梁 剛

(寶雞住金石油鋼管有限公司，陜西 寶雞 721008)

德國曼內(nèi)斯曼和日本山本鋼管靜水壓試驗機的比較

梁 剛

(寶雞住金石油鋼管有限公司，陜西 寶雞 721008)

德國曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機和日本山本鋼管靜水壓試驗機都是目前國際上廣泛應用、技術比較先進的水壓機。通過對這兩個品牌鋼管靜水壓試驗機的油水平衡系統(tǒng)、管端密封方式、鋼管傳送機構等方面的分析對比，得出了這兩個品牌鋼管靜水壓試驗機的優(yōu)缺點。兩者的設計理念和性能特點可以供國內(nèi)鋼管靜水壓試驗機制造廠家參考，也可以為國內(nèi)鋼管制造廠家選用鋼管靜水壓試驗機提供參考依據(jù)。

鋼管；靜水壓試驗機；油水平衡；管端密封；傳送機構；液壓伺服系統(tǒng)；補償系統(tǒng)

0 前言

目前，德國曼內(nèi)斯曼和日本山本鋼管靜水壓試驗機被國內(nèi)鋼管制造企業(yè)廣泛使用。兩者的整機技術參數(shù)大致相當，可以作為同一級別的鋼管靜水壓試驗機來進行比較。

這兩個品牌鋼管靜水壓試驗機的試驗工藝過程基本一致：水沖洗(鋼管內(nèi)壁)→焊縫對準(使焊縫朝上)→測長→定位→預密封→注水→試壓→空水。

從結構來講，兩者主要由主體設備、輔助設備、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。

雖然這兩個品牌鋼管靜水壓試驗機存在著諸多類似之處，但是經(jīng)過仔細對比、分析之后，發(fā)現(xiàn)有諸多不同之處，現(xiàn)將兩者的主要區(qū)別對比分析如下。

1 油水平衡系統(tǒng)

鋼管靜水壓試驗機的油水平衡系統(tǒng)是指在鋼管靜水壓試驗過程中，排氣端試驗頭推力油缸的油壓要隨著鋼管內(nèi)水壓的變化而變化，推力油缸的油壓始終要與鋼管內(nèi)的水壓保持一種動態(tài)平衡。油壓太大，會擠傷鋼管；油壓太小，則會導致推力油缸后退，管端密封失效，嚴重時會導致高壓水噴出，對周圍的設備及人身帶來安全風險。

鋼管靜水壓試驗機的油水平衡系統(tǒng)是其核心設計理念與性能特點的反映。曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機的油水平衡系統(tǒng)采用的是液壓伺服原理。而山本鋼管靜水壓試驗機的油水平衡系統(tǒng)采用的是液壓補償原理，兩者的油水平衡系統(tǒng)完全不同，各有優(yōu)、缺點。

1.1 曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機

德國曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機的油水平衡系統(tǒng)結構如圖1所示。整個油水平衡系統(tǒng)由增壓系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)兩部分組成，油壓均采用伺服控制。

圖1 曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機油水平衡系統(tǒng)示意圖

電液伺服閥是液壓伺服控制系統(tǒng)的心臟。它既是電液轉換元件，又是功率放大元件。能夠把微小的電氣信號轉換成大功率的液壓能(流量和壓力)輸出。其性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的影響很大，因此它是電液控制系統(tǒng)的核心和關鍵。

在完成鋼管兩端預密封、排出鋼管內(nèi)部的空氣并充滿水之后，增壓系統(tǒng)給被試壓鋼管內(nèi)的水增壓到設定壓力后開始計時，在設定時間內(nèi)必須一直保持設定壓力。

增壓系統(tǒng)的工作原理：以傳感器實測的鋼管內(nèi)部水壓與鋼管設定的試驗壓力進行比較，根據(jù)比較的結果，電液伺服閥1做出相應的反應，調(diào)整試壓鋼管內(nèi)的水壓，達到試驗設定壓力并在設定時間內(nèi)保持設定壓力。增壓缸給被試壓鋼管內(nèi)的水增壓時，增壓缸的內(nèi)部為油施壓于水。因為增壓缸內(nèi)油側活塞面積大于水側活塞面積，所以可以利用較低的油壓產(chǎn)生較高的水壓。

平衡系統(tǒng)的工作原理：以傳感器實測的鋼管內(nèi)部的水壓與傳感器實測的平衡油缸的油壓進行比較，根據(jù)比較的結果，電液伺服閥2做出相應的反應，調(diào)節(jié)平衡油缸的油壓與鋼管內(nèi)的水壓保持平衡，以保證排氣端試驗頭在鋼管內(nèi)部的水增壓及保壓過程中不發(fā)生位移。

1.2 山本鋼管靜水壓試驗機

日本山本鋼管靜水壓試驗機的油水平衡系統(tǒng)如圖2所示，主要由油泵(圖中未標出)、增壓缸(圖中未標出)、主油缸、側油缸、補償油缸、密封座、補償器滑柱、排氣端試驗頭以及主油缸滑柱等構成。

