洪源隆，李俊輝，寇永樂，馬海寬

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.金屬擠壓與鍛壓國家重點實驗室，陜西 西安 710018)

0 引言

非金屬殼體具備高容重比、高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕等特性[1-3],目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天固體發(fā)動機(jī)、石油天然氣集輸集采管線、海洋工程管線、全海深潛水器等領(lǐng)域[4]。

近年來,非金屬殼體的研發(fā)已成為各個研究領(lǐng)域的熱點,2021年全球非金屬復(fù)合管市場銷售額達(dá)到了102億美元,預(yù)計2028年將達(dá)到153億美元,年增長率為5.81%(2022年～2028年)[5-8],市場前景廣闊。

中國重型機(jī)械研究院股份公司油氣輸送工藝與裝備研究所立足于自身所長,自主研發(fā)設(shè)計了用于非金屬殼體水壓試驗、水壓爆破試驗的專用設(shè)備,能夠滿足各領(lǐng)域非金屬殼體的水壓試驗工藝要求,目前已在某地正式投入使用。針對非金屬殼體水壓爆破試驗工藝與裝備在某地試運(yùn)行以來出現(xiàn)的部分實際問題,本文以提高水壓試驗、水壓爆破試驗質(zhì)量,提升系統(tǒng)增壓速度、保壓穩(wěn)壓能力為目的,對非金屬殼體水壓試驗裝備增壓系統(tǒng)的改造進(jìn)行探討。

1 非金屬殼體水壓試驗裝備增壓系統(tǒng)工作原理

非金屬殼體水壓試驗裝備增壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)為常溫清水,主要用來對已注滿水的大變形非金屬殼體進(jìn)行水壓試驗和水壓爆破試驗[9,10]。在水壓試驗時可按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計的多級壓力梯度增壓、保壓、泄壓,在水壓爆破試驗時可打爆試壓殼體并記錄最終爆破壓力值。

非金屬殼體水壓試驗裝備增壓系統(tǒng)主要由壓力控制閥、空壓機(jī)、氣控柜、定量柱塞泵、水箱、氣控截止閥、單向控制閥、耐震壓力表、壓力傳感器和流量計等組成,其中單向控制閥是由單向閥、氣控截止閥組成的并聯(lián)回路閥塊,增壓系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

1-水箱;2-定量柱塞泵;3-壓力傳感器;4-耐震壓力表;5-單向閥;6-氣控截止閥1;7-氣控柜;8-氣控截止閥2;9-空壓機(jī);10-流量計;11-球閥;12-非金屬殼體;13-壓力控制閥;14-低壓水泵

水壓試驗時,非金屬殼體前后蓋板上一共焊接有3個高壓接口,前蓋板上的兩個高壓接口分別用于注水和增壓,后蓋板上的高壓接口用于排氣。增壓時,定量柱塞泵啟動,壓力控制閥控制增壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力,系統(tǒng)壓力經(jīng)過單向控制閥、氣控截止閥進(jìn)入非金屬殼體內(nèi)部。其中,壓力控制閥為隔膜式氣控壓力閥,氣控柜通過比例閥控制氣量大小調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。

當(dāng)增壓系統(tǒng)升壓到目標(biāo)壓力后,定量柱塞泵停泵,氣控截止閥關(guān)閉,非金屬殼體維持在當(dāng)前目標(biāo)壓力。當(dāng)需要繼續(xù)升壓時,定量柱塞泵啟動,壓力控制閥控制系統(tǒng)壓力升高到略高于非金屬殼體內(nèi)部壓力時,打開氣控截止閥,增壓至目標(biāo)壓力。

當(dāng)試驗完成后需要泄壓時,氣控截止閥和單向控制閥內(nèi)的氣控截止閥同時打開,高壓水通過壓力控制閥回流至水箱。

2 增壓系統(tǒng)存在的問題

2.1 增壓速度慢

該增壓系統(tǒng)采用的定量三缸柱塞泵排量為6 500 L/h,硬件配置上完全滿足實際使用需求。增壓速度慢主要是由于電氣控制問題引起的,具體如下:

