鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)油水平衡系統(tǒng)故障分析與改造

陸 洋

（渤海裝備江蘇鋼管分公司， 南京210000）

在焊管生產(chǎn)過程中， 鋼管水壓試驗(yàn)是檢測(cè)鋼管焊縫和管體完整性的一道重要工序。 國內(nèi)某鋼管公司生產(chǎn)線使用的40MN 型鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)，在水壓試驗(yàn)時(shí)鋼管固定在沖水頭與后壓頭之間，通過更換沖水頭與后壓頭不同規(guī)格的墊板可進(jìn)行不同規(guī)格鋼管的水壓試驗(yàn)。

1 鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)及工作原理

40MN 型鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)主機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示， 主要由受力框架、 沖水頭、 后壓頭、 行走機(jī)構(gòu)、 小排氣閥和大排氣閥組成。 在水壓試驗(yàn)前，先通過輔助裝置將鋼管的一端與沖水頭對(duì)正， 再伸出后壓頭頂住鋼管的另一端， 最終使得鋼管在沖水頭與后壓頭之間被頂緊， 后壓頭伸出距離由試驗(yàn)鋼管長(zhǎng)度所決定。 鋼管兩端被頂緊后， 由充液閥向鋼管內(nèi)注滿水， 并通過大排氣閥、 小排氣閥將鋼管內(nèi)的氣體排凈。 水壓試驗(yàn)時(shí)， 由增壓器將水增壓為高壓水注入鋼管內(nèi)， 同時(shí)通過油水平衡系統(tǒng)向后壓頭柱塞缸內(nèi)注入高壓油， 使得后壓頭伸出部分受到鋼管內(nèi)高壓水產(chǎn)生的力與后壓頭柱塞缸產(chǎn)生的力平衡。 最終在鋼管水壓試驗(yàn)時(shí)，既能保持良好的端面密封， 又不會(huì)因?yàn)楹髩侯^與沖水頭夾緊鋼管的壓力過大造成鋼管軸向彎曲。

圖1 40MN 型鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)主機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 油水平衡液壓原理

40MN 型鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)油水平衡系統(tǒng)液壓原理如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 液壓系統(tǒng)是由電機(jī)、 油泵、 集成閥塊、 開關(guān)閥、 比例閥及其管路等組成， 其系統(tǒng)工作壓力通過控制系統(tǒng)對(duì)鋼管內(nèi)高壓水壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋來調(diào)整比例溢流閥， 形成油液在柱塞缸內(nèi)對(duì)后壓頭產(chǎn)生的壓力與鋼管內(nèi)高壓水產(chǎn)生的對(duì)后壓頭的壓力相平衡， 最終形成油水平衡。 40MN 型鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)油水平衡液壓系統(tǒng)工作原理如下。

（1） 鋼管在沖水頭對(duì)正后， 由后壓頭兩側(cè)液壓缸推動(dòng)后壓頭向夾緊鋼管的方向移動(dòng)。 此時(shí)，電機(jī)2 帶動(dòng)柱塞泵3 啟動(dòng)， 電磁溢流閥4 得電柱塞泵3 加載。

（2） 打開液控單向閥， 向柱塞缸內(nèi)充液。 二位四通換向閥7 得電油液通過疊加式減壓閥6 及疊加式雙單向節(jié)流閥8 將液控單向閥12 打開，在后壓頭移動(dòng)過程中通過充液管線向4 個(gè)柱塞缸13 中充液。

（3） 當(dāng)后壓頭頂緊鋼管后， 液控單向閥關(guān)閉停止充液， 鋼管內(nèi)注水并平衡其壓力。 二位四通換向閥7 失電液控單向閥12 關(guān)閉， 此時(shí)二位三通截止式電磁方向閥10 得電， 比例減壓閥11 給定電壓值為一定值， 比例溢流閥9 的給定電壓值由控制系統(tǒng)檢測(cè)鋼管內(nèi)水壓實(shí)際值并通過計(jì)算后實(shí)時(shí)給定。

