異型閥門檢驗(yàn)夾持方法的研究

李祚，南斌，王亮，張中垚，李東東，邢金濤

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

異型閥門檢驗(yàn)夾持方法的研究

李祚，南斌，王亮，張中垚，李東東，邢金濤

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

通過對(duì)所檢驗(yàn)的異型閥門種類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)異型閥門的夾持難點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)閥門共性，研究了剎車片式和活塞桿式兩種夾持方法，提出液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)以集成化、標(biāo)準(zhǔn)化及盡量減少發(fā)熱量和噪聲為主要目標(biāo)。采用該套夾持系統(tǒng)后，作業(yè)人員在啟閉閥門手輪的環(huán)節(jié)節(jié)省了大量的時(shí)間，極大地提高了工作效率。

異型閥門檢驗(yàn)；夾持；剎車片式；活塞桿式

閥門壓力試驗(yàn)是指通過對(duì)閥門充壓來檢驗(yàn)其強(qiáng)度和密封性，長(zhǎng)慶油田每年入庫(kù)壓力試驗(yàn)的閥門約18萬只，其中異型閥門的檢驗(yàn)一直是一個(gè)難題。

1 異型閥門及其檢驗(yàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 異型閥門簡(jiǎn)介

異型閥門特指形狀結(jié)構(gòu)奇特的小通徑閥門，主要為針形截止閥和球閥，公稱通徑為3、6、10、15、20、25、32、40mm，公稱壓力1.6～42MPa，多用于石油天然氣工藝管路上，起儀表測(cè)量、取樣、截?cái)嗟茸饔茫兄蓖ㄊ健⒔鞘健愝S式、三通式等多種，連接方式主要為內(nèi)螺紋、外螺紋、卡套、焊接，材料主要為不銹鋼和少量銅制[1]。

1.2 現(xiàn)有檢驗(yàn)技術(shù)

液壓伺服系統(tǒng)控制機(jī)械夾具進(jìn)行加持、上下頂壓對(duì)夾固定閥門，利用端面密封，由液壓管路系統(tǒng)充壓（泄壓）進(jìn)行壓力試驗(yàn)。上下對(duì)夾的方式只能解決直通式的閥門試驗(yàn)，對(duì)非直通式閥門檢驗(yàn)存在困難。

2 異型閥門固定的必要性分析

2.1 新的檢驗(yàn)技術(shù)

為解決非直通式閥門檢驗(yàn)問題，找到了一種快速螺紋連接器，解決了閥門與設(shè)備的連接問題。閥門與設(shè)備的連接如圖1所示。然而光解決連接密封問題還不夠，還需要解決異型閥門的固定問題。

圖1 壓力試驗(yàn)示意圖

2.2 閥門固定的必要性

1）安全風(fēng)險(xiǎn)：試驗(yàn)中不固定，閥門存在飛出傷人的風(fēng)險(xiǎn)。

2）勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢驗(yàn)效率低下：不固定，就只能用手?jǐn)Q啟閉閥門[2]。由于手輪較緊，十分費(fèi)勁，每天需要啟閉100余只閥門，固定后可以使用小扳手，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

3 夾持技術(shù)難點(diǎn)

通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致異型閥門難以固定的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異型閥門除了角式和三通式，還有異軸式、直流式、柱塞式等多種。這些奇形怪狀的閥門難以找到夾持面，也是所要解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。

2）種類繁多，異型閥門其結(jié)構(gòu)形狀、連接形式不同的異型閥門上百種，且每一種供貨數(shù)量懸殊，若每種都定制夾持裝置，則制作的周期過長(zhǎng)，影響檢驗(yàn)進(jìn)度。

3）規(guī)格不一，公稱通徑為3、6、8、10、15、20、25、32mm多種。

4 夾持方法研究

可將夾持裝置的研制分為3個(gè)步驟：尋找共性→選擇夾持方法→設(shè)計(jì)制造。

4.1 對(duì)閥門分類，尋找共性

考慮到現(xiàn)有的技術(shù)單獨(dú)做出一種閥門的夾持裝置是完全可實(shí)現(xiàn)的，而針對(duì)不同種類的閥門，可以考慮找出其共性來設(shè)計(jì)。每年入庫(kù)質(zhì)量檢驗(yàn)的異型閥門約6萬只，按照形狀結(jié)構(gòu)相似程度，占數(shù)量90%的閥門可分為八大類（圖2）。

