深海管線用超高壓水壓試驗機的研發與應用

隋 健，李培力，劉繼高，馬海寬，寇永樂，王冬梅，薛菲菲

(1. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

·專題綜述·

深海管線用超高壓水壓試驗機的研發與應用

隋 健1，2，李培力1，2，劉繼高1，2，馬海寬1，2，寇永樂1，2，王冬梅1，2，薛菲菲1，2

(1. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

根據高強度深海管線的試壓要求，開發研制出首臺套最大試壓能力達200 MPa和最大管徑Φ323的鋼管水壓試驗機。文章結合Φ323-200 MPa水壓試驗機的主要參數、工藝路線、設備組成和結構特點，針對集成式超高壓增壓系統、聯合增壓系統、模具和高壓部件進行結構優化、對超高壓水路閥控系統、超高壓密封等關鍵技術進行了研發，以達到鋼管試驗要求。

超高壓；水壓試驗機；增壓系統；密封

0 前言

近年來隨著國內外經濟的迅猛發展，各國對能源需求急劇增長，全球范圍內加大了對石油、天然氣的開發與利用。油氣輸送管道作為石油和天然氣的一種經濟、安全、不間斷的長距離輸送工具得到了迅速發展。油氣管道生產過程中水壓試驗是必備工序，沒有經過水壓測試的管道是不能夠出廠應用到實際油氣開采和輸送工程的。因此，任何管道都必須按照API的相關要求進行水壓測試。

當前，油氣資源日益減少，便于開發利用的油氣田幾乎開采完畢，因此開采已逐步轉向環境惡劣的偏遠陸地以及海洋地區的深海區，油氣管道工程對鋼管性能也提出了高強度、高韌性、高可焊性的要求。高強度深海管線滿足海洋油氣管道要求，其試壓壓力也越來越高，甚至高達250 MPa，這就對鋼管水壓試驗機提出了更高的要求。

為此，中國重型院油氣所根據高強度深海管線的試壓要求，開發研制出首臺套最大試壓能力達200MPa和最大管徑Φ323的鋼管水壓試驗機。該設備采用自動控制，具有調整、手動、半自動、自動功能，上位機具有工藝參數的設定、記錄、儲存、調閱，設備現場的運行狀態圖，并具有自動診斷故障等功能。

1 設備主要參數

1.1 產品規格

鋼管外徑/mm 114.3～323.9

鋼管壁厚/mm 4～45

鋼管長度/m 6～14.6

最大鋼管重量/kg 4 200

鋼管最大米重/kg 288

鋼管最大彎曲度/mm·m-14

鋼管端部 兩端光管

1.2 水壓試驗機主要參數

水壓機工作壓力/MPa Max.200

試驗壓力精度 0～100 PSI(最大試驗壓力時)

壓力傳感器的檢測精度/% 0.2

管端密封型式 徑向大間隙密封

保壓時間/s 可調范圍5～300

保壓形式 增壓器連續保壓

充水方式 水泵充液罐

進料方式 上部進料

最大軸向力/kN 12 000

排氣端排氣頭移動距離/m Max.2

排氣端移動小車/m 最大運動距離8

試驗介質 乳化液

裝機功率/kW 500

70～200MPa時，最高頻次15根/h

低于70MPa時，最高頻次90根/h

2 工藝路線

如圖1所示，水壓試驗機從前端臺架取料，檢測到鋼管后由翻料裝置把鋼管送入對齊測長工位-進行對齊、測長-翻料裝置把鋼管送入試壓待料工位-試壓位接料裝置的接料臂上升，鋼管沿接料臂的斜臂條滾入試壓位，接料臂緩慢下降，將鋼管放到夾緊裝置上-夾緊裝置將鋼管夾緊至試壓中心-充水頭、排氣頭前進到管端密封位-徑向預密封抱緊鋼管-充水閥開啟，鋼管充水，直至空氣排出，充水閥、排氣閥關閉-高壓增壓器開始工作，給鋼管內的水加壓，達到預定壓力后切換至超高壓增壓器-超高壓增壓器開始工作，給鋼管內的水繼續加壓-達到設定壓力后按需要的時間保壓，超高壓增壓器停止或繼續工作以補償系統的泄漏，且保持一恒定準確的測試壓力。小流量泄漏檢測系統工作，對鋼管的小流量泄漏進行診斷和報警-完成試壓后，超高壓增壓器通過比例控制斜坡卸壓，超高壓增壓器回退至初始狀態-切換至高壓增壓器，高壓增壓器通過比例控制斜坡卸壓，高壓增壓器回退至初始狀態-當鋼管內部壓力達到一定安全值時，徑向預密封卸壓，松開鋼管，排氣閥打開-充水頭和排氣頭試壓頭回到初始位-夾緊裝置松開鋼管-試壓位出料裝置的出料臂升到最高位置，將鋼管卸出-鋼管沿斜臺架滾到空水工位，試壓位出料裝置的出料臂下降至初始位-空水工位上，鋼管一端抬起，吹氣空水-鋼管一端落下，翻料裝置將鋼管送出(對試壓不合格鋼管發出信號)。