圖2 日本山本水壓機油水平衡系統(tǒng)示意圖

兩個側油缸位于主油缸兩側，可以控制排氣端試驗頭及臺架前后移動，其油缸桿和主油缸滑柱都與排氣端試驗頭連接在一起。鋼管進入靜水壓試驗機的試壓位置并且被夾緊定位之后，兩個側油缸和兩個補償油缸前進(油缸桿伸出)，推動密封座套住管端。主油缸在此時打開液控單向閥預注油，使液壓油從液壓站油箱內(nèi)流向主油缸。在水壓試驗中，液控單向閥關閉，主油缸內(nèi)充滿的液壓油被封閉。在升壓、保壓時，靠主油缸來平衡鋼管內(nèi)的水對補償器滑柱、排氣端試驗頭的壓力。封閉在主油缸內(nèi)的油被壓縮，排氣端試驗頭及臺架會隨著主油缸滑柱一起后退。為防止破壞管端密封，山本靜水壓試驗機采用補償方式。

補償方式是在鋼管靜水壓試驗升壓和保壓過程中，電液換向閥處于中位，補償油缸活塞兩側直接相通，隨著水壓的上升，這時補償器滑柱、排氣端試驗頭和主油缸滑柱等被需要后退，補償油缸的缸體也隨之后退，但是補償油缸的活塞和油缸桿與密封座保持靜止不動。這樣就能夠保證鋼管和EG密封圈之間不發(fā)生相對運動，確保試壓過程中該端鋼管的密封。

1.3 優(yōu)缺點比較

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機油水平衡系統(tǒng)的優(yōu)點：①排氣端試驗頭結構簡單；②采用液壓伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了增壓缸的油壓與鋼管內(nèi)的水壓的適時動態(tài)平衡和平衡油缸的油壓與鋼管內(nèi)的水壓的適時動態(tài)平衡。缺點：①液壓伺服閥價格昂貴；②維護成本較高。液壓伺服系統(tǒng)抗油液污染能力差，對液壓油的潔凈度要求很高，需要昂貴的過濾裝置，以保持液壓系統(tǒng)的油液清潔；③故障率相對較高。由于液壓油污染，且液壓伺服系統(tǒng)抗污染力差，因此液壓故障相對比較多。

日本山本鋼管靜水壓試驗機油水平衡系統(tǒng)的優(yōu)點：①液壓系統(tǒng)比較簡單；②液壓故障相對較少；③維護成本較低。缺點：①排氣端試驗頭結構復雜；②使用的油缸數(shù)量多；③機械故障相對較多。

2 管端密封方式

兩種鋼管靜水壓試驗機的管端密封形式均為鋼管外圓面密封，管端密封圈的結構也相同。密封膠圈一側帶一圈鋼制小扇形塊以增強密封膠圈的剛性，如圖3所示。與早期傳統(tǒng)的管端密封形式相比較都屬于大間隙密封，可以避免鋼管管端刮傷密封圈，因此密封圈使用壽命較長。

兩者預密封和高壓密封的原理也相同：預密封水壓均采用一臺預密封泵提供，增壓和保壓時，密封圈外腔的水壓會隨著鋼管內(nèi)部水壓的上升同步上升，以保證密封圈處不泄露。

圖3 管端密封圈

兩款水壓機管端密封的原理雖相同，但是所采用的執(zhí)行元件卻不一樣。

2.1 曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機鋼管兩端密封水路采用的是梭閥，如圖4所示。

圖4 德國曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機管端密封示意圖

梭閥工作時會以高壓優(yōu)先為準則。在預密封時，電液換向閥左位接入油路，而梭閥左側沒有壓力。因此，梭閥左側閉，右側暢通，來自預密封泵的低壓水作用于密封圈外腔，實現(xiàn)預密封。

鋼管內(nèi)的空氣在被充分排出后，會進行充水作業(yè)，在水充滿管體之后，增壓器開始動作并向鋼管內(nèi)的水加壓。當鋼管內(nèi)部的水壓比預密封壓力高時，梭閥的左側暢通，右側關閉，鋼管內(nèi)側的水通過梭閥作用于管端密封圈的外腔，保證管端密封不失效。

2.2 山本鋼管靜水壓試驗機

山本鋼管靜水壓試驗機鋼管兩端密封水路采用的是兩個水閥，結構如圖5所示。水閥1和水閥2分別由氣缸1和氣缸2控制。

在充水之前，水閥1左位接入水路，這樣來自預密封泵的低壓水就可以進入到試驗頭的EG密封圈外腔，壓迫EG密封圈使之收縮壓緊與鋼管外表面之間的間隙，實現(xiàn)預密封。

當鋼管內(nèi)的空氣被充分排出并充滿水，增壓器開始動作并向鋼管內(nèi)的水加壓之后，水閥2左位接入水路，鋼管內(nèi)的高壓水通過水閥2同步作用于EG密封圈外部，以保證增壓和保壓過程中密封圈與鋼管之間的縫隙處不泄露。

圖5 日本山本鋼管靜水壓試驗機管端密封示意圖

2.3 優(yōu)缺點比較

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機管端密封方式的優(yōu)點：采用梭閥，結構簡單、可靠，故障少。缺點：梭閥閥芯動作是否到位沒有顯示，排查故障時需要憑借經(jīng)驗去判定。

