液壓拉伸器在UOE 焊管生產(chǎn)線的應(yīng)用

徐根濤， 湯 輝， 徐 偉

（寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部， 上海201900）

寶山鋼鐵股份有限公司UOE 大直徑直縫埋弧焊管機(jī)組主要包括C 成型機(jī)、 U 成型機(jī)、 O 成型機(jī)、 擴(kuò)徑機(jī)、 水壓試驗(yàn)機(jī)等， 生產(chǎn)線設(shè)備總噸位約14 000 t。 其中的C 成型機(jī)總壓力80 MN、 U成型機(jī)70.5 MN、 O 成型機(jī)720 MN、 水壓試驗(yàn)機(jī)40 MN。 這些主機(jī)設(shè)備廣泛使用了液壓拉伸器預(yù)緊的拉桿螺栓等零部件， 用于主機(jī)機(jī)架、 油缸、 液壓閥等設(shè)備的連接緊固、 定位等， 包括M30～M220 mm 各類型的液壓拉伸螺栓共13 種，586 根， 最大拉桿螺栓為M220 mm， 最大拉伸力16 485 kN， 最大拉伸泵站壓力295.5 MPa。在設(shè)備安裝及使用過程中， 液壓拉伸器的使用保證了設(shè)備安裝的精度， 減少多拉桿螺栓緊固的偏差， 降低人工勞動強(qiáng)度， 提高工作效率。

1 液壓拉伸器結(jié)構(gòu)及工作原理

液壓拉伸器[1]又稱液壓拉伸裝置、 液壓拉拔器[2]、 液壓螺母[3]等。 液壓拉伸器是一種先進(jìn)的螺栓預(yù)緊和拆卸工具， 運(yùn)用它能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓緊固或松動， 廣泛應(yīng)用于冶金、 礦山、 船舶、 核電等重型機(jī)械。 液壓拉伸器的組成， 如圖1 所示， 主要由液壓泵站、 液壓管道 （管件）、 分配器、 拉伸油缸、 吊環(huán)輔助元件等組成。 其中拉伸油缸（包括支承環(huán)） 是液壓拉伸裝置的主要部件， 根據(jù)不同拉伸力的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。 液壓泵站為拉伸裝置提供動力源， 包括手動驅(qū)動泵站、 氣動驅(qū)動泵站、 電動驅(qū)動泵站； 液壓管道包括超高壓液壓接頭 （包含快接接頭）、 軟管、 分配器等；輔助元件包括拉伸油缸的吊裝件等。

圖1 液壓拉伸裝置示意圖

1.1 液壓拉伸器結(jié)構(gòu)

1.1.1 液壓泵站

液壓泵站是為拉伸器提供高壓、 超高壓[4-5]液壓動力的裝置。 按驅(qū)動方式不同， 常分為手動液壓泵站[2]、 氣動液壓泵站、 電動液壓泵站三大類。 三類液壓泵站都具有結(jié)構(gòu)緊湊、 壓力高、 重量輕、 操作方便等特點(diǎn)。

手動液壓泵站如圖2 所示， 主要包括泵體（包含單向閥組、 卸荷閥等）、 手柄、 油箱、 壓力表等， 操作簡單、 攜帶方便， 缺點(diǎn)為人工操作， 效率較低。

圖2 手動液壓泵站

氣動液壓泵站， 如圖3 所示， 是以壓縮空氣為動力， 將氣動機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能， 主要包括氣動三聯(lián)件、 氣油增壓缸 （包含單向閥組）、 調(diào)壓閥、 油箱、 閥塊及壓力表等。 其主要原理是壓縮空氣驅(qū)動大增壓比 （1∶400～1∶450） 的氣油一體缸， 實(shí)現(xiàn)液壓壓力的連續(xù)穩(wěn)定輸出及增大， 適用于中高壓力需求的拉伸器， 效率較高。

