閥門壓力試驗(yàn)補(bǔ)壓注水及夾持技術(shù)

徐維普，劉小齊，羅斌，胡增洪

（1. 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200333；2. 長慶油田技術(shù)監(jiān)測中心，西安 710032； 3. 上海增欣機(jī)電科技股份有限公司，上海 201806）

金屬閥門是一種承壓部件，廣泛應(yīng)用于能源、化工、流體運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，是我國持特種設(shè)備制造許可證數(shù)量最多的單一特種設(shè)備產(chǎn)品[1-2]。目前，我國已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大的金屬閥門使用國和生產(chǎn)國，使用量達(dá)到了世界的40%以上，生產(chǎn)量更是達(dá)到一半以上。根據(jù)規(guī)定，金屬閥門出廠時需要開展水壓試驗(yàn)，在取得制造許可時也需要開展型式試驗(yàn)[2]，面對如此大量的金屬閥門需求，壓力試驗(yàn)機(jī)的生產(chǎn)需求也越來越大，同時對壓力試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)要求也隨之提 高。

在閥門檢驗(yàn)過程中，由于閥門腔體內(nèi)可能殘留空氣等原因，致使壓力值會降低，當(dāng)壓力值低于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)壓力時，只能進(jìn)行手動補(bǔ)充水壓，影響檢驗(yàn)效率。保壓過程中，如液壓系統(tǒng)泄漏或其他因素造成的夾緊壓力低于規(guī)定壓力時，可能會導(dǎo)致密封面刺漏或閥門脫落，存在安全隱患。

1 補(bǔ)壓原理

閥門壓力試驗(yàn)裝置通過試驗(yàn)介質(zhì)的自動補(bǔ)壓和閥門壓緊機(jī)構(gòu)自動補(bǔ)壓兩種方式可解決以上問題。

（1） 自動補(bǔ)壓原理

通過壓力傳感器對介質(zhì)（水或者油）的壓力進(jìn)行實(shí)時采集，當(dāng)檢測到其壓力低于某個設(shè)定閾值時，啟動高壓泵（水泵或油泵）對介質(zhì)進(jìn)行加壓，直到壓力達(dá)到設(shè)定閾值以上，從而實(shí)現(xiàn)壓力的相對穩(wěn)定。

（2） 試驗(yàn)介質(zhì)自動補(bǔ)壓

閥門在強(qiáng)度壓力試驗(yàn)時，試驗(yàn)介質(zhì)壓力和保壓時間有明確的標(biāo)準(zhǔn)要求。由于被測閥門腔體內(nèi)可能殘留空氣或管路系統(tǒng)密封不嚴(yán)，由此造成的壓力下降影響到檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采用了這種“自動補(bǔ)壓技術(shù)”以后，可以實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)介質(zhì)壓力變化，實(shí)現(xiàn)自動控制水泵的啟動或停止，以確保試驗(yàn)壓力恒定。試驗(yàn)介質(zhì)自動補(bǔ)壓原理見圖1。

圖1 頂壓式壓力試驗(yàn)時閥體軸向應(yīng)力分布Fig.1 Axial stress distribution of valve body during top pressure test

（3） 夾緊裝置自動補(bǔ)壓

閥門在壓力試驗(yàn)過程中，如果液壓管路、管接頭、控制閥等器件的微漏，會導(dǎo)致液壓壓力下降，致使夾緊力不夠，存在安全隱患。采用“自動補(bǔ)壓系統(tǒng)”能實(shí)時監(jiān)測液壓裝置液壓值的波動，自動控制高壓油泵的啟動或停止，以確保液壓值恒定。

2 快速注水

試驗(yàn)設(shè)備在升壓之前利用高壓柱塞泵向閥門注滿水，對大公稱直徑閥門注水時間長，檢驗(yàn)效率低，特別在試驗(yàn)公稱直徑DN 300 以上的閥門，注水時間往往超過20 min 以上，檢驗(yàn)效率低，設(shè)備損耗大，不能按時完成檢驗(yàn)任務(wù)。

采用低壓注水高壓增壓技術(shù)來解決大公稱直徑閥門檢驗(yàn)中注水時間長、檢驗(yàn)效率低的問題。

（1）低壓注水高壓增壓技術(shù)原理

根據(jù)高壓水泵流量小、低壓水泵流量大的特點(diǎn)，先用低壓、大流量的低壓水泵在短時間內(nèi)把閥門內(nèi)腔注滿水，再用高壓、小流量的高壓水泵進(jìn)行增壓，從而提高注水、加壓的效率。

（2）低壓注水高壓增壓控制模塊實(shí)現(xiàn)方案

本控制模塊包括低、高壓水泵啟動與停止單元，低壓水電接點(diǎn)控制單元，電接點(diǎn)壓力控制單元，保壓報警單元。

3 動態(tài)平衡夾持

閥門在開始升壓之前，油壓調(diào)節(jié)不及時或調(diào)節(jié)誤差較大時，閥體容易受到較大壓應(yīng)力，容易造成閥體變形甚至損壞閥門，或開口缺陷的自閉，影響檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。

