200MPa鋼管水壓機增壓系統的設計

張晶晶，周立兵，張雯

（天津賽瑞創享科技有限公司，天津 300301）

200MPa鋼管水壓機增壓系統的設計

張晶晶，周立兵，張雯

（天津賽瑞創享科技有限公司，天津 300301）

鋼管水壓試驗機是鋼管生產線上的關鍵設備，增壓系統則是水壓機的核心部分。針對200MPa水壓機的增壓系統設計，提出了內置增壓器和外置增壓器相聯合的增壓方式，并在現場中得以實踐，取得了較為理想的效果。

水壓試驗機；增壓器；內置增壓器；外置增壓器

鋼管水壓機是鋼管生產線上的關鍵設備，用于對鋼管進行水壓試驗，從而檢測鋼管質量。增壓系統則是水壓機的核心部分，增壓系統的設計直接決定了水壓機的功能能否順利實現。現階段的鋼管水壓機的試驗壓力可以達到130MPa，增壓方式主要分為：增壓器增壓（內置增壓器）、向鋼管內注入高壓水增壓（外置增壓器）這兩種方式。前者相對來說可以達到較高的壓力，但同時需要較長的增壓器行程。后一種方式在試壓壓力升高時，對水路上的控制閥及管路要求較高，增加了設備的成本。公司新增加一條深海管線，要求鋼管水壓機對鋼管的最大試壓壓力為200MPa，這就對增壓系統提出了更高的要求。本文主要對此臺水壓機的增壓系統設計進行比較詳細的論述。

1 機組技術參數介紹

鋼 管 外 徑：φ114．3～ φ323．9mm； 鋼 管 壁厚：4～45mm；鋼管長度：6～14．6m；鋼管最大米重：275kg；鋼管最大單重：約4．2t；試驗壓力：Max200MPa；生產節奏：70～200 MPa時，最高頻次15根/h。低于70MPa時，最高頻次90根/h。

2 增壓方式確定

2.1 增壓原理

在現階段鋼管水壓機的增壓方式主要為直接增壓器增壓和向鋼管內注入高壓水增壓這兩種方式。無論哪種增壓方式都是根據力的平衡理論，增壓器活塞桿兩端的面積不同，壓強不同，而達到增壓的目的。增壓器的工作原理如圖1所示。

壓力油p1推動活塞桿運動，作用于右側的液體上，根據力的平衡理論，作用在活塞桿大腔的力F1與作用在活塞桿右端的力F2相等，即：

圖1 增壓器增壓原理

由式（1）、（2）可以推出

由于D大于d，從而實現了增壓的目的，也可以由此式計算出增壓比。

2.2 增壓方式比較及確定

直接增壓器增壓，充水端集成增壓器、高壓缸體、充水頭等，通過控制增壓器，使鋼管內的壓力升高。因為增壓器設計在充水裝置內部，所以也把這種形式稱之為內置增壓器增壓，結構見圖2（以徑向密封為例）所示。向鋼管內注入高壓水增壓，則是利用管路直接向充滿乳化液的鋼管內，加入高壓的乳化液，使得鋼管內的壓力升高。因為增壓器與充水裝置分開，單獨放置，因此也稱這種形式為外置增壓器增壓，結構見圖3（以徑向密封為例）。當采用外置增壓器增壓時，由于增壓器單獨放置，就需要管路將高壓的乳化液輸送至鋼管內，這樣對管路的要求較高，鋼管內原有的乳化液壓力很低，而且水可壓縮的體積小，因此外置增壓器可達到的試驗壓力有限。相對來說，內置增壓器增壓的增壓方式所能達到的試驗壓力要高于外置增壓器增壓。內置增壓器可以達到較高的試驗壓力，但由于鋼管的充水及排氣并不能達到理想的效果，即鋼管內的空氣并未完全被排空，此時對于大直徑以及高試驗壓力，就會導致增壓器的行程過長，增加了設備成本，也不方便維修。

