管节点马鞍口加工工艺及工程应用

管节点马鞍口加工工艺及工程应用
摘要：近10年来，由于管节点加工设备和工艺的进步，钢管结构物正越来越多的被应用于各个行业当中，比如海洋平台的基础结构——导管架，即全部由管结构构成，另外如大型履带吊吊臂也多由管结构构成。

随着各种管节点切割机的出现，管节点在大型工程中的应用越来越广，效率也越来越高。

但是，在小型工程中，马鞍口的数量并不是很多，也不并是很复杂的情况下，如果使用机械化的加工方式，加工成本反而增大了，不利于提高加工效益。

在这种情况下，采用人工加工马鞍口坡口的方法更便捷，经济效益非常明显。

因此，本文详细叙述了人工进行马鞍口样板制做和马鞍口加工的详细过程。

关键词：马鞍口坡口线相贯线经济效益
马鞍口样板的制作
管结构的加工难点在于管节点的加工。

这是因为，一是管节点的相贯线是空间曲线，必须要放样，二是为了使管节点全熔透，必须在管端开出坡口，坡口线的绘制必须要借助电脑在立体模型中完成，有一定的技巧和难度。

本条给出了管节点马鞍口的相贯线和坡口线的绘制方法。

相关名词的定义
一般来讲，马鞍口的相贯线和坡口线的形状与两个管的轴交角的大小有关，下面我们以支管Ø114×10和主管Ø219×10相交、轴交角30度为例，讲解一下马鞍口的相贯线和坡口线的定义，相贯线是指支管的内壁与主管的外壁所交成一个三维的曲线，而坡口线相对比较复杂，它是指在支管开完坡口后，在支管的外壁上所形成的一条三维曲线。

如图1所示：
图1
首先，我们介绍一下与本程序有关的几个主要名词的定义：
管节点：支管与主管相交构成管节点，如图2所示：
图2
马鞍口：两个相交钢管中，支管被主管截取的断面形状酷似马鞍，称为马鞍
口。

如图3所示：
图3
坡口：为达到节点的全熔透，需要在管子厚度方向上开出坡口，在管节点中，支管的内壁和主管相交即为相贯线，由于开坡口的原因，外壁不会与主管相交，在外壁上形成一个三维曲线即为坡口线。

如图4：
图4
坡口角：一般是指开坡口后，坡口面与水平面的二面角的大小。

管节点坡口角、二面角：一般是指过支管的中心轴作一个平面A，平面A 与支管的内壁和外壁分别形成交线X和Y，并在主管上切出一个椭圆，椭圆与管节点马鞍口相贯线有一个交点B，过B作椭圆的切线BC，BC与Y交于N，并在X线上找一点M，在平面A 内，∠MBC大于90度则把切线BC按逆时针方向旋转45度至BD线，若∠MBC小于90度则旋转∠MBC的一半，且一般不小于15度，则∠CBD为管节点的坡口角。

另外，过B点作一个平面B且与主管相切，则平面A和B的二面角为管节点二面角。

管节点坡口角公式：设坡口角为α，
若∠MBC90°则α=45° （公式二）如图5所示：
图5
马鞍口样板制作过程
本程序主要是在Inventor和CAD的程序中完成的，它的主要用途为节省了制图的时间和速度，能够更快更好的把马鞍口的展开线绘制出来。

首先在Inventor中新建一个零件的模型，用拉伸命令建立两个管件的相交模型，在支管上建立一个过其中心轴的面A，如图6所示：
图6
用阵列命令以中心轴为旋转轴把这个A面阵列成若干等分（以6等分为例），如图7所示：
图7
在阵列的不同面中，为了便于作图，我们按照圆周角的大小，对它们进行了划分，我们把坡口角最小的面所对应的圆周角设为零度，把坡口角最大的面所对应的圆周角为180度，以图7为例：D面所对应的圆周角为0度，C面所对应的圆周角为30度，B面所对应的圆周角为60度，A面所对应的圆周角为90度，E面所对应的圆周角为120度，F面所对应的圆周角为150度，G面所对应的圆周角为180度，如图所示：X方向为圆周的弧长，Y方向上为我们下面要测量的长度：
图8
其次，在阵列的每个平面上分别建立草图，并做出他们的坡口角。

