基于三管水壓試驗機的試壓工藝過程探討

隋 健，李培力，薛菲菲，劉維鴿，馬海寬

(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)

?

基于三管水壓試驗機的試壓工藝過程探討

隋 健1，2，李培力1，2，薛菲菲1，2，劉維鴿1，馬海寬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)

為提高水壓試驗的效率，本文研發了一臺同時對三根鋼管進行壓力試驗的水壓試驗機。文章就三根鋼管同時進行壓力試驗提出合理有效的方案，對試壓的工藝過程進行分析，針對管徑Φ48.3～Φ194 mm定尺鋼管在提高生產效率上的實用性進行探討，滿足設計要求。

三管；水壓試驗機；工藝過程；鏈式輸送機；效率

0 前言

鋼管生產企業為提高市場競爭力，在保證質量的前提下通常會提高生產效率以降低生產成本提高產量。尤其對小口徑鋼管而言，生產效率更至關重要。在小口徑鋼管精整生產線中，鋼管的水壓試驗是生產線的瓶頸，為匹配整條生產線的生產能力，有時會設置兩臺或多管鋼管水壓試驗機組來滿足前后工序的要求。目前針對多管水壓試驗的設備管徑范圍較小(通常在Φ73 mm以下)，試驗壓力較低，上料形式多以上部進料、步進式為主，由于設備主體結構限制，鋼管試壓過程中的夾持點少，無法對高鋼級、更大管徑的鋼管進行試壓。

為此，開發研制出適合油套管生產線的三管水壓試驗機，其管徑范圍Φ48.3～Φ193.7 mm，最大試壓能力70 MPa，最高節奏達280根/h 。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。

其試壓工藝過程的難點主要集中在三根鋼管如何快速的進行進出料動作，對鋼管兩端的密封抱緊和鋼管整長的夾緊固定也提出了快速可靠的要求。

1 設備主要參數

試驗壓力/ MPa max.70

試驗壓力精度/ PSI 0～50(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 U型密封

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 水泵直接充水

進料方式 四梁中部進料

最高頻次/根·h-1280

2 試壓工藝過程

前端臺架存儲至少三根以上的待試鋼管-水壓試驗機通過鏈式輸送機從前端臺架取料，每經過一個取料擋板接進一根鋼管-鏈式輸送機固定轉速旋轉，將三根鋼管分別上料進入各自試壓工位-上部壓緊裝置將鋼管分別壓緊在各自的試壓中心上-充水頭、排氣頭前進到管端U型密封位-各工位的充水閥開啟，鋼管充水，直至空氣排出，充水閥、排氣閥關閉-三臺增壓器分別開始工作，給各自的鋼管內的水加壓-達到設定壓力后按需要的時間保壓-完成試壓后，三臺增壓器通過比例控制斜坡卸壓，并回退至初始狀態-當鋼管內部壓力達到一定安全值時，排氣閥打開，U型密封松開管端-各工位的充水頭和排氣頭試壓頭回到初始位-上部壓緊裝置松開鋼管，鋼管回彈到鏈式輸送機輥道面上-鏈式輸送機旋轉將已經完成試壓的鋼管逐根送出，同時將待試鋼管逐根送入各自試壓位，對試壓不合格鋼管發出信號，如圖1所示。

圖1 三管水壓試驗機的立面圖

3 進出料方式

為滿足三根鋼管同時試壓的要求，就必須將鋼管同時送入三個試壓工位。對比不同水壓試驗機的進料方式，選擇更適合快速、便捷的進出料方式。3.1 鏈式輸送機進出料中部進出料方式的水壓試驗機采用鏈式輸送機進出料，在鋼管軸線上布置三組鏈式旋轉機構組成鏈式輸送機。鏈子沿圓周進行運動，鏈子上裝有擋板用于鋼管上下料，鏈子由馬達或電機減速機驅動鏈輪帶動。鏈子運動時，每經過一個取料擋板接進一根鋼管，隨著鏈子的圓周運動，將三根鋼管分別上料進入各自試壓工位。試壓后的鋼管，隨鏈子運動逐根送出，同時前端逐根進料。鋼管隨鏈子進行滾動，進料和出料動作一次完成，機構動作簡單、運送距離短。該裝置結構相對簡單，能耗低，占地小，適合多工位快速進出料的要求，如圖2所示。

圖2 鏈式輸送機的斷面圖

3.2 步進裝置進出料

下部進出料方式的水壓試驗機采用小步進機構和大步進機構結合的方式，首先小步進機構將鋼管單根送至依次布置的三個待料位，當三個待料位排滿鋼管后，大步進機構一次性將三根鋼管同時送入各自的試壓工位。步進機構根據平行四連聯桿原理，大、小步進機構分別由兩組油缸驅動，實現鋼管的升起-平移-落下-退回。因為有三個試壓工位，為滿足三根鋼管同時進出，故步進距離較長，因此裝置占地面積較大，機構剛性和各平行四連桿的同步性是關鍵點。該裝置結構簡單，能耗高，占地大，制造成本和安裝精度要求較高，節奏較慢，如圖3所示。

