球墨鑄鐵管柔性接口密封性能試驗臺研發(fā)

黃 飛，汪正銳，姚成虎，趙 偉，時紅磊(.國家鋼鐵及制品質(zhì)量檢驗檢測中心；2.安徽工業(yè)大學 安徽馬鞍山 243000)

球墨鑄鐵管防腐性能優(yōu)異、延展性能好、安裝簡易，廣泛應(yīng)用于市政、工礦企業(yè)給水、排污等，目前，我國已是世界上第一大生產(chǎn)和使用國，其80%以上采用滑入式柔性連接。球墨鑄鐵管進入市場需要通過第三方的全項目檢測是否符合GB/T 13295-2019、GB/T 26081-2010、ISO 2531: 2009[1-3]標準，但作為該產(chǎn)品重要性能指標的“柔性接口密封性能”的檢測，目前國內(nèi)第三方檢測機構(gòu)尚無開展此性能檢測的能力和設(shè)備，僅有幾個較大的鑄管廠具有簡易自制的檢測裝置，操作不便，自動化程度低，且不能完全滿足標準對該性能測試的要求[4]。特別對于出口的鑄管，需要送往法國，澳大利亞等國進行此項目的檢測，相關(guān)檢測能力屬國內(nèi)空白，因此，建立我國球墨鑄鐵管柔性接口密封性能第三方測試平臺，對于促進我國鑄管企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升，消除貿(mào)易壁壘具有重要現(xiàn)實意義。

1 試驗標準方法分析

球墨鑄鐵管柔性接口密封性能試驗是模擬其在服役時管體受到外力作用下且同時收到內(nèi)部壓力和負壓時的接口密封效果，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)沒有定型儀器的重要原因是相關(guān)人員對標準提出的試驗方法理解不到位，鑒于此，技術(shù)人員經(jīng)過對英文版ISO 2531：2009標準原文的解析和與國外生產(chǎn)廠相關(guān)技術(shù)人員的技術(shù)交流確認：根據(jù)GB/T 13295-2019、GB/T 26081-2010、ISO 2531:2009，柔性接口密封性能試驗分為兩大類:一類是內(nèi)壓下接口密封試驗，內(nèi)壓下接口密封試驗又可細分為5個試驗，即正壓接口密封試驗、正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗、負壓接口密封試驗、負壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗、正壓接口循環(huán)密封試驗；一類是外壓力下接口密封試驗。

2 試驗臺設(shè)計制造

按照標準規(guī)定分組，可采用表1所示進行組批試驗，一種規(guī)格可代表一組,由于場地和資金限制，此次設(shè)計制造試驗臺測試口徑的上限為DN 800，可代替DN40-1000球墨鑄鐵管的柔性接口密封性能。

表1 型式試驗的規(guī)格分組

按照試驗要求，為方便試件的安裝和操作，設(shè)計兩套試驗臺，集成一個電氣控制臺。一個為內(nèi)壓試驗臺，一個為外壓試驗臺。

2.1 內(nèi)壓試驗臺

內(nèi)壓試驗臺總體尺寸為：6000 mm×3500 mm×2000 mm，設(shè)計外形如圖1所示，主要由底平臺、左右封堵機構(gòu)、前后側(cè)推機構(gòu)、上剪切加載機構(gòu)、龍門架、底部支撐機構(gòu)、左右固定機構(gòu)、液壓和電氣控制系統(tǒng)組成；左右封堵機構(gòu)由可拆卸的封堵盤組成，封堵盤可根據(jù)試驗管口徑大小進行DN 100-DN 800更換，由球墨鑄鐵鑄造而成，采用插堵的方式對兩端插口進行封堵，由液壓油缸控制封堵盤的前后移動，方便試樣的安裝；兩端部采用4根經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的40Cr鋼棒固定，同時具備液壓鎖緊功能，可承受300噸以上的液體縱向拉力；龍門架采用高精度傳感器電機控制滑軌移動，可1600 mm來回移動，前后側(cè)推機構(gòu)和上剪切加載機構(gòu)均安裝在龍門架上，加載采用V形墊塊液壓加載，加載力值傳感器精度為0.5級，量程為0-50 kN，龍門架上安裝有3個成120°排列的高清攝像頭，以監(jiān)控正壓試驗過程中接口的密封情況；底平臺安裝有底部支撐機構(gòu)、液壓油缸及打壓機構(gòu)，最大壓力為25 MPa；在試樣和絲杠間安裝3個可拆卸的激光位移傳感器，以準確測量試樣的橫向位移從而測試接口的偏轉(zhuǎn)角度。

圖1 內(nèi)壓試驗臺

2.2 外壓實驗臺

外壓試驗臺總體尺寸為：2600 mm×2500 mm×3200 mm，設(shè)計外形如圖2所示。主要由底部框架、工作平臺、龍門架、升降機構(gòu)、液壓系統(tǒng)組成；底部框架主要用于固定液壓油缸；龍門架上固定加載V塊，可進行前后移動，加載V塊間距可調(diào)，可加載0-50 kN；工作平臺上具有V形塊升降機構(gòu)，可對試樣進行自動對中調(diào)整，其加載力由兩端油缸控制，V形塊最大可調(diào)距離為400 mm，液壓系統(tǒng)可打最大壓力為2 MPa。