圖3 氣動液壓泵站

電動液壓泵站， 如圖4 所示， 是以電為動力， 將電能轉(zhuǎn)換為液壓能， 主要包括油箱、 泵及電機(jī)、 一級安全閥、 一級單向閥、 電磁換向閥、增壓器、 單向閥、 高壓安全閥、 卸荷閥、 分配器及壓力表等。 其主要原理是泵在電機(jī)驅(qū)動下產(chǎn)生60～65 MPa 一級壓力， 再通過單向閥、 電磁換向閥、 增壓器后， 最高可產(chǎn)生300～400 MPa 的高壓壓力油， 通過分配器到各拉伸器缸體內(nèi)。 一級安全閥和高壓安全閥是起安全保護(hù)作用， 拉伸器完成工作后， 卸荷閥將拉伸器內(nèi)壓力進(jìn)行卸荷。 電動液壓泵站適用于超高壓力需求的拉伸器， 效率最高。

圖4 電動液壓泵站及原理

液壓泵站常包括高壓、 超高壓液壓軟管、 快換接頭及過渡接頭、 分配器、 壓力表等。 這些元件作為液壓泵站和拉伸器之間的連接、 壓力分配、 壓力顯示元件， 都需要嚴(yán)格選型， 針對不同壓力等級慎重使用。

1.1.2 拉伸油缸

拉伸油缸是實(shí)現(xiàn)螺栓液壓拉伸預(yù)緊的執(zhí)行元件， 由液壓缸和支承環(huán)組成， 以UOE 生產(chǎn)線現(xiàn)場使用的C 成型機(jī)機(jī)架拉桿螺栓為例， 其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 液壓拉伸缸結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 拉伸油缸動作及緊固原理

液壓泵站的高壓液壓油通過分配器、 高壓軟管到快速接頭， 進(jìn)入缸體和活塞之間， 在液壓力作用下缸體內(nèi)孔的M220 mm 螺紋和連接拉桿的M220 mm 外螺紋向上受力， 活塞坐在支撐環(huán)上， 連接拉桿受力拉長后， 拉桿螺母和拉桿螺母墊片間產(chǎn)生縫隙， 用螺母緊固棒轉(zhuǎn)動拉桿螺母， 使拉桿螺母緊貼拉桿螺母墊片。 隨高壓泵站的液壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力， 連接拉桿拉長至設(shè)定長度， 緩慢將高壓泵站壓力卸荷到零， 該連接拉桿螺栓完成緊固。

液壓拉伸器油缸設(shè)計(jì)時， 一般按設(shè)計(jì)要求對連接螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行理論計(jì)算， 以對液壓拉伸器的拉伸力和拉伸長度提出要求； 根據(jù)拉伸力要求對拉伸油缸進(jìn)行專門設(shè)計(jì)， 大部分拉伸油缸都只對一種連接螺栓。 拉伸油缸產(chǎn)生的拉力與拉伸泵站提供的液壓力呈線性關(guān)系。

1.3 液壓拉伸器類型

液壓拉伸器大致可分為普通型拉伸器[6]（圖5）、互換型拉伸器（圖6）、 雙級型拉伸器（圖7） 三大類。 普通型拉伸器主要由帶拉伸頭的液壓缸和支撐環(huán)兩大部分組成， 用于單規(guī)格螺栓的拉伸，特點(diǎn)是精度高、 造價高； 互換型拉伸器主要由拉伸頭、 液壓缸和支撐環(huán)組成， 適用相近規(guī)格的螺栓， 一個油缸可配幾種拉伸頭， 特點(diǎn)是質(zhì)量輕、精度高； 雙級型拉伸器的拉伸頭由雙油缸驅(qū)動，主要由拉伸頭、 雙液壓缸、 內(nèi)連接桿、 支撐環(huán)組成， 可以產(chǎn)生更高的拉伸力， 適用于空間狹小且拉伸力較高的工況， 但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 質(zhì)量大， 操作復(fù)雜。