其試驗(yàn)過程應(yīng)力分布見圖1。

采用動態(tài)平衡閥門夾持技術(shù)來解決閥體受較大壓應(yīng)力而變形損壞的問題。

3.1 動態(tài)平衡夾持技術(shù)原理

通過壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測油壓頂緊力和試驗(yàn)介質(zhì)的水壓，并控制油壓總作用力（頂壓力F2）和水壓總作用力（總推力F1）按照設(shè)定的比值（該比值由用戶按自身的工藝特點(diǎn)和要求設(shè)定，并有密鑰管理權(quán)限控制），同步加壓和同步卸壓，使得作用在閥門上的凈壓力ΔF 控制在一個合理的范圍內(nèi)，避免被檢閥門受到的擠壓力過大而損壞，見圖2。

圖2 動態(tài)平衡加壓系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of dynamic balance pressurization system

3.2 動態(tài)平衡閥門夾持技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

包括觸摸屏、PLC 自動控制模塊、壓力信號監(jiān)測模塊、油壓/水壓加壓裝置組成。

計算機(jī)智能控制系統(tǒng)中的控制模塊，根據(jù)被測閥門公稱直徑、壓力自動控制油壓頂緊力和試驗(yàn)介質(zhì)壓力。

該技術(shù)的功能是對油壓總作用力（以下油壓總作用力簡稱為油力）和試驗(yàn)介質(zhì)總作用力（以下試驗(yàn)介質(zhì)總作用力簡稱為水力），在進(jìn)行加壓和卸壓時，進(jìn)行同步自動控制，使油力與水力的比值始終控制在某一較小的范圍內(nèi)。

動態(tài)平衡閥門夾持控制原理主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

（1）按常規(guī)的觸摸屏系統(tǒng)操作，對被檢閥門進(jìn)行登錄和常規(guī)設(shè)置，系統(tǒng)計算出：

試驗(yàn)加壓的最終水力 F1=（D12×π/4）×P1；

（2）將系統(tǒng)的控制扭柄置為“手動”檔；

（3）將被檢閥吊裝到位；

（4）啟動頂壓油缸將閥門頂緊（初始油壓值為5 MPa，頂壓力較?。?；

（5）將觸摸屏設(shè)置到自動控制畫面，點(diǎn)擊“加壓控制開始”按鍵；

（6） 啟動低壓水泵，排除閥門體腔中的空氣，當(dāng)空氣排凈后，將系統(tǒng)的控制扭柄置為“自動”檔，此時系統(tǒng)將進(jìn)入自動控制狀態(tài)；

（7） 在加壓階段，系統(tǒng)將進(jìn)行以下邏輯控制：水壓傳感器和油壓傳感器采集的即時壓強(qiáng)為P1'、P2'；計算即時水力F1'=（D12×π/4）×S1；計算即時的油力F2'=（D22×π/4）×S2；計算即時比值K'=F2'/F1'（系統(tǒng)要求任一時刻的K'應(yīng)在K1～K2之間，即：在任一時刻應(yīng)滿足 K1≤K'≤K2）；按加壓控制流程圖進(jìn)行自動控制，直至停止指令發(fā)出；

（8） 在卸壓階段，系統(tǒng)邏輯控制與加壓階段同理。

動態(tài)平衡閥門夾持控制模塊的界面要求：

① 顯示觸摸屏的“參數(shù)設(shè)置”中的一些閥門的基本參數(shù)；

② 用動畫圖形顯示油加壓、水加壓、油卸壓和水卸壓的狀態(tài)；

③ 顯示即時水壓、即時油壓及油力水力比；

④ 設(shè)置“停止”按鍵。

采用動態(tài)平衡閥門夾持技術(shù)之后，加壓前后的閥門壓力試驗(yàn)應(yīng)力基本一致，分布見圖3。

4 結(jié)束語

對閥門壓力試驗(yàn)機(jī)的補(bǔ)壓技術(shù)進(jìn)行了分析，并介紹了較好的解決方案；對試驗(yàn)機(jī)的快速注水技術(shù)進(jìn)行了分析和介紹，對動態(tài)平衡閥門夾持技術(shù)進(jìn)行了分析和介紹，通過幾個關(guān)鍵問題和技術(shù)的探討，為閥門試驗(yàn)機(jī)的規(guī)范和快速試驗(yàn)提出了解決思路。

圖 3 動態(tài)平衡閥門夾持頂壓式壓力試驗(yàn)時閥體軸向 應(yīng)力分布Fig.3 Axial stress distribution of valve body in dynamic balance valve clamping pressure test