圖2 內置增壓器

圖3 外置增壓器

考慮到以上的兩種增壓方式，針對最高試驗壓力200MPa，在設計中采用了內置增壓器與外置增壓器相聯合的增壓形式。在充水裝置上增加了高壓水的通路，此通路與外置增壓器相連，在高壓水管路上安裝了單向閥及卸荷閥。單向閥共有兩個，用于保證高壓水不會反串回水罐和外置增壓器，有效保護水管路。卸荷閥用于對高壓水管路中的高壓水進行卸荷。在充水通路還安裝了壓力傳感器，通過壓力傳感器監測管內壓力，控制增壓方式的變換，保證增壓過程平穩進行。此增壓形式見圖4。試壓時，先通過充水閥向試壓鋼管內充水，充水結束后，對鋼管內的水進行增壓。當要求的試壓壓力低時，直接通過外置增壓器增壓，第二單向閥用于保證高壓水不會反串回外置增壓器，第一單向閥用于保證高壓水不會反串回水罐，卸荷閥用于對高壓水管路中的高壓水進行卸荷。當要求的試壓壓力高時，先通過外置增壓器增壓，當達到一定的試壓壓力時，再通過內置增壓器增壓，從而達到較高的試驗壓力，這樣的結構既降低了對水路系統的要求，也可以有效縮短內置增壓器的行程。在生產過程中可根據試驗壓力的不同，選擇單獨增壓，或選擇聯合增壓的增壓方式。

3 增壓系統參數確定

3.1 增壓器的容積計算

圖4 內置增壓器和外置增壓器聯合

液體具有壓縮性，即作用在液體上的壓強增加時，液體的體積將會減小。無論是內置增壓器還是外置增壓器增壓都是根據液體的壓縮性這一特性。增壓過程中液體的體積變化量用增壓器的行程來補償。

液體體積壓縮系數的倒數，稱為液體的體積彈性模量，即

式中：K——體積彈性模量；V——液體原始體積量；△V——體體積改變量；△p——液體壓強必變量。

由此式可以計算出當壓強變化時，一定體積的液體的體積改變量。在試壓過程中所采用的試驗介質為乳化液。乳化液是用質量分數95%的水和5%的防銹液混合而成的。乳化液的體積彈性模量為2×103MPa～2．2×103MPa。經計算，可得鋼管外徑φ273mm，壁厚45mm，長度146000mm，試驗壓力200 MPa時，乳化液由于壓力增加后體積的改變量為最大。再考慮管路中的液體損失，少量氣體的不易排出，并結合現場其他水壓機設備的經驗，增壓器的總容積定為120L。

3.2 增壓比

在實際使用中，常規的鋼管試驗壓力為80MPa，因此，設計時按照此壓力劃分增壓器的增壓容積。外置增壓器，按照增壓比1：3．2設計，增壓容積為85L。內置增壓器，按照增壓比1：7．6設計，增壓容積為35L。

4 結語

本文通過對常規的兩種增壓方式外置增壓器增壓和內置增壓器增壓進行比較，并針對200MPa 水壓機試驗壓力高的特點，提出了一種新的增壓方式，即將外置增壓器和內置增壓器相聯合，并在現場實際應用，取得了較為理想的效果。

由于外置增壓器所提供的高壓水體積較大，此增壓器的體積也大，制造成本高。從降低成本的角度，也可以考慮使用雙作用往復式增壓器。往復式增壓器的特點是，只要活塞桿動作，就可以向鋼管中增壓，這樣只要達到增壓比的要求，增壓器的體積就可以相對來說小很多，降低了制造成本。

[1]隋健,李培力,劉繼高等．深海管線用超高壓水壓試驗機的研發與應用[J]．重型機械, 2016(3):1-5．

[2]張佩山,張晶晶,周立兵． 鋼管水壓試驗機結構現狀及發展趨勢[J]．冶金設備,2011(特刊1): 56-59．

[3]寇永樂,劉慧超,谷瑞杰等．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(2): 100-102．

[4]張晶晶,李輝,周立兵．水壓試驗機的增壓系統[P]．中國專利 :201520415690．7,2015-11-11．

TH137

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1671-0711（2017）10（下）-0099-03