(1) 壓力控制閥氣壓上升慢。增壓系統(tǒng)的壓力控制主要依靠壓力控制閥,壓力控制閥主要通過氣控柜內(nèi)給定的氣壓大小來調(diào)節(jié)增壓系統(tǒng)的水壓,為了防止氣壓增速過快導(dǎo)致非金屬殼體內(nèi)部水壓超壓,氣控柜內(nèi)的氣壓增速一般設(shè)定得較慢,導(dǎo)致增壓系統(tǒng)水壓增壓慢。

(2) 系統(tǒng)保壓后壓力上升反饋慢。當(dāng)增壓系統(tǒng)需要進(jìn)行多級壓力梯度的增壓保壓流程時,增壓系統(tǒng)在保壓結(jié)束后無法保證立即升壓,如圖2所示。在系統(tǒng)設(shè)定的10 s保壓結(jié)束后,增壓系統(tǒng)并未立即升壓,在保壓結(jié)束9 s后壓力曲線才有顯著上升,壓力上升反饋慢會大大增加水壓試驗總時長,影響非金屬殼體水壓試驗質(zhì)量。

圖2 升壓保壓曲線

2.2 保壓時存在壓降

增壓系統(tǒng)在進(jìn)入保壓階段后,非金屬殼體內(nèi)有時會產(chǎn)生0.2 MPa～1 MPa的壓降,壓降后能夠保持當(dāng)前壓力直到保壓時間結(jié)束,如圖3、圖4所示。

圖3 水壓試驗保壓段壓降曲線(0.2 MPa壓降)

圖4 水壓爆破試驗保壓段壓降曲線(0.5 MPa～1 MPa壓降)

通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),試驗過程中容易發(fā)生兩種壓降情況:①水壓試驗時增壓系統(tǒng)在剛進(jìn)入保壓段時偶爾出現(xiàn)0.2 MPa左右的壓降,如圖3所示;②水壓爆破試驗時增壓系統(tǒng)在保壓段開始時連續(xù)出現(xiàn)0.5 MPa～1 MPa左右的壓降,壓降后可保持當(dāng)前壓力值,直到保壓結(jié)束,如圖4所示。

導(dǎo)致保壓段發(fā)生壓降的原因主要有以下兩個方面:

(1) 壓力損耗。由于考慮到水壓爆破時人員和設(shè)備的安全性,非金屬殼體一般放置在能夠承受爆破沖擊的地坑內(nèi),而壓力傳感器和壓力表等儀器儀表不允許安裝在地坑內(nèi),一般安裝在增壓系統(tǒng)的高壓出口處,由于增壓系統(tǒng)高壓出口距離非金屬殼體8 m～10 m,且通過高壓軟管連接,存在一定的壓力損耗,特別是設(shè)置的增壓速率較快時,容易出現(xiàn)增壓系統(tǒng)高壓出口的壓力達(dá)到目標(biāo)壓力后,非金屬殼體內(nèi)部壓力尚未達(dá)到目標(biāo)壓力,此時截止閥關(guān)閉后,非金屬殼體發(fā)生0.5 MPa～1 MPa壓降后保持當(dāng)前壓力。

(2) 單向閥失效。增壓系統(tǒng)在進(jìn)入保壓階段前,定量柱塞泵停泵瞬間,增壓系統(tǒng)主要依靠單向控制閥塊中的單向閥實現(xiàn)保壓(參考圖1),隨后氣控截止閥關(guān)閉增壓回路,由于氣控截止閥信號控制需要一定的反應(yīng)時間,如果系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)入雜質(zhì)會使單向閥發(fā)生卡堵,導(dǎo)致保壓瞬間發(fā)生0.2 MPa左右壓降,氣控截止閥關(guān)閉后又能保持在當(dāng)前壓力。

3 技術(shù)改進(jìn)

3.1 增壓速度慢的技術(shù)改進(jìn)

針對系統(tǒng)增壓慢的問題,做出如下改進(jìn):

