鋼管水壓試驗機大間隙密封原理及應(yīng)用

丁 超，邵紫艷

（1.寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安710201；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 銷售總公司，陜西 寶雞721008）

鋼管水壓試驗機大間隙密封原理及應(yīng)用

丁 超1，邵紫艷2

（1.寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安710201；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 銷售總公司，陜西 寶雞721008）

為了提高鋼管水壓試驗的工作效率，延長水壓試驗中密封系統(tǒng)的使用壽命，設(shè)計了一種組合式大間隙徑向密封。該大間隙密封由聚氨酯支撐膠環(huán)，扇形塊和L形塊組成。介紹了大間隙徑向密封的設(shè)計原理，分析了影響大間隙密封使用壽命的因素，并給出了相應(yīng)的解決措施。實際使用結(jié)果表明，該組合式大間隙徑向密封有效地滿足了油套管高壓力水壓試驗機的技術(shù)要求，現(xiàn)場使用壽命超過了3 500次，具有不損傷鋼管、節(jié)奏快等優(yōu)點。

鋼管；水壓機；大間隙密封；壽命影響

Abstract:In order to improve the work efficiency of steel pipe hydrostatic test,extend the service life of sealing system in hydraulic pressure test,a kind of combined large gap radial seal was designed.This large gap seal was composed of polyurethane support rubber ring,fan-shaped block and L-shaped block.In this article,it introduced the design principle of large gap radial seal,analyzed the factors affecting the service life of the large gap seal,and gave the corresponding solution measures.The practical use results showed that the combined large gap radial seal effectively meet the technical requirements of tubing and casing high pressure hydraulic testing machine,the field service life exceeds more than 3 500 times,has the advantages of no damage to steel pipe,fast cadence etc.

Key words:steel pipe;hydraulic tester;large gap seal;effects of working life

鋼管水壓試驗機是廣泛應(yīng)用于鋼管行業(yè)的大型自動化檢測設(shè)備[1]，目的是檢測鋼管缺陷，消除管體殘余應(yīng)力，檢驗接箍和管體連接密封性[2]。水壓試驗有兩種密封形式，即徑向密封和端面密封。端面密封適用于25 MPa以下試壓條件，高于25 MPa則采用徑向密封[3]。油套管的水壓試驗屬于高壓試驗，傳統(tǒng)的徑向密封圈與鋼管間隙較小，鋼管進出時加劇了密封圈的磨損，縮短了其使用壽命[4]。本研究介紹了一種大間隙徑向密封技術(shù)，通過研究鋼管水壓試驗的工作過程，分析大間隙徑向密封的設(shè)計原理，了解了該技術(shù)的優(yōu)勢和特點。

1 鋼管水壓工藝過程

鋼管水壓機結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼管進行水壓試驗前，接箍抱卡、抱卡關(guān)閉抱緊鋼管。預密封水路作用在大間隙密封上密封住鋼管兩端。沖水閥、排氣閥打開，水壓機系統(tǒng)向鋼管注入打壓液。經(jīng)過3 s的沖水時間，排氣閥、沖水閥先后關(guān)閉[5]。增壓器開始工作，高壓水壓力作用在大間隙密封上高壓密封住鋼管兩端。水壓壓力不斷增加，達到設(shè)定壓力后開始保壓，穩(wěn)壓達到規(guī)定的時間后，排氣閥打開卸荷，完成水壓試驗。

圖1 鋼管水壓機結(jié)構(gòu)示意圖

靜水壓試驗中，高壓水作用在大間隙密封膠圈外沿和Y形密封，膠圈外延產(chǎn)生形變，沿著工裝方向壓緊工裝和試壓頭，同時Y形密封也產(chǎn)生形變，沿著工裝徑向方向壓緊工裝和試壓頭。在水壓試驗過程中，大間隙密封、Y形密封、工裝與試壓頭組成密封腔，保證高壓水不會從工裝和沿鋼管徑向方向泄露。

高壓水作用在大間隙密封上，使得大間隙密封徑向壓縮，內(nèi)徑抱緊鋼管外壁，防止高壓水沿鋼管方向泄露，確保了水壓試驗過程中的密封[6]。作用在大間隙密封和Y形密封上的壓力與鋼管內(nèi)水壓壓力保持一致，確保了密封效果。水壓試驗結(jié)束后，開始泄壓，大間隙密封迅速恢復到初始狀態(tài)。大間隙密封的工作原理如圖2所示。

圖2 大間隙密封工作原理圖

2 水壓機大間隙密封的設(shè)計原理

水壓機工作介質(zhì)為水溶性乳化液，潤滑性差加之壓力較高，一旦密封不好就會直接影響正常試壓，甚至帶來安全隱患[7]，因此對大間隙密封的可靠性提出了較高要求。

大間隙密封由聚氨酯支撐膠環(huán)，扇形塊和L形塊組成。可以滿足最高壓力140 MPa的使用要求。同種規(guī)格的密封圈可適用一定范圍內(nèi)鋼管外徑的變化。試驗前，大間隙密封處于初始狀態(tài)，鋼管可自由進出。鋼管進出順暢，不會損壞密封，同時密封對鋼管表面沒有損傷。大間隙密封的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 大間隙密封結(jié)構(gòu)示意圖

