鋼管水壓試驗機油水平衡系統故障分析與改造

陸 洋

（渤海裝備江蘇鋼管分公司， 南京210000）

在焊管生產過程中， 鋼管水壓試驗是檢測鋼管焊縫和管體完整性的一道重要工序。 國內某鋼管公司生產線使用的40MN 型鋼管水壓試驗機，在水壓試驗時鋼管固定在沖水頭與后壓頭之間，通過更換沖水頭與后壓頭不同規格的墊板可進行不同規格鋼管的水壓試驗。

1 鋼管水壓試驗機主要結構及工作原理

40MN 型鋼管水壓試驗機主機機械結構如圖1所示， 主要由受力框架、 沖水頭、 后壓頭、 行走機構、 小排氣閥和大排氣閥組成。 在水壓試驗前，先通過輔助裝置將鋼管的一端與沖水頭對正， 再伸出后壓頭頂住鋼管的另一端， 最終使得鋼管在沖水頭與后壓頭之間被頂緊， 后壓頭伸出距離由試驗鋼管長度所決定。 鋼管兩端被頂緊后， 由充液閥向鋼管內注滿水， 并通過大排氣閥、 小排氣閥將鋼管內的氣體排凈。 水壓試驗時， 由增壓器將水增壓為高壓水注入鋼管內， 同時通過油水平衡系統向后壓頭柱塞缸內注入高壓油， 使得后壓頭伸出部分受到鋼管內高壓水產生的力與后壓頭柱塞缸產生的力平衡。 最終在鋼管水壓試驗時，既能保持良好的端面密封， 又不會因為后壓頭與沖水頭夾緊鋼管的壓力過大造成鋼管軸向彎曲。

圖1 40MN 型鋼管水壓試驗機主機主要結構示意圖

2 油水平衡液壓原理

40MN 型鋼管水壓試驗機油水平衡系統液壓原理如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 液壓系統是由電機、 油泵、 集成閥塊、 開關閥、 比例閥及其管路等組成， 其系統工作壓力通過控制系統對鋼管內高壓水壓力實時監測并反饋來調整比例溢流閥， 形成油液在柱塞缸內對后壓頭產生的壓力與鋼管內高壓水產生的對后壓頭的壓力相平衡， 最終形成油水平衡。 40MN 型鋼管水壓試驗機油水平衡液壓系統工作原理如下。

（1） 鋼管在沖水頭對正后， 由后壓頭兩側液壓缸推動后壓頭向夾緊鋼管的方向移動。 此時，電機2 帶動柱塞泵3 啟動， 電磁溢流閥4 得電柱塞泵3 加載。

（2） 打開液控單向閥， 向柱塞缸內充液。 二位四通換向閥7 得電油液通過疊加式減壓閥6 及疊加式雙單向節流閥8 將液控單向閥12 打開，在后壓頭移動過程中通過充液管線向4 個柱塞缸13 中充液。

（3） 當后壓頭頂緊鋼管后， 液控單向閥關閉停止充液， 鋼管內注水并平衡其壓力。 二位四通換向閥7 失電液控單向閥12 關閉， 此時二位三通截止式電磁方向閥10 得電， 比例減壓閥11 給定電壓值為一定值， 比例溢流閥9 的給定電壓值由控制系統檢測鋼管內水壓實際值并通過計算后實時給定。

圖2 水壓機油水平衡系統液壓原理圖

（4） 鋼管內注滿水后注入高壓水， 油壓實時跟隨匹配， 達到油水平衡。 當增壓器向鋼管內注入高壓水時鋼管內水壓增大， 油水平衡系統仍保持二位三通截止式電磁方向閥10 得電， 比例減壓閥11 給定電壓值為定值不變， 比例溢流閥9的給定電壓值由控制系統檢測鋼管內水壓實際值并通過計算后實時給定， 保證柱塞缸13 內油液與鋼管內高壓水作用在后壓頭上的力在鋼管內水壓上升時使用保持平衡。

（5） 保壓階段。 當鋼管內高壓水達到保壓記錄壓力時， 增壓器停止向鋼管內注入高壓水。 油水平衡系統二位三通截止式電磁方向閥10 失電，油路關閉。 比例溢流閥9 給定電壓值為保壓階段與水壓相匹配的值。

（6） 泄壓。 完成工藝文件的保壓時間后， 鋼管內的高壓水通過水系統的泄壓閥泄壓， 油水平衡液壓系統通過比例溢流閥9 泄壓， 在泄壓過程中通過控制系統調節比例溢流閥9 的電壓給定值， 保持柱塞缸13 內油液與鋼管內高壓水作用在后壓頭上的力在鋼管內水壓上升時使用保持平衡。