圖2 水壓機(jī)油水平衡系統(tǒng)液壓原理圖

（4） 鋼管內(nèi)注滿水后注入高壓水， 油壓實(shí)時(shí)跟隨匹配， 達(dá)到油水平衡。 當(dāng)增壓器向鋼管內(nèi)注入高壓水時(shí)鋼管內(nèi)水壓增大， 油水平衡系統(tǒng)仍保持二位三通截止式電磁方向閥10 得電， 比例減壓閥11 給定電壓值為定值不變， 比例溢流閥9的給定電壓值由控制系統(tǒng)檢測(cè)鋼管內(nèi)水壓實(shí)際值并通過計(jì)算后實(shí)時(shí)給定， 保證柱塞缸13 內(nèi)油液與鋼管內(nèi)高壓水作用在后壓頭上的力在鋼管內(nèi)水壓上升時(shí)使用保持平衡。

（5） 保壓階段。 當(dāng)鋼管內(nèi)高壓水達(dá)到保壓記錄壓力時(shí)， 增壓器停止向鋼管內(nèi)注入高壓水。 油水平衡系統(tǒng)二位三通截止式電磁方向閥10 失電，油路關(guān)閉。 比例溢流閥9 給定電壓值為保壓階段與水壓相匹配的值。

（6） 泄壓。 完成工藝文件的保壓時(shí)間后， 鋼管內(nèi)的高壓水通過水系統(tǒng)的泄壓閥泄壓， 油水平衡液壓系統(tǒng)通過比例溢流閥9 泄壓， 在泄壓過程中通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)比例溢流閥9 的電壓給定值， 保持柱塞缸13 內(nèi)油液與鋼管內(nèi)高壓水作用在后壓頭上的力在鋼管內(nèi)水壓上升時(shí)使用保持平衡。

（7） 后壓頭退回， 完成一次鋼管水壓試驗(yàn)。二位四通換向閥7 得電油液通過疊加式減壓閥6及疊加式雙單向節(jié)流閥8 將液控單向閥12 打開，輔助系統(tǒng)后壓頭兩側(cè)液壓缸拉動(dòng)后壓頭回收， 柱塞缸13 內(nèi)的油液通過液控單向閥12 及充液管線回到油箱， 后壓頭收回至原點(diǎn)。

3 油水平衡液壓系統(tǒng)故障分析

在鋼管水壓試驗(yàn)過程中， 頻繁出現(xiàn)在鋼管高壓水注入初始階段， 油水平衡系統(tǒng)油液壓力始終無法建立， 造成鋼管沖水時(shí)兩端面泄漏的現(xiàn)象。

如圖2 所示， 在鋼管沖水階段， 二位四通換向閥7 失電， 液控單向閥12 關(guān)閉， 此時(shí)二位三通截止式電磁方向閥10 得電。 但由于此時(shí)鋼管內(nèi)還沒有注入高壓水， 鋼管內(nèi)壓力較低， 根據(jù)油水平衡系統(tǒng)原理， 比例溢流閥9 的電壓給定值較低， 通過比例溢流閥9 的調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力也較低，此階段鋼管內(nèi)水壓約為0.6～0.7 MPa。 因系統(tǒng)壓力較低， 所以系統(tǒng)需要很小的油量就達(dá)到所需的壓力值。 在油水平衡系統(tǒng)中， 油源變量柱塞泵3采用A7V58DR1RPFM0 恒壓變量泵， 最大流量為170 L/min。 因此時(shí)所需系統(tǒng)壓力較低， 故泵排出的油液大部分通過比例溢流閥9 進(jìn)入到B口的回油管。 此時(shí)， 比例溢流閥9 的B 口、 電磁溢流閥4 的T 口、 二位四通換向閥7 的T 口通過回油管線相連通后回至油箱。 當(dāng)油液從比例溢流閥9 大量溢流至回油管線時(shí)， 油液在回油管線內(nèi)會(huì)對(duì)相連通元件造成回沖， 而此時(shí)二位四通換向閥7 失電， B 至T 通道與回油管線相連通，最終會(huì)造成比例溢流閥9 溢流出的油液在回油管線內(nèi)通過二位四通換向閥7 的B 至T 通道及疊加式雙單向節(jié)流閥8 的節(jié)流閥口回沖至液控單向閥12， 使得液控單向閥12 的控制油路壓力不為0， 出現(xiàn)液控單向閥12 無法完全閉合。