大間隙密封的結(jié)構(gòu)具有以下特點：

（1）大間隙密封在初始狀態(tài)，膠環(huán)的內(nèi)徑、扇形塊和L形塊內(nèi)徑尺寸一致，膠環(huán)在高壓水的作用下，對大間隙密封施加外力，使得聚氨酯膠環(huán)徑向收縮，L形塊和扇形塊相互配合起到支撐作用，緊抱鋼管封住水壓；當外力去除后，膠環(huán)因有良好的回彈特性，迅速恢復到初始狀態(tài)。

（2）大間隙密封的兩個扇形塊之間的距離，決定了能適應(yīng)的鋼管直徑范圍。大間隙密封適應(yīng)的最小外徑規(guī)格為扇形塊落在鋼管外表面時，其圓周方向上的間隙為零，鋼管最大外徑要小于膠環(huán)的內(nèi)徑。一般設(shè)計時會留一定余量，近似使用膠環(huán)的內(nèi)徑尺寸作為大間隙密封的規(guī)格代號。寶雞石油鋼管有限責任公司西安專用管公司現(xiàn)場使用的大間隙密封分為9種規(guī)格，涵蓋了Φ60.3～Φ177.8mm鋼管的生產(chǎn)，具體規(guī)格明細見表1。

表1 大間隙密封規(guī)格明細表

大間隙密封適應(yīng)的鋼管直徑不能過大，過大會降低大間隙密封的剛性，影響其使用壽命；過小則會導致鋼管直徑規(guī)格種類繁多，給現(xiàn)場管理帶來不便。

（3）扇形塊背部有銷軸，安插在膠環(huán)上。解除壓力時，L形塊有利于大間隙密封復原。

（4）L形塊用來防止膠環(huán)壓縮時扇形塊擠壓到扇形塊之間的聚氨酯橡膠環(huán)，與扇形塊共同起到了支撐作用，增強了膠環(huán)徑向方向上的剛性。

（5）大間隙密封在初始狀態(tài)時，膠環(huán)與鋼管的外表面有足夠大的間隙，這樣可以保證鋼管在進出時不會磨損密封，提高了生產(chǎn)效率，保證了密封的使用壽命[8]。

3 大間隙密封使用壽命影響因素

3.1 大間隙密封本身的材質(zhì)

大間隙密封的使用環(huán)境為高壓乳化液，膠圈的邵氏硬度為95～97，硬度不夠，則保證不了高壓下大間隙密封使用壽命的要求；膠圈要有良好的抗沖擊性能、耐磨、滿足反復使用的要求；膠環(huán)要有良好回彈性和韌性，否則膠環(huán)容易產(chǎn)生疲勞，影響大間隙密封的使用壽命；水壓機打壓試驗的介質(zhì)為乳化液，膠環(huán)采用改性增強聚氨酯，克服了聚氨酯不耐水的缺點[9]；L形塊和扇形塊的材質(zhì)要求強度適中，能承受高壓，但硬度不能過高，否則會損傷鋼管，耐磨性要好。

3.2 大間隙密封加工尺寸精度

膠環(huán)要有一定的外形尺寸精度。直徑過大，安裝時容易損傷膠環(huán)，影響大間隙密封圈的使用壽命和日常更換；大間隙密封厚度過大、過小都會影響工裝和試壓頭的配合，導致膠圈外延的預緊力過大或者過小，影響大間隙密封的正常使用；橢圓度不合格也容易造成膠環(huán)形變不均勻，影響大間隙密封使用壽命；L形塊和扇形塊表面要有良好的粗糙度和加工精度，否則會影響密封效果。

3.3 工裝與試壓頭的加工精度

大間隙密封膠圈外沿和Y形密封的配合使用，使得工裝與試壓頭組成密封腔。工裝和試壓頭的加工精度不高，或者表面生銹，甚至產(chǎn)生劃痕都會影響大間隙密封的使用壽命。在工裝和試壓頭的機械加工中，要求表面精度為Ra1.6[10]，材質(zhì)選擇為42CrMo，材質(zhì)中含有Cr，能有效預防生銹。定期對工裝和試壓頭的密封面用細砂紙打磨，保證使用精度。

3.4 抱卡的影響

水壓試驗機一共有7組抱卡。當抱卡機構(gòu)出現(xiàn)異常時，鋼管中心線尤其是靠近施壓頭部分會出現(xiàn)偏移，進入試壓頭的鋼管不在試壓頭的中心。水壓試驗時，鋼管中心與試壓頭中心的偏移會使得間隙密封膠環(huán)出現(xiàn)形變不均勻，影響使用壽命。