圖2 閥門分類

4.2 選擇夾持方法

4.2.1 閥桿螺母端蓋處夾持

通過分析閥門結(jié)構(gòu)，找到了閥門的共性之一：閥桿螺母處端蓋。大部分閥門螺母的端蓋形狀都為六方形，且尺寸相近。可選擇此處，通過油缸，推動(dòng)活塞桿進(jìn)行夾持。然而通過進(jìn)一步分析，由于端蓋較薄，夾持此處容易導(dǎo)致端蓋和閥桿變形，同時(shí)可能導(dǎo)致端蓋松動(dòng)。因此該方案排除。

4.2.2 剎車式夾持

剎車式夾持是一種柔性?shī)A持。利用杠桿原理，驅(qū)動(dòng)力通過滑動(dòng)桿的移動(dòng)，傳遞給夾持塊，進(jìn)行夾持。適合于有一定夾持空間的異型閥門，如平行平面、曲面和具備可夾持部件的閥門（圖3）。

圖3 剎車片式夾持

4.2.3 活塞桿式夾持

對(duì)于這些多種多樣的面，按照常規(guī)夾持方法不能滿足所有的閥門，因此聯(lián)想到多點(diǎn)固定的方法。設(shè)想用多根柔性小柱子頂著閥門[3]，一部分小柱子頂在閥門的面上，另一部分小柱子穿插在閥門的空隙之間，兩部分一起配合，固定住閥門（圖4）。

圖4 活塞桿式夾持設(shè)想

4.2.4 剎車片+活塞桿式夾持

由于單獨(dú)選擇剎車片式或活塞桿式都不能全部滿足8類閥門的夾持，而將它們組合在一起則可以滿足，因此聯(lián)想到可以將兩種夾持方式結(jié)合。根據(jù)閥門種類數(shù)量不同，選擇了4個(gè)剎車片式夾具，2個(gè)活塞桿式夾具。工作臺(tái)方案的設(shè)想見圖5。平臺(tái)整體尺寸1 900 mm×1 150 mm×295 mm；人站立操作高度1 200 mm；工位間隔200 mm。

圖5 工作臺(tái)設(shè)想

4.3 設(shè)計(jì)制造

4.3.1 剎車片式

1）省力杠桿式和等臂杠桿式的選擇，剎車片式夾持裝置可以設(shè)計(jì)成省力杠桿式，也可以設(shè)計(jì)成等臂杠桿式。若使用省力杠桿，在驅(qū)動(dòng)力相同的情況下，夾持力更大，可能導(dǎo)致閥門擠壓變形，因而選擇設(shè)計(jì)成等臂杠桿式[4]。

2）夾具的組成設(shè)計(jì)和動(dòng)作原理，由夾持塊、夾持板、支撐底座、導(dǎo)向桿、氣缸等組件組成，其三維結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 夾具的組成設(shè)計(jì)

利用杠桿原理，氣缸增壓，使滑動(dòng)桿移動(dòng)，帶動(dòng)活動(dòng)板，使夾持部分收攏，夾持塊夾持住閥門。導(dǎo)桿滑套采用線性軸承，導(dǎo)向桿退回卸下閥門。

3）夾具的整體圖紙和技術(shù)要求。夾持裝置尺寸設(shè)計(jì)為387 mm×108 mm×265 mm，整體材料為不銹鋼，其結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 夾具整體圖紙

4）氣缸固定塊、活動(dòng)板、滑動(dòng)桿設(shè)計(jì)，氣缸固定塊和活動(dòng)板均設(shè)計(jì)成倒梯型，方便夾持。氣缸固定塊設(shè)3個(gè)孔，分別固定2個(gè)線性軸承和1個(gè)氣缸，活動(dòng)板設(shè)3個(gè)孔分別固定3根活動(dòng)桿。

5）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從控制氣源過來的7 bar的壓縮空氣，經(jīng)過過濾調(diào)壓油霧器，接著經(jīng)過SMC高壓電氣比例閥，壓力值可以在電腦上進(jìn)行任意設(shè)定，接著進(jìn)入氣缸，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，常閉電磁閥關(guān)閉，氣壓帶動(dòng)活動(dòng)板向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，夾緊閥門。當(dāng)需要釋放時(shí)，系統(tǒng)中的常開電磁閥打開，氣壓減小，活動(dòng)板向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，將夾持裝置的壓力自動(dòng)卸掉（圖8）。