下面我们以A平面为例介绍一下坡口角的做法：首先，在A平面内做一个二维草图，在“二维草图面板”上点击“投影几何图元”按钮，则投影线在平面A上显示；然后，在平面草图上点击右键，选择“剖切图形按钮”，则管节点被A面切开的断面显现出来，如图8所示：
图9
再次，设平面A 与主管外壁相交的椭圆线为E，平面A与支管的内壁和外壁相交的直线分别为X 和Y，并在直线X上找一点M，设椭圆E与支管内壁相交与B点，过B点做椭圆E的切线BC，然后在平面A内测量∠MBC的大小，若∠MBC>90°则坡口角的大小按照（公式二）进行计算；若∠MBC<90°则坡口角的大小按照（公式一）进行计算。

以平面A为例，其中∠DBC即为坡口角，如图9所示：
图10
最后，也是最重要的一步，就是要在我们建立的模型中测量我们所需要的数据，首先，设直线X 、Y在与支管端与内外壁的交点分别为P、Q；其次，在我们建立的模型中分别测量出线段PB和QN的长度，并把它们记录下来，其他几个面也按同样的方法作出它们的坡口角和测量出它们的母线长度，如图11 所示：
图11
再次，我们把已经测得的数据填进一个表格，统计好它们所对应的圆周角的度数，把它们一一对应的输入到AutoCAD中，用我们已经测得的母线长度，以及它们所对应的圆周角找出展开线所对应的点，用样条曲线绘制出我们所需要的马鞍口展开线，如图12所示：
图12 马鞍口坡口线展开图
管节点马鞍口样板图实例
以下是我们给出的我们已经做出来的模型和相关数据，以供参考：
图13马鞍口模型图
通过图13我们可以测量出我们所需要的数据，然后把这些数据编制成表格，以轴交角为30度，把圆周角12等分为例，如表1所示：
图14 马鞍口样板图
（轴交角为30度，其中黄色线代表相贯线，绿色线代表坡口线）将上面的样板图采用1:1的比例打印出来便可使用。

马鞍口的加工
样板的加工
将样板图打印到图纸上之后，便可以进行样板的制作。

可以将图纸和样板纸重叠，按照破口线和相贯线分别进行剪切即可。

需要注意的是，我们在绘制样板图时将马鞍口的坡口线和相贯线绘制到了一起，需要在制作样板时分开制作，以方便在切割坡口时使用。

管节点马鞍口的加工
根据坡口线和相贯线距离基准端部的远近，先切割距离基准端部较远的坡口线（或相贯线），再切割距离基准端部较近的坡口线（或相贯线）。

切割工作是一项熟练技术活儿，应有手把切割较好的工人切割，这样成型后的坡口更加美观，且焊接时也更加节省焊材。

在切割加工中要特别注意的是，在样板图上如果坡口线和相贯线有相交的地方出现，则应分别用不用颜色的笔在管子上划线，方便切割时分辨。

结语
马鞍口的手工加工方法比较繁琐，但是原理很简单，绘制样板图时仅需要使用电脑、三维绘图软件等简单工具和软件；切割加工时仅需要使用简单的手把气割枪即可，由工人手工操作，非常简单。

因此，这种简单而较为原始的马鞍口加工方法对于加工制造现场的工程技术人员和工人都比较容易掌握。

对于加工量特别大的时候是不适用的，其缺点就是机械化程度低，效率较低，没有经济效益。

但是对于小型工程或加工工作量较小时，其优点是显而易见的，加工工艺简单，易于操作，不必使用价格昂贵的马鞍口切割机，但是操作数量以后依然能够得到非常理想的效果，坡口美观，节省焊材，此时经济效益非常好。

参考文献：
API RECOMMENDED PRACTICE 2A-WSD (RP-2A-WSD) TWENTY-FIRST EDITION, DECEMBER 2000
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。