（7） 后壓頭退回， 完成一次鋼管水壓試驗。二位四通換向閥7 得電油液通過疊加式減壓閥6及疊加式雙單向節流閥8 將液控單向閥12 打開，輔助系統后壓頭兩側液壓缸拉動后壓頭回收， 柱塞缸13 內的油液通過液控單向閥12 及充液管線回到油箱， 后壓頭收回至原點。

3 油水平衡液壓系統故障分析

在鋼管水壓試驗過程中， 頻繁出現在鋼管高壓水注入初始階段， 油水平衡系統油液壓力始終無法建立， 造成鋼管沖水時兩端面泄漏的現象。

如圖2 所示， 在鋼管沖水階段， 二位四通換向閥7 失電， 液控單向閥12 關閉， 此時二位三通截止式電磁方向閥10 得電。 但由于此時鋼管內還沒有注入高壓水， 鋼管內壓力較低， 根據油水平衡系統原理， 比例溢流閥9 的電壓給定值較低， 通過比例溢流閥9 的調節系統壓力也較低，此階段鋼管內水壓約為0.6～0.7 MPa。 因系統壓力較低， 所以系統需要很小的油量就達到所需的壓力值。 在油水平衡系統中， 油源變量柱塞泵3采用A7V58DR1RPFM0 恒壓變量泵， 最大流量為170 L/min。 因此時所需系統壓力較低， 故泵排出的油液大部分通過比例溢流閥9 進入到B口的回油管。 此時， 比例溢流閥9 的B 口、 電磁溢流閥4 的T 口、 二位四通換向閥7 的T 口通過回油管線相連通后回至油箱。 當油液從比例溢流閥9 大量溢流至回油管線時， 油液在回油管線內會對相連通元件造成回沖， 而此時二位四通換向閥7 失電， B 至T 通道與回油管線相連通，最終會造成比例溢流閥9 溢流出的油液在回油管線內通過二位四通換向閥7 的B 至T 通道及疊加式雙單向節流閥8 的節流閥口回沖至液控單向閥12， 使得液控單向閥12 的控制油路壓力不為0， 出現液控單向閥12 無法完全閉合。

鋼管沖水完成后， 增壓器向鋼管內注入高壓水。 通過控制系統實時檢測與調節， 比例溢流閥的給定壓力值跟隨鋼管內水壓不斷上升， 但由于液控單向閥12 無法完全閉合， 造成柱塞泵3 輸入的油液通過液控單向閥12 及充液管線直接泄漏至油箱， 最終現象表現為鋼管沖水完成后， 注入高壓水時油水平衡系統壓力始終無法建立， 油液在柱塞缸內對后壓頭產生的力小于鋼管內水對后壓頭產生的力， 鋼管端面泄漏。

根據以上分析可知， 在鋼管高壓水注入初始階段， 油水平衡油壓始終無法建立主要是由系統中回油管中的油液回沖液控單向閥12 造成。 出現此問題時， 可將疊加式雙單向節流閥8 的閥口開度調小。 經過此調節， 鋼管水壓試驗時油水平衡系統油壓可正常跟隨水壓， 但若疊加式雙單向節流閥8 的閥口開度過小， 在水壓試驗完成后，后壓頭后退時液控單向閥12 無法打開， 造成后壓頭無法后退。

通過以往的調節， 每次需要將疊加式雙單向節流閥8 的閥口開度調節至合適的位置， 既要保證鋼管水壓試驗時油水平衡系統在整個過程中油壓正常建壓， 又要保證試驗完成后后壓頭可順暢后退。 在此調節過程中， 需要經過多次嘗試才能確定閥口的具體位置， 此調節過程中需要消耗大量的時間。

4 油水平衡液壓系統改造

根據上述分析， 為避免在鋼管水壓試驗初始階段油水平衡油壓無法建立及調節疊加式雙單向節流閥閥口開度時的困難， 將油水平衡液壓系統進行改造， 改造后的液壓原理如圖3 所示。

在圖3 中， 將電磁溢流閥4、 二位四通換向閥7 的回油管線分開， 使油液在電磁溢流閥4、二位四通換向閥7 的T 口分別回油箱。 同時，因比例溢流閥與比例減壓閥在整個工作過程中只有一個起到比例作用， 所以將比例溢流閥拆除，通過控制系統給定電壓實時調節比例減壓閥10后的油液壓力。

圖3 改造后油水平衡系統液壓原理圖

5 結束語

通過此次鋼管水壓試驗機油水平衡系統的改造， 完全避免了由回油管線內油液回沖造成的液控單向閥無法完全關閉的現象。 后期使用過程中再未出現鋼管水壓試驗初始階段油水平衡系統油壓無法建立、 無法跟隨水壓的情況。 在此問題的排查過程中， 由于默認各閥T 口回油至油箱的油液為零壓力， 所以忽略了油液在回油管線回沖造成的問題。 因此， 將各回油管線獨立分別回油，以便在今后出現其他故障時能夠快速排除此原因。