水下绳锯机切割单层油气管道的可靠性研究.pdf

2 0 1 3 年 2月 第4 1 卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 3 Vo 1 ． 4 1 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 4 3 水下绳锯机切割单层油气管道的可靠性研究 王海波 ，张岚 ，孟庆鑫 ，王 拈 1 ．吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林 1 3 2 0 2 2 ； 2 ． 哈尔滨工程大学机电工程学院， 黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 ；3 ．海洋石油工程股份有限公司维修公 司，天津 3 0 0 4 5 1 摘要海底油气管道在维修过程中可以采用水下金刚石绳锯机割断。介绍水下绳锯机的基本组成，对绳锯机切割管道 过程中的切割可靠性进行了理论上的分析 ，并且提出了串珠绳锯在给定允许磨损量及可靠度条件下耐磨时间的计算方法。 进行了绳锯机对单层油气管道的切割试验，根据获得的试验数据，采用理论方法计算可知，某种直径下的油气管道需要一 定长度的串珠绳才能完成切割。该结果为水下金刚石绳锯机切割单层油气管道绳锯长度的选择提供了一定的理论依据。 关键词水下绳锯机；切割；单层油气管道；可靠性 中图分类号T H1 2 3 文献标识码A 文章编号i 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 31 5 2 3 Re l i a b i l i t y Re s e a r c h o f Un d e r wa t e r W i r e S a w Cu t t i n g S i n g l e oi l a n d Ga s Pi p e l i n e s WA N G H a i b o ，Z H A N G L a n 。ME N G Q i n g x i n ，WA N G Z h e ’ 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g ，J i l i n I n s t i t u t e o f C h e m i c al T e c h n o l o g y ，J i l i n J i l i n 1 3 2 0 2 2 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c al a n d E l e c t r i c al E n g i n e e r i n g ，H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，Ha r b i n H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1 ，C h i n a ；3 ． Ma i n t a i n me n t R e p a i r D i v ，O f f s h o r e O i l E n g i n e e r C o ． ，L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c t U n d e r w a t e r d i a mo n d w i r e s a w c a n b e u s e d t o c u t u n d e e a o i l a n d g a s p i p e l i n e s i n t h e r e p a i r p r o c e s s ． T h e b a s i c c o n p o n e n t s o f u n d e rw a t e r wi r e s a w we r e i n t r o d u c e d ． Cu t t i n g r e l i a b i l i t y o f wi r e s a w wa s a n a l y z e d i n t h e o r y ． We a r t i me c alc u l a t i n g w a y s we r e p r o p o s e d o n t h e c o n d i t i o n s o f a g i v e n a mo u n t o f we ar a n d r e l i a b i l i t y ． W i r e s a w c u t t i n g s i n g l e o i l an d g a s p i p e l i n e s t e s t w a s c a r r i e d o u t ． Ac c o r d i n g t o o b t a i n i n g e x p e r i me n t al d a t a ．