當抱卡機構(gòu)出現(xiàn)問題時，抱卡打開，檢查7組抱卡的墊塊是否有磨損，如有磨損更換新的墊塊；檢查抱卡支撐小車輪是否松動或者小車輪軸承損壞導致的抱卡偏移，如有及時緊固小車輪或者更換小車輪內(nèi)軸承；檢查7組抱卡墊塊最高點標高的偏差是否在1 mm內(nèi)，墊塊的中心到導軌兩端的距離數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2偏差是否在1 mm內(nèi)，如有偏差，調(diào)整墊塊的位置，直到數(shù)據(jù)偏差在1 mm內(nèi)。抱卡打開狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 抱卡打開狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

抱卡關(guān)閉時，記錄鋼管中心到導軌兩端的距離，如果數(shù)據(jù)3和數(shù)據(jù)4偏差在1 mm以上，則說明抱卡的抱臂出現(xiàn)了磨損或者變形，導致抱卡抱緊鋼管時，鋼管中心線與試壓頭中心線不一致。如果抱臂變形，則進行矯正或者更換新的抱臂；如果抱臂磨損，修磨或者補焊磨損部分，直到數(shù)據(jù)3和數(shù)據(jù)4的偏差在1 mm內(nèi)。抱卡關(guān)閉狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 抱卡關(guān)閉狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 接箍抱卡的影響

注水端機構(gòu)中，試壓頭和接箍抱卡固定在一個平臺，兩個機構(gòu)間的距離固定。當注水端到位距離過小時，接箍抱卡會抱緊接箍，導致不能正常閉合，無法打壓；當注水端到位距離過大時，接箍外延與接箍抱卡的距離過大，打壓時會加劇密封圈的磨損，一般設(shè)定為5～10 mm。接箍抱卡結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 接箍抱卡結(jié)構(gòu)示意圖

大間隙密封為徑向密封，試驗鋼管的接箍端和管端的橫截面積有一個面積差。在高壓水的作用下，鋼管會往管端方向竄動，由于大間隙密封在高壓水的作用下已經(jīng)抱緊鋼管，因此鋼管竄動時會加快膠環(huán)、L形塊和扇形塊的磨損，縮短大間隙密封裝置的使用壽命。因此在設(shè)備換道調(diào)試時，注水端的前進到位距離應(yīng)該設(shè)置合適，使得接箍外延與接箍抱卡之間的初始距離盡可能的小，降低大間隙密封磨損消耗的頻次。

4 結(jié)束語

大間隙密封技術(shù)有效地滿足了油套管高壓力水壓試驗機的技術(shù)要求，現(xiàn)場使用壽命超過了3 500次，具有不損傷鋼管、節(jié)奏快等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于油套管生產(chǎn)的鋼管水壓試驗機上。

大間隙密封是水壓機設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，設(shè)備維護人員要充分理解其設(shè)計要點、工藝過程和工作原理，才能快速判斷故障，有效地指導日常設(shè)備維護，明確大間隙密封使用壽命的影響因素。重點監(jiān)控大間隙密封圈的消耗速率，如果出現(xiàn)異常，及時進行分析處理，提高設(shè)備維護管理的精細化水平。

[1]史亞臣，張晶晶，韓飛躍，等.鋼管水壓試驗機系統(tǒng)的研究和分析[J].機械，2011(S1)：26-28.

[2]俞文奕.鋼管靜水壓試驗機在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題和改進[J].機械管理開發(fā)，2012(4)：115-117.

[3]孟凡佳，趙慶忠，劉東，等.4000T鋼管水壓機徑向密封試壓過程優(yōu)化[J].焊管，2014，37(7)：59-62.

[4]王克瑋.水壓試驗機的大間隙密封技術(shù)[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2000(10)：45-45.

[5]李中祥.焊管水壓試驗機增壓原理及故障的排除[J].液壓與氣動，2005(11)：69-70.

[6]孫海濤.油套管水壓試驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學性能研究[D].大慶：大慶石油學院，2009.

[7]張晶晶，丁先進，周立兵.140鋼管水壓試驗機結(jié)構(gòu)及調(diào)試問題處理[J].冶金設(shè)備，2012(S2)：30-32.

[8]石紹清.大間隙密封技術(shù)[J].潤滑與密封，2000(6)：54-55.

[9]張宜軍.淺談全自動高壓水試驗機超高壓密封的選用和維護[J].流體傳動與控制，2008(1)：57-59.

[10]徐灝.機械設(shè)計手冊（第三卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

Large Gap Seal Principle and Application of Steel Pipe Hydrostatic Tester

DING Chao1，SHAO Ziyan2
（1.BSG Group Xi’an OCTG Co.,Ltd.,Xi’an 710201,China；2.Sales Corporation,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE905

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.009

2016-09-07

修改稿

2016-11-05

編輯：汪翰云

丁 超（1987—），男，漢族，本科，工程師，現(xiàn)主要從事焊管設(shè)備的管理和維護工作。