200MPa鋼管水壓機增壓系統(tǒng)的設(shè)計

張晶晶，周立兵，張雯

（天津賽瑞創(chuàng)享科技有限公司，天津 300301）

200MPa鋼管水壓機增壓系統(tǒng)的設(shè)計

張晶晶，周立兵，張雯

（天津賽瑞創(chuàng)享科技有限公司，天津 300301）

鋼管水壓試驗機是鋼管生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，增壓系統(tǒng)則是水壓機的核心部分。針對200MPa水壓機的增壓系統(tǒng)設(shè)計，提出了內(nèi)置增壓器和外置增壓器相聯(lián)合的增壓方式，并在現(xiàn)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(nèi)置增壓器；外置增壓器

鋼管水壓機是鋼管生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，用于對鋼管進(jìn)行水壓試驗，從而檢測鋼管質(zhì)量。增壓系統(tǒng)則是水壓機的核心部分，增壓系統(tǒng)的設(shè)計直接決定了水壓機的功能能否順利實現(xiàn)。現(xiàn)階段的鋼管水壓機的試驗壓力可以達(dá)到130MPa，增壓方式主要分為：增壓器增壓（內(nèi)置增壓器）、向鋼管內(nèi)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(dá)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(shè)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(tǒng)提出了更高的要求。本文主要對此臺水壓機的增壓系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行比較詳細(xì)的論述。

1 機組技術(shù)參數(shù)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(chǎn)節(jié)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(xiàn)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(nèi)注入高壓水增壓這兩種方式。無論哪種增壓方式都是根據(jù)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(dá)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(cè)的液體上，根據(jù)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(xiàn)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(nèi)的壓力升高。因為增壓器設(shè)計在充水裝置內(nèi)部，所以也把這種形式稱之為內(nèi)置增壓器增壓，結(jié)構(gòu)見圖2（以徑向密封為例）所示。向鋼管內(nèi)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(nèi)，加入高壓的乳化液，使得鋼管內(nèi)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(jié)構(gòu)見圖3（以徑向密封為例）。當(dāng)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(nèi)，這樣對管路的要求較高，鋼管內(nèi)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(dá)到的試驗壓力有限。相對來說，內(nèi)置增壓器增壓的增壓方式所能達(dá)到的試驗壓力要高于外置增壓器增壓。內(nèi)置增壓器可以達(dá)到較高的試驗壓力，但由于鋼管的充水及排氣并不能達(dá)到理想的效果，即鋼管內(nèi)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(dǎo)致增壓器的行程過長，增加了設(shè)備成本，也不方便維修。

圖2 內(nèi)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(shè)計中采用了內(nèi)置增壓器與外置增壓器相聯(lián)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(hù)水管路。卸荷閥用于對高壓水管路中的高壓水進(jìn)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(jiān)測管內(nèi)壓力，控制增壓方式的變換，保證增壓過程平穩(wěn)進(jìn)行。此增壓形式見圖4。試壓時，先通過充水閥向試壓鋼管內(nèi)充水，充水結(jié)束后，對鋼管內(nèi)的水進(jìn)行增壓。當(dāng)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(jìn)行卸荷。當(dāng)要求的試壓壓力高時，先通過外置增壓器增壓，當(dāng)達(dá)到一定的試壓壓力時，再通過內(nèi)置增壓器增壓，從而達(dá)到較高的試驗壓力，這樣的結(jié)構(gòu)既降低了對水路系統(tǒng)的要求，也可以有效縮短內(nèi)置增壓器的行程。在生產(chǎn)過程中可根據(jù)試驗壓力的不同，選擇單獨增壓，或選擇聯(lián)合增壓的增壓方式。

3 增壓系統(tǒng)參數(shù)確定

3.1 增壓器的容積計算

圖4 內(nèi)置增壓器和外置增壓器聯(lián)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(nèi)置增壓器還是外置增壓器增壓都是根據(jù)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(shù)的倒數(shù)，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(dāng)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(zhì)為乳化液。乳化液是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jīng)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(jié)合現(xiàn)場其他水壓機設(shè)備的經(jīng)驗，增壓器的總?cè)莘e定為120L。

3.2 增壓比

在實際使用中，常規(guī)的鋼管試驗壓力為80MPa，因此，設(shè)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(shè)計，增壓容積為85L。內(nèi)置增壓器，按照增壓比1：7．6設(shè)計，增壓容積為35L。

4 結(jié)語

本文通過對常規(guī)的兩種增壓方式外置增壓器增壓和內(nèi)置增壓器增壓進(jìn)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(nèi)置增壓器相聯(lián)合，并在現(xiàn)場實際應(yīng)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(fù)式增壓器。往復(fù)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(dá)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(fā)與應(yīng)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(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．冶金設(shè)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(zhì)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(tǒng)[P]．中國專利 :201520415690．7,2015-11-11．

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1671-0711（2017）10（下）-0099-03