圖6 互換型拉伸器結(jié)構(gòu)圖

圖7 雙級型拉伸器結(jié)構(gòu)圖

2 液壓拉伸器在UOE 生產(chǎn)線的使用要點(diǎn)

液壓拉伸器使用時應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)要求[2]， 如拉伸器最大拉伸力、 拉伸油缸最大行程、 拉伸螺栓緊固（或松開） 的階段和載荷百分比， 以確保人身安全及設(shè)備安全。 以寶鋼UOE 生產(chǎn)線C 成型機(jī)10 根前拉桿設(shè)計(jì)及緊固要求為例， 前拉桿緊固的液壓泵站最大壓力為148.8 MPa， 拉伸力最大16 485 kN， 根據(jù)拉桿數(shù)量及位置關(guān)系、 拉伸力大小、 緊固時必須至少分四個階段， 第一階段加載量為總載荷的約20%， 第二階段加載量為總載荷的約50%， 第三階段加載量為總載荷的75%， 第四階段加載量為總載荷的100%， 分階段加載主要為了消除待預(yù)緊件之間間隙以及均勻受力。 前拉桿松開時必須至少分三個階段， 第一階段卸載量為總載荷的約75%， 第二階段卸載量為總載荷的50%， 第三階段卸載量為0。 以下主要介紹C 成型機(jī)前拉桿使用要點(diǎn)[7-9]。

2.1 C 成型機(jī)前拉桿緊固

（1） 對照拉伸器操作說明書檢查拉伸器規(guī)格型號， 清理連接螺紋， 確保螺紋中無雜物。

（2） 對照連接螺栓緊固階段要求， 計(jì)算各階段液壓泵站壓力， 設(shè)計(jì)記錄表格。

（3） 檢查氣動液壓泵站的液位、 壓力表、 氣動過濾器、 氣動減壓閥、 氣動閥門、 氣管線； 檢查連接軟管和管件是否完好。

（4） 在連接螺母及拉伸器螺紋上噴涂抗咬合劑， 防止連接螺母、 拉拔器螺紋咬死， 且每個加載階段都需要再次噴涂抗咬合劑。

（5） 按照螺栓位置從中間開始拉伸， 對稱依次拉伸其余拉桿， 完成第一階段加載后， 再依前面順序完成其余各階段的加載。

2.2 C 成型機(jī)前拉桿松開

（1） 松開前的準(zhǔn)備及檢查， 同緊固時的要求。

（2） 支撐環(huán)放置到位， 將拉伸器安裝到連接拉桿上后， 拉伸器再回退約四分之三圈， 以保證連接螺母松開時有足夠的間隙， 否則拉伸器和拉桿螺母會備緊在一起， 無法松開， 連接各液壓管道、 分配器、 氣動泵站和拉伸器。

（3） 拉桿螺母松開和螺栓拉伸緊固的次序相反， 從最后完成緊固拉桿開始松開， 對稱依次松開其余拉桿。 完成第一階段加載松開后， 再依前面順序完成剩余階段的加載松開。

2.3 注意事項(xiàng)

（1） 拉伸器操作時必須注意壓力的變化， 即將到達(dá)規(guī)定壓力值時， 應(yīng)使壓力慢慢提高。

（2） 拉伸器加載時， 應(yīng)檢查拉伸油缸活塞的行程處于安全范圍內(nèi)。

（3） 每次加載完成后， 拉伸器取下來應(yīng)仔細(xì)檢查拉桿螺紋、 拉伸器活塞螺紋的情況， 發(fā)現(xiàn)有毛刺及損傷， 必須要進(jìn)行修復(fù)。

（4） 拉伸器旋入和旋出連接拉桿螺紋時， 應(yīng)安全起吊， 不能使其處于受力狀態(tài)或單邊緊接觸狀態(tài)， 禁止使用加力桿等。

（5） 除泵站操作人員、 螺母緊固人員外， 其余人員應(yīng)離開現(xiàn)場， 防止意外發(fā)生。

3 液壓拉伸器的維護(hù)

