具体实现过程为：弯管时，下模上升使钢管横向受力，和梁受弯状态相同，在机架中部上模和位于冷弯管机的尾部的夹具均产生支座反力，下模施加的力逐渐增大到临界值时，钢管内部产生的拉应力达到钢材的屈服极限，使钢管产生塑性变形而弯曲。
2 小型双驱动垂直液压冷弯管机的整机结构
为方便运输、施工与维修CYW-324小型双驱动型弯管机设计成动力单元与主机一体，采用了模块式设计，整机主要由主机、双动力模块、液压系统、前胎、内胎及操作系统等构成，见图1，图2。
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图2操作控制箱
2.1整体总体结构优化，更为符合小口径弯管机的需要。
通过深入研究弯管机工作环境，同时结合现场用户的需求意愿，设计合理的驱动模块，在我单位多年研制经验的基础上，设立三维模型，进一步优化分析最终生产试制样机。根据钢管弯曲过程中弯管工艺 ①确定各部件先后动作顺序，以及液压系统工作原理；② 确定各油缸、泵、阀参数，系统工作压力以及系统功率，确定液压系统的规格。
2.2.1对弯管机的弯管过程进行力学计算分析，整机承力结构及输力部分更轻便更合理。
针对未来小型管道输送管线钢制管道将采用钢管Φ323.9×24，材质：X80（按最高级别计算，一般大口径用到）的钢管进行CYW-324机型的弯管受力分析。
根基西气东输二线管道工程用直缝埋弧焊管技术条件（Q/SY GJX 0104－2007）和天然气输送管道用钢管通用技术条件（Q/SY GJX 101—2010），X80钢管的屈服强度分别为σS=555—590MPa，σS=555—705MPa。弯管制作过程就是弯管局部区域的变形过程，即从弹性变形到弹塑性变形再到塑性变形过程。根据第三强度理论（最大剪应力理论），可知，引起材料发生塑性屈服的主要因素是最大剪应力，当最大剪应力达到极限值时，材料即发生屈服，沿最大剪应力方向开始滑移。所以冷弯管变形的临界条件应为最大剪应力大于等于极限剪切应力（τMax＝τ0 ）。简单拉伸过程中，最大剪应力方向为沿轴线45°方向，屈服时在该方向上发生滑移，此时最大剪应力τMax＝σS/2。通过应力分析剪应力τ＝（σ1－σ3）/2,本式与塑性变形条件，联立，即得发生塑性变形的临界条件：σ1－σ3＝σS 。考虑强度储备，则钢管弯曲处的最小应力σ应不小于σS即
σ1－σ3≥σS 。
简化弯管受力模型，在与上胎接触点所在的截面所受弯矩最大，所以变形发生在该截面处，而该面为一圆环面，其内径最低点的应力为σ1＝σ,σ3＝0
以本机设计最大弯曲能力(Φ324×24，X80)计算，
由力学平衡条件对变形截面列弯矩平衡方程 ，平衡方程式具体（略）：
通过钢管主要受力确定如下：主油缸需要给下胎提供力，主油缸为两支，结合系统压力设计在21MPa，由F=PS=Pπr2, 则算出油缸的钢桶半径r,查机械设计手册第四卷第六章表17-6-2得，油缸直径D.查表17-6-3及17-6-2得活塞杆杆径d。
用同样方法，计算出提升缸、前胎加紧缸等油缸的参数，从而计算出所需泵阀的参数，确定泵阀的型号。
2.2.2主机设计
机架、上胎、 下胎及提升系统、驱动滑块及夹具、内胎等设计参考2017年2月《石油科技论坛》中的论文《CYW-1422垂直液压冷弯管机》。
2.3双驱动设计
为了满足不同场合的使用，在原来燃油驱动的基础上，我们通过计算、选型、对液压系统改造以及合理的空间布局，实现燃驱和电驱不同的驱动模式相互切换的双驱动设计，见图3，这样的城镇地区环保要求高，可以用电驱动，在野外用电不方便时就可以直接采用燃油驱动；采用先导操作模式，降低劳动强度，针对小口径管线，采用新机型可以降低投入及使用成本，提高施工效率和弯制精度，同时可进一步细化完善我公司CYW系列冷弯管机产品序列，更好地满足不同用户的需求，促进对外销售。
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图3 双动力模块设计
3 推广应用情况
自2017年小型双驱动垂直液压冷弯管机研制成功后，就将设备应用到华油工建伊拉克巴德拉原油集输管道项目，通过现场应用表明，该机型先导操作模式，降低劳动强度，小型化改造后，对于加工φ89至φ324mm钢管，工作可靠度高，弯管加工质量优，提高施工效率，降低投入及使用成本，运输更方便，能够满足油气管道野外施工复杂多变的现场条件需要，得到用户的高度评价。
2018年，出售给中油七建一台小型双驱动垂直液压冷弯管机应用于科威特项目部。
参考文献
[1] 成大先. 机械设计手册［M］.北京：化工工业出版社，2002
[2] 雷天觉.液压工程手册［M］.北京：机械工业出版社，1990.
[3] 刘永红CYW-1422垂直液压冷弯管机 石油科技论坛，2017.02