4.3.2 活塞桿式

1）夾具的組成設(shè)計(jì)和動(dòng)作原理。主要由行程調(diào)節(jié)液壓缸、夾緊柱塞缸、柔性?shī)A緊頭（保護(hù)工件表面不被夾傷）、支撐底座等組件組成。夾持時(shí)液壓缸對(duì)活塞桿施加壓力[5]，推動(dòng)兩側(cè)所有活塞桿頂緊閥門。一部分活塞桿與閥門接觸，橫向夾緊閥門，另外一部分活塞桿穿插在閥門空隙間，縱向固定閥門，進(jìn)行壓力試驗(yàn)完畢后，液壓缸泄壓，柱塞活塞桿退回，卸下閥門（圖9）。

圖8 氣壓驅(qū)動(dòng)原理

圖9 活塞桿式夾持原理

2）夾具的整體圖紙和技術(shù)要求。夾持裝置尺寸設(shè)計(jì)為91 mm×60 mm×55 mm。由前后端蓋、研磨管、活塞桿、墊片、密封圈、封板、頂絲等組成，整體材料為不銹鋼，其結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 主視圖與剖視圖

3）活塞桿、研磨管設(shè)計(jì)。夾緊柱塞采用直徑6 mm、長(zhǎng)85 mm的活塞桿，一套裝置共采用16根活塞桿，活塞桿采用不銹鋼，柱塞端部采用柔性橡膠頭（避免夾傷工件）。

4）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。閥門夾持裝置的液壓系統(tǒng)主要由電磁閥、油泵、溢流閥、電磁換向閥、濾油器、液壓缸、壓力表和單向閥等的組成。液壓系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 液壓柱塞式夾持液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用卸荷保壓回路設(shè)計(jì)，有效地控制了連續(xù)開機(jī)條件下液壓油的溫升，節(jié)省了試驗(yàn)過程中的能耗，并提高了液壓密封元件的壽命。電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)備控制和操作的要求，所有操作可以方便地在操作面板上進(jìn)行，在夾緊操作中可以方便地觀察儀表盤主油泵壓力表和增壓表的顯示進(jìn)行監(jiān)視操作。在設(shè)計(jì)的過程中，按照集成化、標(biāo)準(zhǔn)化以及盡量減少發(fā)熱量和噪聲為主要目標(biāo)進(jìn)行安排和布置。

5 應(yīng)用效果

通過使用活塞桿式夾持裝置和剎車片式夾持裝置，隨機(jī)對(duì)152只異型閥門進(jìn)行夾持，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)抽查，發(fā)現(xiàn)能完成88%的閥門夾持。

表1 閥門夾持試驗(yàn)結(jié)果

1）夾持速度。經(jīng)過對(duì)5名檢驗(yàn)員每人20次的測(cè)試可以得出：每只閥門的夾持平均耗時(shí)20 s，最長(zhǎng)耗時(shí)35 s。表2是夾持裝置最終的測(cè)試情況。

表2 夾持異型閥門用時(shí)測(cè)試

2）安全性。夾持牢固可靠，在試驗(yàn)過程中，未出現(xiàn)閥門脫落飛出現(xiàn)象。

3）提高檢驗(yàn)效率。采用這套夾持系統(tǒng)后，作業(yè)人員在啟閉閥門手輪的環(huán)節(jié)節(jié)省了大量的時(shí)間，極大地提高了工作效率。

[1]全國(guó)閥門標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).針形截止閥：JB/T 7747—2010[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]全國(guó)閥門標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).工業(yè)閥門壓力試驗(yàn)：GB/T 13927—2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3]中國(guó)石油化工集團(tuán)施工技術(shù)淄博站.閥門檢驗(yàn)與管理規(guī)程：SH 3518—2013[S].北京：中國(guó)石化出版社,2013.

[4]孫廣聚,王明義,劉玉臣.閥門密封試驗(yàn)裝卡方式的分析與探討[J].閥門,1996（2）：7-12.

[5]陸培文.閥門的試驗(yàn)與檢驗(yàn)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.

The clamping difficulties of special-shaped valves are analyzed through the statistics of the types of the special-shaped valves tested and the structural characteristics of the valves.Two clamping methods of brake plate and piston rod are studied according to the general characteristics of the valves,and the design plan of the hydraulic system is proposed.The design of the clamping system aims at integration,standardization and minimizing heat and noise.The use of the clamping system saves a great deal of time for operator in the process of opening and closing the handwheel of the valve,and greatly improves the work efficiency.

special-shaped valve testing；clamping;brake pad type;piston rod type

2017-05-11

李祚（1990-），男，主要從事油氣田機(jī)械產(chǎn)品及特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。