液壓拉伸器及液壓泵站都是高壓、 超高壓液壓裝備， 具有一定的危險(xiǎn)性， 使用前后的維護(hù)都非常重要， 需注意以下幾個方面：

（1） 拉伸器及液壓泵站應(yīng)存放在室溫0～25 ℃的環(huán)境內(nèi)；

（2） 拉伸器及液壓泵站、 連接管道管件及分配器的各密封應(yīng)嚴(yán)格按照說明書要求定期由專業(yè)廠家更換；

（3） 液壓泵站壓力表按要求定期檢驗(yàn)及標(biāo)定；

（4） 液壓泵站液壓油按說明書要求牌號、 液位， 經(jīng)過濾后進(jìn)行加注， 液壓油每兩年進(jìn)行更換；

（5） 使用后的泵站、 軟管及管件應(yīng)擦拭干凈妥善保管， 特別是進(jìn)油接口不能滲入灰塵垃圾，防止進(jìn)入油缸后損傷油缸和活塞；

（6） 放置半年以上的拉伸器、 液壓泵站再次使用， 首先進(jìn)行低壓壓力試驗(yàn)， 以檢查各部分元件及連接是否有泄漏， 確保正常后再使用。

4 在UOE 生產(chǎn)線使用過程的典型問題及處理方法

液壓拉伸器在UOE 焊管生產(chǎn)線得到廣泛應(yīng)用， 包括設(shè)備組裝安裝、 設(shè)備檢修等， 使用過程中也出現(xiàn)了許多的問題， 通過分析均找到了原因， 同時， 采取對應(yīng)措施對這些問題進(jìn)行了處理及優(yōu)化改進(jìn)[4,6,9]。

4.1 拉伸油缸螺母拉伸后退回異常

C 成型機(jī)在預(yù)組裝時， M160 mm×12 mm 橫拉桿 （拉伸力4 551 kN， 泵站壓力114.1 MPa，橫拉桿共計(jì)16 根） 拉伸緊固時， 在只有10%的預(yù)緊力拉伸后， 部分橫拉桿拉伸油缸螺母出現(xiàn)無負(fù)荷狀態(tài)下人工轉(zhuǎn)不動的現(xiàn)象[4]， 借助加力桿可以轉(zhuǎn)動。 檢查其余橫拉桿， 發(fā)現(xiàn)有10 根拉桿均有螺紋拉毛的現(xiàn)象， 清洗檢查拉伸油缸螺紋， 發(fā)現(xiàn)入口三牙螺紋拉毛、 劃傷嚴(yán)重， 如圖8 所示，其余螺紋都有拉傷。

圖8 拉伸油缸螺紋損壞

檢查所有橫拉桿與拉伸油缸螺母嚙合的外螺紋， 發(fā)現(xiàn)加工精度差異較大， 螺紋最大外徑超出設(shè)計(jì)要求0.05 mm， 齒頂圓弧角圖紙要求R0.6 mm， 實(shí)際檢測為R0.4～R0.8 mm。 當(dāng)拉伸油缸受力后， 配合超差部分螺紋被擠壓后剝落，橫拉桿外螺紋和拉伸油缸內(nèi)螺紋均拉傷受損， 轉(zhuǎn)動過程中造成齒面劃傷。

拉毛損傷的橫拉桿外螺紋進(jìn)行人工修磨， 去毛刺并拋光， 再用400 目的金相砂紙人工修磨。對損壞的拉伸油缸螺母， 前三牙螺紋損壞處， 上精密車床進(jìn)行加工， 螺紋所有尖口尖角手工修磨至圓滑； 在車床上， 將拉伸油缸全長內(nèi)螺紋底徑加工到0.45 mm （直徑）， 再用400 目的金相砂紙人工拋光。

