张志坚 邢占元

国家管网集团甘肃公司

 

摘要：针对现有油气管道往复锯、爬管机、分瓣式切管机冷切割作业需持续水冷、切割温升超标、高钢级X80管线适配性差、无实时切割监测等行业痛点，融合传统耕犁机械结构、激光精密检测与智能自动控制技术，研制智能定位“犁”型管道冷切割装备，实现管道无冷却水低温冷切割。试验表明，装备定位精度≤0.1 mm、切削直线度误差≤2%、整机运行稳定度误差≤3%，作业效率提升30%。

关键词：油气管道；冷切割；犁型切削；激光定位；智能装备；X80钢

 

SY/T 7033―2024《钢质油气管道失效抢修技术规范》、GB/T 51474―2025《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》明确要求，管道切割作业采用冷切割工艺，规避高温火花引发油气介质燃爆风险。国家管网集团提出12小时抢修复产运维目标，各油气运营企业严格限定抢修作业窗口期，对冷切割装备的低温、高效、智能化、免水冷作业能力提出硬性要求。甘肃公司酒泉维抢修中心基于往复锯、爬管式冷切机、分瓣式切管机三类主流冷切割设备，累计开展30组现场对比试验，仅小口径管道单次切割可实现无冷却作业，其余29组试验均需持续喷淋冷却水降温，无法实现完全干式低温冷切割。X80钢的屈服强度达555 MPa，约为普通20#钢的2.26倍，传统刀头切削磨损量大，切削温升难以控制，且现有设备无可视化深度监测模块，切削壁厚临近管道安全阈值时无预警，存在应力集中破裂安全隐患，亟需研发适宜的干式低温冷切割装备。

1  研发思路

通过国家一级科技查新机构检索《油气管道维抢修关键技术研究及应用》，现有管道冷切割装备多采用单刃圆周切削结构，缺乏自适应曲面贴合机构与实时智能监测单元，无基于农耕犁具仿生切削的干式冷切割方案。为此，从三层维度开展技术借鉴。

理论层面：参考《冷切割革命》低温切削理论，确定干式冷切割温度控制上限40℃；依据 GB/T 8162―2018《结构用无缝钢管》、X80管线钢力学性能[1]，明确高硬度管材切削结构设计约束。

仿生实物层面：借鉴传统耕犁犁刃切削、曲辕曲面适配、三铧多刃均衡耕作核心结构，弥补传统切管机贴合差、受力不均、无深度监测缺陷。

控制技术层面：融合激光测距、三维点云聚类算法、易语言工控程序，搭建切削深度实时监测闭环控制系统。

基于上述理论与仿生结构，智能定位“犁”型管道冷切割装备整体方案分模块完成结构设计、电路开发、样机试制与现场验证，其核心设计指标：干式冷切割管壁最高温度≤40℃，激光定位检测精度≤0.1 mm，切削定位直线度误差≤2%，整机圆周切削稳定控制精度≤3%，弹簧支架管道外壁贴合覆盖率≥90%，控制系统双通道独立运行成功率＞98%。

装备分为四大功能模块（图 1），破口切割模块主要是白钢材质犁型破口刀，实现管道表层渐进式切削；切割拟合模块主要是双弹簧支架+球形定位面，自适应不同管径管道外壁曲面贴合；主切削模块主要是120°对称三刀头+弹簧缓冲刀架，圆周均衡切削，降低单刃磨损与局部温升；智能检测控制模块主要是激光雷达定位检测单元+易语言工控系统，实时采集切削深度、管壁温度数据，自动调节刀头进给速度。

图 1 智能定位“犁”型管道冷切割装备架构图

2  样机开发与实施

依据5W1H工作法制定开发对策，分6个子项完成结构建模、电路PCB设计、机械加工、程序开发、整机装配与试验调试。

（1）犁型破口刀开发。采用SolidWorks完成犁型刀3D建模（图 2），绘制进给控制PCB电路板，集成装配机械结构与控制电路，开展完整切削周期温升试验。实测单刀切削全过程温度曲线稳定低于 35℃，满足≤40℃设计目标。

图 2 犁型刀3D建模

（2）双弹簧拟合支架与球形定位面加工。建立双弹簧支架三维模型，设计位移转换控制电路；开展15组外壁贴合覆盖率测试，贴合率区间93%～99%，均值96.4%；球形定位面完成机械制图、机加工与直线度复核，多方向定位误差均小于 2%。

（3）120°对称三刀头与弹簧刀架试制。绘制环形三刀头加工图纸（图 3），配套铁屑清理控制电路；样机装配后进行多组受力均衡测试，切削误差≤±1%；弹簧缓冲刀架完成图纸设计与加工，沿管道整周切削稳定控制精度≤3%。