鋼管沖水完成后， 增壓器向鋼管內(nèi)注入高壓水。 通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)與調(diào)節(jié)， 比例溢流閥的給定壓力值跟隨鋼管內(nèi)水壓不斷上升， 但由于液控單向閥12 無法完全閉合， 造成柱塞泵3 輸入的油液通過液控單向閥12 及充液管線直接泄漏至油箱， 最終現(xiàn)象表現(xiàn)為鋼管沖水完成后， 注入高壓水時(shí)油水平衡系統(tǒng)壓力始終無法建立， 油液在柱塞缸內(nèi)對(duì)后壓頭產(chǎn)生的力小于鋼管內(nèi)水對(duì)后壓頭產(chǎn)生的力， 鋼管端面泄漏。

根據(jù)以上分析可知， 在鋼管高壓水注入初始階段， 油水平衡油壓始終無法建立主要是由系統(tǒng)中回油管中的油液回沖液控單向閥12 造成。 出現(xiàn)此問題時(shí)， 可將疊加式雙單向節(jié)流閥8 的閥口開度調(diào)小。 經(jīng)過此調(diào)節(jié)， 鋼管水壓試驗(yàn)時(shí)油水平衡系統(tǒng)油壓可正常跟隨水壓， 但若疊加式雙單向節(jié)流閥8 的閥口開度過小， 在水壓試驗(yàn)完成后，后壓頭后退時(shí)液控單向閥12 無法打開， 造成后壓頭無法后退。

通過以往的調(diào)節(jié)， 每次需要將疊加式雙單向節(jié)流閥8 的閥口開度調(diào)節(jié)至合適的位置， 既要保證鋼管水壓試驗(yàn)時(shí)油水平衡系統(tǒng)在整個(gè)過程中油壓正常建壓， 又要保證試驗(yàn)完成后后壓頭可順暢后退。 在此調(diào)節(jié)過程中， 需要經(jīng)過多次嘗試才能確定閥口的具體位置， 此調(diào)節(jié)過程中需要消耗大量的時(shí)間。

4 油水平衡液壓系統(tǒng)改造

根據(jù)上述分析， 為避免在鋼管水壓試驗(yàn)初始階段油水平衡油壓無法建立及調(diào)節(jié)疊加式雙單向節(jié)流閥閥口開度時(shí)的困難， 將油水平衡液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造， 改造后的液壓原理如圖3 所示。

在圖3 中， 將電磁溢流閥4、 二位四通換向閥7 的回油管線分開， 使油液在電磁溢流閥4、二位四通換向閥7 的T 口分別回油箱。 同時(shí)，因比例溢流閥與比例減壓閥在整個(gè)工作過程中只有一個(gè)起到比例作用， 所以將比例溢流閥拆除，通過控制系統(tǒng)給定電壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例減壓閥10后的油液壓力。

圖3 改造后油水平衡系統(tǒng)液壓原理圖

5 結(jié)束語

通過此次鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)油水平衡系統(tǒng)的改造， 完全避免了由回油管線內(nèi)油液回沖造成的液控單向閥無法完全關(guān)閉的現(xiàn)象。 后期使用過程中再未出現(xiàn)鋼管水壓試驗(yàn)初始階段油水平衡系統(tǒng)油壓無法建立、 無法跟隨水壓的情況。 在此問題的排查過程中， 由于默認(rèn)各閥T 口回油至油箱的油液為零壓力， 所以忽略了油液在回油管線回沖造成的問題。 因此， 將各回油管線獨(dú)立分別回油，以便在今后出現(xiàn)其他故障時(shí)能夠快速排除此原因。