修復(fù)后的拉伸油缸繼續(xù)用于C 成型機(jī)預(yù)組裝、 在線安裝等， 共計(jì)16 根橫拉桿經(jīng)歷三階段48 次的拉伸使用， 未再發(fā)生拉伸油缸螺母損傷和橫拉桿螺紋損傷的情況。

4.2 松開過程中的拉桿螺母和拉伸油缸缸體無法分離

U 成型機(jī)刀片梁油缸的前后法蘭通過四根M72 mm×4 拉桿和主機(jī)機(jī)架固定在一起， 設(shè)計(jì)要求四根拉桿要同時拉伸預(yù)緊， 以保證受力相同。在一次刀片梁油缸漏油檢修時， 四根拉桿同時使用液壓拉伸油缸松開時， 其中一個拉桿螺母和拉伸油缸螺母“屏” 在一起， 無法松動。

分析發(fā)現(xiàn)， 該拉伸裝置為組合式[6]， 即拉伸油缸和拉伸用的螺母是分體式結(jié)構(gòu)， 當(dāng)拉伸螺母回退到最底部時， 拉桿螺母和拉伸螺母之間的間距偏小， 如圖9 所示。 拉伸油缸受力時，拉桿受力被拉長， 但此時， 拉桿螺母逆時針?biāo)砷_的空間間隔不足， 未松到自由狀態(tài)， 和拉伸螺母 “屏” 在一起， 拉伸油缸壓力卸掉后， 拉伸螺母和拉桿螺母再受力 “備緊” 在一起， 無法松動。

圖9 拉桿螺母和拉伸油缸間隔示意圖

此時需重新將該拉桿的拉伸裝置加載， 超過之前松開時的壓力， 使拉伸螺母受力， 轉(zhuǎn)動（必要時輕輕振動） 拉桿螺母， 使螺母順時針轉(zhuǎn)動，即螺母擰緊； 然后使伸油缸卸荷后， 將拉伸螺母回退四分之三圈左右， 保證拉桿螺母和拉伸螺母之間的間隔為3～3.5 mm； 然后繼續(xù)進(jìn)行該拉桿的松開過程， 完成松拉桿過程。

拉桿螺母松開過程中， 容易發(fā)生拉桿螺母和拉伸油缸螺母 “屏住”、 “備緊” 情況。 在保證兩個螺母之間間隔約為螺母螺距四分之三大小時， 再未發(fā)生這種問題。

4.3 拉伸油缸螺母旋入拉桿損壞

C 成型機(jī)前拉桿M220 mm 拉伸油缸、 橫拉桿M160 mm×12 mm 拉伸油缸旋入拉桿時有卡阻， 轉(zhuǎn)動不順暢， 檢查發(fā)現(xiàn)拉伸油缸螺紋和拉桿螺紋均有拉傷現(xiàn)象。

C 成型機(jī)前拉桿拉伸油缸質(zhì)量約821 kg，前拉桿拉伸油缸重量約215 kg， 這類自重較大的拉伸油缸在使用起重工具吊裝時， 不能處于完全水平或者完全垂直狀態(tài)， 而人工進(jìn)行旋入對應(yīng)拉桿時， 對中稍微有偏差， 拉桿螺紋和拉伸油缸螺紋不能有效嚙合， 會造成螺紋卡阻、拉傷。

根據(jù)每種拉桿規(guī)格及螺紋規(guī)格， 我們設(shè)計(jì)了對中套、 對中軸、 哈弗吊裝等輔助工具， 以保證精準(zhǔn)旋入待緊固螺栓， 避免磕碰及連接螺紋嚙合不良造成的損傷。 圖10 中， 對中套套在拉桿螺紋上起保護(hù)作用， 對中軸通過螺栓固定。 拉桿螺母通過對中套保護(hù)后旋入拉桿螺紋， 對中套取下后， 拉伸器通過卡在其上的哈弗吊環(huán)， 借助對中軸的對中導(dǎo)向， 轉(zhuǎn)動旋入拉伸油缸螺紋。 對中套、 對中軸都為硬質(zhì)尼龍材質(zhì)， 可承受拉桿螺母、 拉伸器的自重造成的旋入困難。