图 3 环形三刀头加工示意图

（4）激光智能检测系统搭建。基于旋量理论建立三轴几何误差模型，采用激光雷达采集管道外壁点云，并结合角度聚类+3D-NDT正态分布变换算法完成点云解析；设计专用检测控制电路，制作激光定位硬件模块。25组精度验证试验显示，测量误差最大值0.004 mm，满足≤0.1 mm精度指标[2]。

（5 ）易语言智能控制系统开发。完成工控程序编写、EXE控制软件编译与触控控制面板配套开发（图 4），经10组连续运行测试，系统双通道独立控制平均运行成功率99.47%，最低运行稳定性98.8%，高于设计阈值。

图 4 易语言智能控制系统

（6）整机装配与多工况调试。将四大模块集成组装，分别开展室内常温、冬季室外低温多工况切削试验，模拟管网全年抢修作业环境，验证装备全温域工况适配性。

3  性能试验与效益分析

（1）核心性能指标验证。分室内外低温两大工况开展了10组整机切割温度测试。室内环境25～26℃，切削最高温度29.4℃；室外低温环境﹣21～﹣12℃，切削最低温度24.9℃，所有工况下管壁切割温度均远低于40℃安全限值，干式无冷却水冷切割目标完全达成（表 1）。整机作业效率对比传统设备提升30%；激光定位、曲面自适应、智能温控功能同步实现，无切削高温、无机械碰撞风险，适配 X80等高钢级大口径长输油气管道。

表 1 室内外工况下冷切割作业温度测试结果（ 2024年）

（2）技术价值。国内首创仿生犁型干式冷切割结构，行业首台集成激光智能监测的管道冷切割装备，装备中间样机经第三方科技成果鉴定达到国内领先水平。该装备累计形成6项发明专利、1项软件著作权，其中4项专利进入实质审查阶段，1项专利授权生效。编制《智能定位犁型管道冷切割装备作业指导书》，完成整机电路、机械装配图纸汇编归档，通过CE与国内质量体系认证，形成完整标准化运维体系。

（3）经济效益。传统进口同类冷切割设备采购成本高、后期维保费用昂贵。本装备自主研发加工，单台套综合制造成本19.6515万元，对比市场同类设备单台可创造直接经济效益30.1485万元，长期批量推广可大幅降低管网企业抢修设备采购运维投入。

（4）社会效益。以往切割时，消除水冷介质渗入管道引发的内壁腐蚀隐患。本装备实现无冷却水干式冷切割，激光实时监测切削深度，避免管道壁厚过度切削造成泄漏风险，大幅提升抢修作业本质安全；设备安装便捷、操作门槛低，基层抢修班组经短期培训即可独立操作，适配全国各区域管网维抢修队伍推广应用，可助力国家管网12小时快速抢修复产目标落地。

4  结语

针对油气管道传统冷切割设备水冷依赖、温升超标、高钢级管材适配差、无智能监测等痛点[3]，创新融合农耕犁具仿生结构与激光智能检测控制技术，研制智能定位犁型管道冷切割装备，解决管道干式低温切削核心难题，满足管网抢修全流程运维需求。主要创新点包括四个方面。

仿生犁型切削结构采用犁刃渐进破口+120°对称三刀头环形切削，均衡分散切削应力，降低摩擦生热。

双弹簧球形曲面自适应贴合机构，适配不同曲率、不同外径管道外壁，提升切削稳定性。

激光非接触式实时深度监测系统，实现切削全过程可视化，临近安全壁厚自动预警。

一体化易语言智能控制系统，自动匹配管径、调节刀头进给速度，稳定控制切削温度≤40℃。

经多工况现场试验验证，装备各项设计指标全部达标，作业效率、安全性、智能化水平显著优于现有传统切管设备，同时完成标准化文件编制与知识产权布局，具备规模化行业推广条件。但存在前期仿生结构理论借鉴、多方案对比选型阶段周期较长等不足，后续研发可进一步拓宽文献、实物借鉴渠道，缩短研发迭代周期。

 

参考文献：

[1]张小立. X80 高钢级管线钢组织与力学性能[J]. 中原工学院学报，2010，21 (4)：4-10.

[2]李刚，王浩.基于3D-NDT的激光雷达点云定位算法优化[J]. 机械工程与自动化，2024 (2)：167-170.

[3]马伟平，张帆，房伟，等.高钢级管道切割技术现状综述[J]. 油气与新能源，2025 (4)：62-67.

 

作者简介：张志坚，甘肃公司副总经理、党委委员，主要负责生产运行、资产完整性管理、应急管理、市场开发、战略规划与执行等工作。

通讯作者：邢占元，1985年生，本科，高级工程师，酒泉维抢修中心副主任，党总支委员、安全总监、工会主席，主要从事管道应急和维抢修工作。联系方式：15193138534，xingzhanyuan@163.com 。