山本鋼管靜水壓試驗機管端密封方式相對缺點較多：①結構相對復雜；②水閥1和水閥2分別由氣缸1和氣缸2控制，要求氣壓比較穩(wěn)定。

3 傳送機構

3.1 曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機的傳送機構由步進裝置和提升臺架兩部分組成，如圖6所示。從鋼管進入靜水壓試驗機直到被送出，鋼管所有的移動都是由步進機構來完成的。

在試壓工位，提升臺架從步進機構V形座上將鋼管舉起之后，抱夾夾緊鋼管并定位，兩端試驗頭伸出之后開始試壓，試壓完畢，兩端試驗頭退回，抱夾打開，提升臺架落下將鋼管放回到步進機構V形座上。

圖6 德國曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機傳送機構示意圖

3.2 山本鋼管靜水壓試驗機

山本鋼管靜水壓試驗機傳送機構由進料裝置、中間裝置和出料裝置3部分組成，結構如圖7所示。

進料裝置包括：進料工位、管端對齊工位和水沖洗工位；中間裝置包括：測長工位、試壓工位；出料裝置包括：兩個空水工位和出料工位。

圖7 日本山本鋼管靜水壓試驗機傳送機構示意圖

從鋼管進入試驗機直到被送出，鋼管傳送是通過一系列擋管器、撥料器和接入器等協(xié)調(diào)動作，鋼管間斷滾動來完成的。

在水沖洗工位，一邊旋轉鋼管，一邊向鋼管內(nèi)噴射沖洗水來清理鋼管內(nèi)表面，同時進行焊縫對準，將直縫焊管的焊縫位置旋轉到最上部的12點位置。

在試壓工位，撥出器(兼擋管器)下降，鋼管滾入接管器，接管器托著鋼管下降到位后，鋼管被抱夾夾緊并定位，兩端試驗頭伸出之后開始試壓，試壓完畢，抱夾打開，接管器上升，撥出器(兼擋管器)隨之上升使試壓完畢的鋼管滾出中間裝置，接著再擋住下一根滾過來將要試壓的鋼管。此時該工位的一個動作周期結束，如此循環(huán)往復。

3.3 優(yōu)缺點比較

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗機傳送機構的優(yōu)點：①傳送動作比較平穩(wěn)。②步進裝置的整體同步性好，只有幾個提升臺架的同步需要調(diào)節(jié)。③傳送機構的電氣控制系統(tǒng)相對比較簡單。缺點：①在鋼管試壓時，升起的提升臺架上的鋼管定位機構的重心高，剛性差；②將水沖洗鋼管內(nèi)壁工位前置并且獨立，在水沖洗鋼管內(nèi)壁時，鋼管不能旋轉，水沖洗效果相對較差。

日本山本鋼管靜水壓試驗機的傳送機構的優(yōu)點：①在鋼管試壓時，鋼管的定位機構重心低，剛性好；②在水沖洗鋼管內(nèi)表面的過程中，鋼管有旋轉動作，這樣能夠將鋼管的內(nèi)表面沖洗地更干凈。缺點：①多組擋管器、撥料器和接管器的同步調(diào)節(jié)比較麻煩；②由于鋼管間斷滾動，對傳送機構及臺架沖擊比較大，噪音大；③由于擋管器、撥料器和接管器等較多，彼此動作要協(xié)調(diào)，因此傳送機構的電氣控制系統(tǒng)相對比較復雜。

4 結論

這兩種鋼管靜水壓試驗機的生產(chǎn)效率大致相當且比較高，性能也比較穩(wěn)定。這表明兩種鋼管靜水壓試驗機都是比較先進的，沒有明顯的設計缺陷。目前國內(nèi)鋼管靜水壓試驗機專業(yè)制造水平與德國曼內(nèi)斯曼、日本山本等國外鋼管靜水壓試驗機還存在一定差距，因此我們要虛心學習國外的先進技術，以提升國產(chǎn)鋼管靜水壓試驗機制造技術。

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Hydrostatic Testing Machine Comparison Between Germany Mannesmann and Japan Yamamoto

LIANG Gang
(Baoji-SMI Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

The hydrostatic testing machine of Germany Mannesmann and Japan Yamamoto is now widely used in the world,and its technology is more advanced.Through analysis and comparison several aspects of above two companies’hydrostatic testing machine,including oil and water balance system,pipe end sealing mode,steel pipe transport mechanism and so on,the advantages and disadvantages of hydrostatic testing machine were obtained.The design concept and performance characteristics of above two companies’can provide reference for China domestic steel pipe hydrostatic testing machine manufacturer,also can provide reference basis of chooseing steel pipe hydrostatic testing machine for domestic steel pipe manufacturer.

steel pipe;steel pipe hydrostatic testing machine;oil and water balance;pipe end sealing;transport mechanism;hydraulic servo system;compensation system

TG115.6

B

1001-3938(2015)02-0046-05

梁剛(1968—)，男，工程師，長期從事機械設備的保養(yǎng)與維護工作。

2014-08-02

張 歌