(1) 針對壓力控制閥升壓速度慢的問題,在保證保壓精度的前提下(非金屬殼體不允許有超過目標(biāo)壓力的情況發(fā)生),提高了工作氣壓升壓反應(yīng)速度,在升壓開端設(shè)定氣壓以v1的速度高速增壓,當(dāng)非金屬殼體內(nèi)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力2/3時氣壓減速至v2緩慢增壓,在保證增壓系統(tǒng)壓力精度的同時提高了增壓速度。

(2) 針對保壓結(jié)束后的壓力反饋速度慢的問題,設(shè)定系統(tǒng)在保壓時將保壓前的工作氣壓值記錄下來,在保壓即將結(jié)束前,壓力控制閥氣壓直接在保壓前工作氣壓值的基礎(chǔ)上增加,節(jié)約了控制氣壓升壓時間,保證系統(tǒng)在保壓結(jié)束后就能立即升壓。反映到壓力曲線上就是當(dāng)保壓結(jié)束后,壓力曲線立即上升,不會延長保壓段時間。

3.2 保壓時存在壓降的技術(shù)改進(jìn)

針對保壓段產(chǎn)生壓降的問題,做出如下改進(jìn):

(1) 針對增壓系統(tǒng)高壓出口軟管到地坑中放置的非金屬殼體線路過長、存在壓力損耗的問題,首先將增壓系統(tǒng)高壓出口軟管更換為硬管連接,同時,在非金屬殼體前蓋板上增加一高壓接口,在高壓接口處連接高壓硬管(見圖5),將非金屬殼體在增壓時的內(nèi)部壓力引到地面上,通過在硬管末端安裝壓力表和壓力傳感器,采集非金屬殼體工作壓力,增壓系統(tǒng)目標(biāo)壓力采集以此處采集的壓力為準(zhǔn)。

圖5 新增壓力檢測管路

(2) 針對單向閥失效導(dǎo)致0.2 MPa左右壓降的問題,在增壓系統(tǒng)壓力出口處新增了過濾器,可避免泄壓時非金屬殼體內(nèi)部殘留的雜質(zhì)通過高壓回路進(jìn)入增壓系統(tǒng)內(nèi)。

4 改進(jìn)效果

中國重型機(jī)械研究院股份公司研發(fā)的非金屬殼體水壓爆破試驗工藝與裝備于2022年在某公司成功投產(chǎn),利用改造后的增壓系統(tǒng)對試樣殼體進(jìn)行的水壓試驗、水壓爆破試驗均取得了圓滿成功。水壓試驗裝備主要參數(shù)如表1所示,水壓試驗曲線如圖6所示,水壓爆破試驗曲線如圖7所示。

表1 水壓試驗裝備主要參數(shù)

圖6 改造完成后的水壓試驗曲線

圖7 改造完成后的水壓爆破試驗曲線

針對某同型號的非金屬殼體,改造后的增壓系統(tǒng)按照設(shè)定的水壓試驗工藝,完成一次試驗需要168 s,升壓速度與改造前相比提升了20%,全過程保壓精度均在±0.1 MPa以內(nèi),增壓過程中無壓降現(xiàn)象發(fā)生。

5 結(jié)語

中國重型機(jī)械研究院股份公司自主研制的非金屬殼體水壓試驗裝備增壓系統(tǒng)改進(jìn)后,不僅優(yōu)化了原有設(shè)備在硬件方面的不足,彌補(bǔ)了因復(fù)雜的工作環(huán)境帶來的壓降問題,還進(jìn)一步完善了電氣控制方面的不足,改進(jìn)后的增壓系統(tǒng)在升壓速度、升壓穩(wěn)定性、穩(wěn)壓精度方面大大提高。改進(jìn)后的增壓系統(tǒng)能夠滿足容積0.005 m3～25 m3、壓力0 MPa～150 MPa的非金屬殼體的水壓試驗與水壓爆破試驗,最大試壓精度可達(dá)±0.1 MPa。

該項目的成功實施豐富了高性能非金屬殼體應(yīng)用評價體系,提高了國內(nèi)高性能非金屬殼體檢測評價研究能力,為打造全過程一體化的非金屬殼體試驗研發(fā)平臺提供了強(qiáng)有力支撐。