圖3 步進裝置的斷面圖

3.3 送料翻轉裝置進出料

上部進出料方式的水壓試驗機采用送料翻轉裝置進料，送料裝置由電機減速機驅動齒輪帶動齒條移動，逐根接料進行移動，當三根鋼管接入送料翻板后，送料裝置一次性送入試壓區域，翻轉裝置在擺動油缸驅動下翻轉90°將三根鋼管后送入試壓工位，送料裝置退回后翻板翻起等待接料。因為有三個試壓工位，為滿足三根鋼管同時進料，故送料距離較長，送料裝置懸臂較大，不適用Φ114.3 mm以上的鋼管進出料。機構剛性和各送料臂的同步性是關鍵點。該裝置結構復雜，能耗高，制造成本和安裝精度要求較高，如圖4所示。

圖4 送料翻轉裝置的斷面圖

對比上述三種不同形式的進出料結構和方式，鏈式輸送機進出料具有更好的適用性，在工作效率、節能減排、占地布置、安裝檢修上具有明顯優勢。

4 夾持裝置

根據上述的鏈式輸送機進出料方式，鋼管的夾持采用多組壓緊裝置完成，壓緊裝置由油缸驅動向下同時壓緊三根鋼管，不同規格的鋼管更換不同的夾具，夾具為上下半圓形。鋼管通過運輸鏈傳送時，沿平面軌道滾動，當三根鋼管同時到達試壓位時，壓緊裝置下壓。

下部支撐裝置采用彈簧復位機構，當壓緊裝置壓下時，支撐裝置隨鋼管下移至下半部夾具內，上下夾具合為整圓時即為鋼管的試壓中心；當壓緊裝置松開后，鋼管下面的支撐裝置在彈簧作用下頂起鋼管至平面軌道高度，滿足鏈式輸送機進出料要求，如圖5所示。

圖5 支撐裝置結構圖

5 管端結構及密封

根據試驗的管徑和壓力要求，管端密封適合采用徑向U型密封，通過水泵充水壓力即滿足初始兩管端的密封，減少使用大間隙密封時的預密封壓力，簡化水系統結構。使鋼管在充水后迅速升壓，提高升壓速度，如圖6所示。

充水端采用分體式充水頭，三部分統一安裝在充水移動小車上，整體移動，便于維護和拆裝。

圖6 U型密封結構圖

排氣端采用各自獨立的排氣頭，分別由油缸單獨驅動前后移動，滿足定尺管在±500 mm范圍內的試壓、定位要求。排氣端可以根據管長變化整體移動，通過四個插銷固定在四根大梁上。

6 結速語

對三管水壓試驗機的研制主要集中在進出料裝置上，通過對比分析已有的多種進出料方式，確定合理簡便的結構形式，進而確定了整個三管水壓試驗機的試壓工藝過程，最高試驗節奏達280根/h。相應選擇壓緊夾持裝置，滿足鋼管軸向上的固定，并采用U型密封來提高密封抱緊鋼管的速度。整體工藝滿足管徑Φ48.3～Φ194 mm定尺鋼管在生產線上的試壓節奏要求，提高了整個生產線的生產效率，對提高相關企業的經濟效益具有顯著效果。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2] 國家機械工業局.JBT 2001.73-1999水系統零部件[S].北京：中國標準出版社，1999.

[3] 美國石油學會. 中國石油天然氣集團公司管材研究所(譯)套管和油管規范API Spec5CT[Z]. API Publishing Services.2006.

[4] 楊寶光.鍛壓機械液壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2000.

[5] 俞新陸.液壓機的設計及應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6] 俞新陸.液壓機[M].北京：機械工業出版社，1982.

[7] 王仲仁，苑世劍，胡連喜.彈性與塑性力學基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.

[8] 李培力，侯永超，劉繼高.超高壓水壓試驗機高壓缸體的有限元分析[J].機械工程與自動化，2006(04)：48-50.

[9] 劉繼高.國產首臺全自動高壓水壓試驗機[J].重型機械，2001(01)：9-11.

[10]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)：22-26.

[11]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):100-103.

[12]寇永樂，劉繼高，隋健，等.大口徑水壓試管機端面密封形式研究[J]. 機械工程與自動化，2013(01)：120-121.

[13]李培力，侯永超，隋健，等.大口徑鋼管水壓試驗機試壓節奏分析[J]. 機械工程與自動化，2011(01)：112-113.

[14]寇永樂，劉繼高，隋健，等.大口徑水壓試管機端面密封形式研究[J]. 機械工程與自動化，2013(01)：120-121.

[15]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)：70-71.

[16]寇永樂，李培力，隋健，等.往復式增壓器在大口徑高壓水壓試管機中的應用[J]. 機械工程與自動化，2013(06)：172-173.

[17]馬海寬，李培力，張一凡，等.40 MN內高壓脹形機機架有限拓撲優化分析[J]. 重型機械，2014(4)：66-69.

Discussion in craft process of pipe pressure testing of three-pipe hydrotester

SUI Jian1，2，LI Pei-li1，2，XUE Fei-fei1，2，LIU WEI-ge1,MA Hai-kuan1,2

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

This article put forward a reasonable and effective plan, and carried out a three pipe pressure hydrotester to improve the efficiency of the hydraulic pressure test. It analyzed the technological process of the pressure testing, the efficiency practicability of the diameter ofΦ48.3～Φ194mm length of steel tube is discussed, it showed that which could meet design requirement.

three-pipe；hydrotester；technological process；chain conveyor；efficiency

2016-09-26；

2016-10-19

陜西省科技統籌創新工程計劃項目 (2014ZS-06)； 中國重型院科研項目(K1505405)

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。

TP393

A

1001-196X(2017)03-0067-04