圖2 外壓實驗臺

3 試驗過程及結(jié)果

3.1 試樣的選擇和加工

采用最常用的DN 400，K9規(guī)格球墨鑄鐵管進行試驗，DN 200、DN 800規(guī)格的球墨鑄鐵管試驗過程相同，僅參數(shù)設(shè)置不同，由標準可知試驗條件為最大承口與最小插口組合接口狀態(tài)下，即最大設(shè)計徑向間隙和最不利接頭密封的條件下進行試驗。要求試樣的平均壁厚應(yīng)為設(shè)計壁厚最小值的10%以內(nèi)，平均壁厚為試驗管插口部分自插口端面起大于2 DN的距離。試驗管通過選擇和打磨，承口、插口和壁厚可以實現(xiàn)相關(guān)尺寸在極限偏差要求附近。如表2所示。

表2 DN 400試驗管承插口及壁厚尺寸(mm)

內(nèi)壓力下接口密封試樣：截取兩端試驗管每段長度為1250 mm，一段為雙插口，一段帶有一個插口和一個承口。在每段切割處打磨45°的倒角，方便安裝，同時避免安裝時損壞膠圈。

外壓力下接口密封試樣：由兩個焊接在一起的雙承口同時插入一根插口中，插口長度為1200 mm，焊接使用專用的鑄鐵焊條，并且在焊接過程中不斷敲擊焊接處邊緣，釋放應(yīng)力以避免焊縫開裂。

3.2 試驗條件及步驟

根據(jù)標準計算出內(nèi)壓力下接口密封試驗和外壓力下接口密封試驗條件，按圖3和圖4進行組裝連接，試驗步驟為：正壓接口密封試驗-正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗-負壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗-負壓接口密封試驗-正壓接口循環(huán)密封試驗-外壓力下接口密封試驗。

圖3 內(nèi)壓力下接口密封性能試驗現(xiàn)場圖

圖4 外壓力下接口密封試驗現(xiàn)場圖

3.2.1 內(nèi)壓力下接口密封試驗

正壓接口密封試驗：試件組裝完成后從封堵段由上而下注滿水排凈空氣，待水注滿后，將注水管移接打壓口，連接高壓泵，以0.1 MPa/s的增壓速度打壓，升至試驗壓力6.8 MPa后進行保壓，同時在自承口面起200 mm處，通過120°V形墊塊施加剪切力W為26 kN于插口處。保壓2小時，通過攝像頭和時間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗：在正壓接口密封試驗完成后，撤除剪切力W，重新打壓至實驗壓力6.8 MPa進行保壓，通過側(cè)推調(diào)整接口偏轉(zhuǎn)角度為2°48′。保壓2小時，通過攝像頭和時間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

負壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗：正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗完成后，充氣排水，將管內(nèi)水排凈，抽出空氣至0.09 MPa的負內(nèi)壓力，移走真空泵，保壓2小時，通過時間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

負壓接口密封試驗：負壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗完成后，進行側(cè)推對中調(diào)整，使接口處于平直狀態(tài)，抽出空氣至0.09 MPa的負內(nèi)壓力，移走真空泵，同時在自承口面起200 mm處，通過120°V形墊塊施加剪切力W為26 kN于插口處，保壓2小時，通過時間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

正壓接口循環(huán)密封試驗：負壓接口密封試驗完成后，將試樣進行對中調(diào)整，使接口處于平直狀態(tài)，沖水排氣，待水注滿后連接高壓泵打壓，在自承口面起200 mm處，通過120°V形墊塊施加剪切力W為26 kN。管內(nèi)壓力升高至最大允許工作壓力5.0 MPa，保持5 s，壓力下降至4.5 MPa，保持5 s。如此循環(huán)，循環(huán)24000次，通過攝像頭和時間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

3.2.2 外壓力下接口密封試驗

內(nèi)壓試驗完成后，向環(huán)形腔內(nèi)充水排氣，待氣體排凈堵住出氣口，進行打壓，打壓至實驗壓力0.2 MPa, 通過兩個120°V形墊塊分別施加剪切力W為6 kN于試件兩側(cè)的插口。V形加載塊位置在自承口面起200 mm處。承口放在水平支架上。試驗壓力在0.2±0.01 MPa范圍內(nèi)浮動并保持2小時，在此期間每15分鐘全面檢查受壓部位的接口處，監(jiān)控接口密封情況。

3.3 試驗結(jié)果

按上節(jié)規(guī)定的實驗條件和操作步驟，得出本次試驗的結(jié)果如表3所示。由表可知，設(shè)計制造的試驗臺完成了柔性接口密封性能試驗的6個試驗，試驗的技術(shù)條件符合標準要求，所檢的試樣管柔性接口密封性能合格。

表3 DN400球鐵管試驗條件及結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計制造的球墨鑄鐵管柔性接口密封性能試驗臺，性能可靠，液壓和機械控制部分各項指標均達到預(yù)期目的，實現(xiàn)了自動加載，自動打壓，自動對中，自動測試接口偏轉(zhuǎn)角度，自動化程度高；

(2)試驗臺能按照GB/T 13295-2019、 GB/T 26081-2010及ISO 2531: 2009標準完成了DN 400，K9管的全部正壓、正壓偏轉(zhuǎn)、負壓 、負壓偏轉(zhuǎn)、正壓循環(huán)、外壓力下接口密封等6項試驗；實現(xiàn)了球墨鑄鐵管接口在水平方向的偏轉(zhuǎn)并進行了精確測量，實現(xiàn)了連續(xù)自動24000次的循環(huán)壓力試驗功能；

(3)DN400、K9球墨鑄鐵管的柔性接口密封試驗結(jié)果表明，其內(nèi)壓力下接口密封和外壓力下接口密封性能均超出國際標準要求，試驗球鐵管的接口密封性能可靠。