t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s h o w s s o me k i n d d i a me t e r 0 i l a n d g a s p i p e l i n e n e e d s a c e r t a i n l e n g t h o f b e a d s t o c o mp l e t e t h e c u t t i n g ． T h e r e s u l t s p r o v i d e a t h e o r e t i c al b a s i s f o r d i a mo n d w i r e s a w l e n gth c h o i c e wh e n u n d e rw a t e r d i a mo nd wi r e s a w c u t s s i n g l e o i l a nd g a s pi pe l i ne ． Ke y wo r d s Un d e r wa t e r d i a mo n d wi r e s a w； C u t t i n g ； S i n g l e o i l a n d g a s p i p e l i n e ； Re l i a b i l i t y 海上油气资源作为海洋经济的重要形式之一，是 我国能源供应的一个重要组成部分。 海底管道是海上 油气田的重要构成，进行海底油气管道维修作业时， 可以采用水下绳锯机切断油气管道 。如图 1所 示 ，水下绳锯机 主要 由驱动装置 、进给装置 、张紧装 置、夹紧装置、导向装置、锯弓板框架、切割框架等 组成 。另外 ，水 下绳锯机还包括液压动力源系统 、液 压控制系统 、检测系统 、浮力 系统等 。 金刚石绳锯机在国外 已被用来切割海底油气管 道 ，国内在此领域的研究还很少 。在水下作业时， 金刚石绳锯机切割的油气管道往往直径很大 ，这样需 要消耗的串珠绳锯量很大，串珠绳价格昂贵并且切割 过程中不能更换。怎样完成预计的切割任务并且不浪 费串珠绳锯 ，这就需要对绳锯机的切割可靠性进行研 究。 张 图 1 水下绳锯机结构简图 1 串珠绳锯耐磨可靠性的特征量 绳锯机切割油气管道时，以串珠绳锯切割过程中 与时间有关系的参数 磨损量、磨损速度等为依 据 ，可以确定串珠绳锯耐磨时间的分布规律，具体方 收稿 日期 2 0 1 2 0 21 4 基金项目国家8 6 3 高技术研究发展计划资助项 目 2 0 0 2 A A 6 0 2 0 2 1 2 1 ；中国海洋石油总公司技术发展项 目 C ／ K J F H 0 0 1 2 0 0 5 ；国家 8 6 3高技术研究发展计划资助项 目 2 0 0 6 A A 0 9 A1 0 5 - 4 ；黑龙江省 自然科学基金项 目 E 2 0 0 8 1 5 作者简介王海波 1 9 7 4 一 ，男，博士，副教授，主要从事机电一体化及检测技术方面的研究。Em a i l w a n g h a i b o 1 9 7 4 2 6 1 6 3． c o n。 第 3期 王海波 等 水下绳锯机切割单层油气管道的可靠性研究 1 5 3 法如下所述 。 1 ． 1 串珠绳锯的磨损量和耐磨寿命分析 串珠绳锯在 经过开刃 之后处于稳 定切割 阶段 绳锯稳定磨损 ，此时，绳锯磨损量与时间近似呈 线性关系，并且随着磨损量或时间的增加，其离散性 也越来越大。在一定的切割时间t 内，累计磨损量的 分布规律可以用一个相应的密度函数表示，假设切割 过程中影响绳锯磨损的各因素是独立的，并且它们的 共同作用是叠加而成 ，则可认为串珠绳锯磨损量的分 布密度函数具有正态分布的特征。其分布密度函数为 1 1 ‘ 彘 ’ e 0 埘 0 同理，对于给定的串珠绳锯容许磨损量 W 。 的耐 磨时间分布也符合正态分布，其分布密度函数为 1。 e 0t 1 ] 式中 t 为绳锯在容许磨损量为 W 。 条件下的耐磨时间。 根据可靠性理论 ，绳锯的磨损失效概率为 F t J f d t 于是绳锯切割可靠性为 R ￡ t 1 一 F t 1 一 J ， t d t f t d t 3 容许磨损量已知的串珠绳锯可靠性 当绳锯磨损量为定值时，设绳锯在累积切割时间 为 t 。 时的磨损量分布密度函数为 W ，若绳锯的容 许磨损量为 W 。，则这时绳锯的切割可靠度表达式为 R ， W P W W 式中 W ． 为切割到时间t 时刻绳锯的累积磨损量。 由于绳锯的磨损失效概率为 F ． W f d w 所以绳锯切割可靠度为 R 。 1 一 。 z￡ J 1 一f W d w 4 4 串珠绳锯在给定允许磨损量及可靠性条件下的 耐磨时间 若绳锯容许磨损量 W 定值 及可靠度 冗 W 均已给定，需要确定其耐磨时间 t 。 ，以便能及时进 1 5 8 机床与液压 第4 l 卷 底层运行状态数据并送往处理层；处理层分析和处理 获取的数据，得到对象的特征信息并送入评估层；评 估层实质上是一个专家知识库，主要分为机床基础数 据 、状态评估和性能评估3部分。应用层利用专家知 识库的知识进行推理 ，实现机床故障预警和诊断，并 给 出相应的解决办法。 应用 层 评估 层 ⋯ ⋯ 翥 匠 ⋯ 蒌 ⋯ 图5 数控机床故障预警和诊断系统结构图 该系统的核心是评估层 ，即专家知识库。其中， “ 基础数据”部分，主要涉及机床基本信息、机床资 料和参数信息等，机床基本信息由一组序偶组成 ，机 床资料和参数信息都是多元组，这些特点适合于利用 “ 特性表表示法” 。