圖1 水壓試驗機的斷面圖Fig.1 Cross-section diagram of hyperpressure hydrotester

3 設備組成和特點

水壓試驗機主要由試壓本體、進出料及空水裝置、對齊測長裝置、夾緊及接出料裝置、機罩、液壓系統和電氣系統等組成。

3.1 試壓本體

試壓本體(圖2，圖3)由充水裝置、排氣小車、機架、高壓增壓器、試壓模具等組成，是水壓試驗機的關鍵部分。

圖2 試壓本體立面圖Fig.2 Elevation diagram of hydrotester’s body

圖3 試壓本體平面圖Fig.3 Layout diagram of hydrotester’s body

充水裝置由充水頭、高壓缸體、超高壓增壓器等組成。用于密封鋼管前端部，進行充水，超高壓增壓時的加壓。充水頭移動300 mm行程，充水管采用伸縮管形式，所有高壓部分均采用集成式布置，減少泄漏點。高壓缸體上設有安全卸荷閥，保證試壓過程中突發情況時的管體壓力緊急卸荷。高壓缸體上同時設有高壓增壓與超高壓增壓時的壓力切換閥，保證聯合增壓過程中的升壓和卸壓。超高壓增壓器的增壓比為1∶7.6，試壓最大能力達到200 MPa。

排氣小車由車體、小車移動裝置、排氣頭、排氣頭驅動裝置及鎖鍵定位裝置等組成。排氣小車由變頻電機減速機驅動，用兩側齒輪齒條機構實現前后的直線移動，可根據測長數據實現鋼管6～14.6 m范圍內自動調整孔位，也可實現操作臺人工調整；排氣頭驅動由液壓馬達驅動齒輪，通過絲杠螺母機構實現排氣頭的直線運動，行程最大達2 m，可滿足鋼管長度在±600 mm范圍內時小車不需要移動，其行走前后均有機械限位保護裝置；鎖鍵定位裝置將排氣小車定位在機架上，通過兩側的插銷將試壓時的軸向力傳遞到機架上。

機架采用對稱工字梁框架結構，試壓時受力中心在工字梁的對稱中心。在工字梁上設有11組調節孔位，以滿足鋼管從6～14.6 m的范圍內變化時排氣小車移動插孔的試壓要求，梁上設有導軌和齒條，滿足排氣小車和排氣頭在其上運行。梁的剛性滿足在最大試驗壓力下密封與管體間無相對移動。

高壓增壓器單獨放置，與高壓缸體連接的所有高壓部分放在地面以下且不外露，確保試壓過程的安全。高壓增壓器的增壓比為1∶3.2，試壓最大能力達到90 MPa。

3.2 進出料及空水裝置

進出料臺架由進料臺架、進料翻板、出料臺架、出料翻板等組成。滿足鋼管在各工位之間的傳遞。

空水裝置由空水升起裝置和吹氣裝置組成。滿足鋼管單邊升起，吹氣空水的要求。

3.3 對齊測長裝置

對齊測長裝置由對齊輥道、對齊擋板和測長小車組成。用于檢測鋼管長度，便于試壓位根據管長調整移動小車位置。

3.4 夾緊及接出料裝置

夾緊及接出料裝置由多組夾緊裝置、接料裝置和出料裝置組成，各部分之間用鏈條連接，用于鋼管的夾緊和鋼管進出試壓工位。夾緊及接出料裝置在機架上部沿鋼管軸向方向上可根據管長變化自動移動。

3.5 機罩

為保證試壓環境的安全，機罩將超高壓試壓部分整體全封閉起來。

機罩內部安裝有操作維修平臺和起吊裝置，便于更換模具和檢修維護。內部多處設有攝像頭，方便清楚觀察試壓過程中設備的運行狀況。

操作室前方安裝有防彈玻璃窗戶，便于直觀的監控試壓過程。

3.6 液壓系統和電氣系統

控制執行元件的動作，滿足設備全自動運行所需的軟硬件條件。

4 關鍵技術和創新點

4.1 集成式超高壓增壓系統

當水壓試驗壓力達到200 MPa后，從增壓器到試壓單元的壓力連接將不能采用傳統的高壓管路連接，因為傳統的管路連接不僅存在管道和管路附件的耐壓瓶頸，同時管路連接增大了增壓容積，而且存在超高壓管路裸露的安全問題。采用集成式超高壓增壓系統(圖4)可以解決上述問題。

圖4 集成式超高壓增壓系統結構圖Fig.4 Structure drawing of compositive hyperpressure supercharging system

集成系統包含超高壓增壓器、高壓缸體和充水頭等，通過控制超高壓增壓器，使管道內部壓力升高，實現管道水壓試驗，沒有超高壓連接管路環節。試壓過程通過承壓塊防止充水頭后退，并將軸向力傳遞到機架上，使整體結構受力更為合理，降低了整體強度要求，減小設備體積。超高壓增壓系統和充水裝置集成為一體，大大減少了泄漏點，沒有管路容積損耗，增壓快速靈敏，提高了增壓效率，降低安全隱患，結構更為簡單，運行平穩可靠。