圖10 對中軸、對中套、哈弗吊裝示意圖

最終發(fā)現(xiàn)， 對關(guān)鍵、 重要、 體積較大、 質(zhì)量較大的拉伸油缸采用上述輔助裝置后， 基本避免了旋入時的吊裝磕碰、 對中困難及旋入嚙合困難的問題， 效果顯著。

4.4 拉伸油缸漏油

水壓機(jī)平衡油缸充液閥使用18 根M64 mm 拉桿進(jìn)行連接固定， 所使用的液壓拉伸器為雙級型拉伸器。 在某次更換充液閥松拉桿到一半數(shù)量時，拉伸油缸漏油[9]， 泵站無法建立壓力。

經(jīng)檢查， 漏油部位為該拉伸油缸極限行程安全閥處， 由于拉桿數(shù)量較多且該拉伸器為雙級型（見圖7）， 每完成一個拉桿拉伸后， 都需要手動將伸出的油缸復(fù)位， 本次漏油是操作人員忘記復(fù)位，導(dǎo)致拉伸油缸行程超出最大行程， 極限行程安全閥被頂開使液壓卸荷， 從而起到安全保護(hù)作用。

液壓泵站補(bǔ)油， 將該拉伸油缸恢復(fù)到底部基位后， 再開始充液閥的拉桿松開工作， 拉伸裝置正常工作。

5 使用經(jīng)驗(yàn)及體會

寶鋼UOE 焊管生產(chǎn)線使用液壓拉伸器用于設(shè)備連接和設(shè)備預(yù)緊固， 液壓拉伸器的數(shù)量較多、 最大單重較大， 使用壓力較高， 嚴(yán)格規(guī)范液壓拉伸器的使用， 在滿足設(shè)計(jì)要求的同時， 確保操作人員的人身安全和設(shè)備安全， 使用完全滿足設(shè)計(jì)要求。

（1） 嚴(yán)格遵循拉伸器使用說明書， 精心操作， 精心維護(hù)。

（2） 根據(jù)不同拉伸裝置、 使用壓力及要求等，優(yōu)化拉伸裝置的分階段使用步驟、 分階段壓力數(shù)值； 對超過M120 mm、 拉伸壓力大于150 MPa 的拉伸裝置， 一般采取四階段拉伸緊固， 壓力分別為20%、 50%、 75%和100%， 拉伸裝置松開時一般為三階段， 壓力分別為75%、 50%和0； 對拉伸油缸缸徑較小、 壓力較低的拉伸器， 一般采取兩階段拉伸緊固， 壓力分別為65%和100%，拉伸器松開時一般為兩階段， 壓力分別為60%和0。

（3） 對多拉桿的拉伸， 采用每階段均要對角順序加載的方式。

（4） 液壓泵站的使用優(yōu)化， 手動泵站優(yōu)化為電動泵站， 擴(kuò)展分配器回路。 如O 成型機(jī)主油缸上法蘭和缸體的8 根拉桿 （M72 mm×4）， 拉桿設(shè)計(jì)拉伸力1 200 kN， 泵站壓力295.5 MPa。原使用手動泵站、 兩個拉伸器同時進(jìn)行緊固及松開， 由于壓力高， 采取四階段拉伸緊固、 三階段松開的方式， 緊固及松開耗時約14 h 以上， 工作強(qiáng)度大。 后來使用了超高壓電動泵站， 并使用了多回路分配器和八個拉伸器同時進(jìn)行工作， 優(yōu)化采取三階段拉伸緊固、 二階段松開的方式， 緊固及松開耗時約2 h， 工作效率提高并極大降低工作強(qiáng)度。

（5） 對質(zhì)量大、 壓力高的重要拉伸操作， 做好輔助器具及螺紋抗咬合劑的使用。