机床的控制系统及外围部件 的状 态变化表现出的现象以及产生的原因信息，具有典型 的因果关系特征，使用 “ 产生式表示法”表示这部 分知识。在故障诊断和预警时发生的各种状态变化以 及相应的评价，是一系列动态的过程，将其中的状态 评测以及性能评价等作为过程，利用 “ 过程表示法” 实 现评估 。 专家知识库的开发使用 O R A C L E 9 i 数据库技术， 该数据库技术所拥有的强大的管理能力和搜索能力， 足以支持维修专家知识库各种功能表设计及数据查 询，甚至该维修专家系统的许多推理功能都是依赖于 这种强大的数据查询能力实现的。也即维修专家知识 库所使用的各种知识表示法是非常便于使用 O R A C L E 数据库技术 实现 的。 该系统应用在一 台 国产 三坐标 立式加工 中心 上 ， 已成功对该设备液压系统、换刀装置 、Y向传动系统 发生的 5 次故障进行准确诊断，极大地提高了维修效 率。因此，也证明文中所述的知识表示法是准确有 效 的。 4结论 综合应用产生式表示法、过程表示法和特性表表 示法于数控机床维修专家系统的知识表示 ，可以方便 实现模块化，也便于检测出矛盾 的知识和冗余的知 识 ，同时便于实现高效率的推理功能，因此 ，可以有 效地表示出数控机床故障现象、原因及排除方法等维 修所需的知识 。同时，结合现代数据库技术，开发的 专家知识库，将很好地支持数控机床维修专家系统成 为一个真正的专家级维修系统。 参考文献 【 1 】 郑丽敏． 人工智能与专家系统原理及其应用[ M] ． 北京 中国农业大学出版社， 2 0 0 4 ． 【 2 】 尹朝庆， 尹皓． 人工智能与专家系统[ M] ． 北京 中国水 利水电出版社， 2 0 0 1 ． 【 3 】 程伟 良 ． 广义专家系统[ M] ． 北京 北京理工大学出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】 凌志浩． 从神经元芯片到控制网络[ M] ． 北京 北京航空 航天大学出版社， 2 0 0 2 ． 【 5 】 赵春元， 张玉艳， 韩希昌． 基于神经网络技术的故障诊断 专家系统及其应用 [ J ] ． 沈阳化工学院学报 ， 2 0 0 5 2 1 1 6 1 1 9 ． 上接 第 1 5 4页 为9 9 ％，则根据前述可靠性理论 ，采用 M A T L A B 软件可以计算得出此实验用金刚石串珠绳锯的耐磨时 间为 1 7 2 m i n ，此实验绳锯机不能将油气管道切断， 2 ． 6 m的串珠绳锯 的长度 不够，必须加长到 3 ． 9 m 通过第二次切割试验得到了验证 。 6结论 1 根据可靠性理论对绳锯机串珠绳切割单层 油气管道的特性进行了分析。 2 根据实验得到的数据 ，采用可靠性理论对 绳锯机的切割过程进行了计算。结果表明，绳锯机的 串珠绳必须具有一定的长度才能满足某种直径油气管 道 的切割 。 3 对工程中需要切割的油气管道，根据其不 同的直径 ，可以预先选择相应的绳锯长度，从而使油 气管道 的串珠绳锯切割具有更好 的经济性 。 参考文献 【 1 】B E C K M A N T R ，H U L I C K R M． D i a m o n d Wi r e S a w i n g S p e e d s D a m P r o j e c t [ J ] ． I n d u s t r al D i a m o n d R e v i e w， 1 9 9 9 6 2 7 2 2 7 4 ． 【 2 】G A R R A R D R ， P E C O C K S R ， H O R I M． T h e F u t u r e R o l e o f D i a m o n d i n t h e C o n s t r u c t i o n I n d u s t ri a l [ J ] ． I n d u s t r a l D i a ． m o n d R e v i e w， 2 0 0 1 2 1 2 1 1 2 9 ． 【 3 】H A V L E N A W． H i s t o r y O v e r t a k e n b y W i r e S a w i n g T e c h n o 1 ． o g y [ J ] ． I n d u s t r i a l D i a m o n d R e v i e w， 2 0 0 0 ， 6 0 6 77 0 ． 【 4 】 P E N G E R W． D i a m o n d Wi r e S a w C o n t r i b u t i o n t o N e w B e r l i n I n t e r c h a n g e [ J ] ． I n d u s t r i al D i amo n d R e v i e w ， 2 O O 0 ， 6 0 4 4 4 7 ． 【 5 】张岚． 水下金刚石绳锯机设计及原理实验样机实验研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学， 2 0 0 4 ． 【 6 】陈杰． M A T L A B宝典[ M ] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 7 ．