4.2 聯合增壓系統

試驗壓力從0 MPa增至200 MPa時，所需的增壓容積由一臺增壓器完成時，增壓器的體積會相對龐大，再考慮到少量氣體不易排出，增壓容積至少應達到110 L，設計成集成式的難度增加，同時制造成本翻倍。在實際使用中，常規的鋼管試驗壓力在80 MPa以內，因此，設計時按照此壓力劃分增壓器增壓容積，將增壓過程按照高壓大流量增壓器和超高壓增壓器聯合兩級增壓系統來實現超高壓增壓(圖5)。

圖5 聯合增壓系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of combined supercharging system

高壓增壓器外置，按照增壓比1∶3.2設計，增壓容積為85 L，通過高壓管路與充水裝置上的高壓缸體相連；超高壓增壓器集成在充水裝置上，按照增壓比1∶7.6設計，增壓容積為35 L。兩者在設計中均考慮了一定增壓容積富余量，在增壓和卸壓過程中，兩者之間需要增設切換閥，以保證壓力的二級傳送。

4.3 模具和高壓部件結構優化

關鍵超高壓部件如：模具、充水頭、充水桿、高壓缸體、排氣頭等，先進行耐高壓材料的比選，選出性價比最高的高壓特種材料，設計過程中進行實驗研究以及計算機有限元模擬研究相結合，根據優化結果進行結構創新設計，既提高設備整體性能和使用壽命，又減少企業的設備資金投入，最大限度滿足用戶對于設備的要求。

4.4 超高壓水路閥控系統

壓力從高壓上升到超高壓之后，傳統的水閥和閥芯結構因為結構和材料性能的局限性已不能滿足超高壓環境的使用，需要對充水閥、排氣閥、安全卸荷閥、壓力切換閥等控制超高壓部分的水路閥進行重新設計，在閥口形式、密封結構、開啟方式和材料選型上進行研發，通過理論計算與計算機有限元模擬相結合，達到安全使用的要求。

4.5 超高壓密封

在超高壓密封動態連接部分采用車氏密封，利用多級密封組合達到密封效果。在超高壓平面密封上采用車氏密封，利用徑向密封與平面密封相結合的自密封結構，保證密封的可靠性。

在管端密封處，試驗并開發出專用的大間隙密封圈，既確保鋼管進入試壓模具時密封圈內徑比鋼管外徑大10～15 mm，方便鋼管進入試壓模具，又能在承受200 MPa超高壓力時保證模具密封圈的密封性能，同時在卸壓后密封圈能夠很好的回彈至原始狀態。

5 結速語

Φ323-200 MPa高強度深海管線用超高壓水壓試驗機，是在中國重型院油氣所自主研發的鋼管高壓水壓試驗機的基礎上進一步開發的，其機械、液壓和電氣系統完全具有獨立的自主知識產權。超高壓水壓試驗機達到最大試壓能力200 MPa和最大管徑Φ323 mm的試驗能力，對高強度深海管線生產線和更高要求的無縫鋼管生產線具有重要意義。

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[2] 中華人民共和國機械行業標準.水系統零部件[S].國家機械工業局，1999.

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[4] 劉繼高. 國產首臺全自動高壓水壓試驗機[J].重型機械，2001(01).

[5] 王海紅，劉繼高，王釗，等. 雙管全自動水壓試驗機組的開發[J].鋼管，2007(05).

[6] 寇永樂，劉慧超，谷瑞杰. 大口徑高壓水壓試管機充水質量的研究[J]. 機械工程與自動化，2011(02).

[7] 馬海寬，李培力，劉繼高，等. 高壓水壓試驗機車體有限元拓撲優化分析 [J].機械工程與自動化，2013 (05).

Research and application of hyperpressure hydrotester to deep-sea line pipe

SUI Jian1,2，LI Pei-li1,2，LIU Ji-gao1,2，MA Hai-kuan1,2，KOU Yong-le1,2，WANG Dong-mei1,2，XUE Fei-fei1,2

(1. China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China；2.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，Xi’an 710032，China)

According to the requirements of the high strength and deep-sea line pipe pressure test, this paper developed the first the maximum capacity sets of 200 MPa pressure testing and maximum diameterΦ323 mm steel pipe hydrotester. Combining with main parameters ofΦ323-200 MPa hydrotester, process route, equipment composition and the structure characteristics, in view of the compositive hyperpressure supercharging system, combined supercharging system, die and high pressure parts structure optimization, hyperpressure water-valve control system, such as hyperpressure seal key technology research and development, to meet the requirements of steel pipe test.

hyperpressure；hydrotester；supercharging system；sealing

2015-09-12；

2015-10-10

陜西省科技統籌創新工程計劃項目 (2014ZS-06)；西安市科技計劃項目-技術轉移促進工程(CXY1418)；中國重型院科研項目(K1505405)

作者簡介：隋健(1976-)，男，中國重型機械研究院股份公司高級工程師，主要從事冶金鍛壓設備的研究與應用。

TH137

A

1001-196X(2016)03-0001-05