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（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

0 引言

隨著油氣輸送管線的不斷開(kāi)發(fā)建設(shè)，對(duì)其服役性能的要求也日趨于嚴(yán)格。焊管靜水壓試驗(yàn)也就是我們俗稱的水壓作為焊管質(zhì)量檢驗(yàn)的要求之一，在API SPEC 5L(45版）和GB/T9711-2011中都規(guī)定了每根鋼管必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，并需要保壓一定時(shí)間，且在試驗(yàn)過(guò)程中焊縫或管體不應(yīng)滲漏。其目的是檢驗(yàn)鋼管是否合格，及消除鋼管在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力一直都是螺旋焊管生產(chǎn)中一個(gè)難以攻克的難題，它的存在導(dǎo)致鋼管容易疲勞，存在應(yīng)力腐蝕，還會(huì)造成焊縫裂紋的擴(kuò)展。因此，鋼管水壓試驗(yàn)是螺旋焊管產(chǎn)品檢驗(yàn)中的一道重要工序。

水壓試驗(yàn)是通過(guò)鋼管水壓機(jī)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。水壓機(jī)大體由機(jī)械、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)三大部分組成。

如圖1所示，水壓試驗(yàn)主要原理是利用油水平衡控制對(duì)鋼管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)來(lái)檢查鋼管在管線設(shè)計(jì)的試驗(yàn)壓力下是否有滲漏現(xiàn)象。首先鋼管進(jìn)入兩端的密封裝置，通過(guò)上水系統(tǒng)對(duì)鋼管內(nèi)部注水（低壓水），注水的同時(shí)水壓機(jī)的排氣裝置（排氣閥）把鋼管內(nèi)的空氣排出，注水完成后啟動(dòng)增壓裝置進(jìn)行增壓注水直至規(guī)定的水壓壓力，在水壓上升的過(guò)程中油壓也相對(duì)上升（由液控比例閥來(lái)控制）。達(dá)到規(guī)定壓力和規(guī)定時(shí)間之后觀察在此過(guò)程中如果沒(méi)有泄漏、鋼管變形等現(xiàn)象，則進(jìn)行卸壓。水壓機(jī)端封移動(dòng)，排出管內(nèi)水，在水壓試驗(yàn)的同時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)把鋼管打壓的全過(guò)程進(jìn)行記錄，主要是通過(guò)記錄壓力變化曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在整個(gè)水壓機(jī)設(shè)備中升降托輥是其重要組成部分，在打壓過(guò)程中承載運(yùn)送鋼管，對(duì)不同規(guī)格直徑的鋼管進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之能順利完成水壓試驗(yàn)。其動(dòng)作過(guò)程是：托輥升起→接管→托輥落下→進(jìn)行壓力試驗(yàn)。不同管徑鋼管打壓時(shí)，托輥的位置由托輥的導(dǎo)向柱確定。通過(guò)多年來(lái)使用經(jīng)驗(yàn)，筆者公司經(jīng)過(guò)幾次設(shè)計(jì)改進(jìn)使該機(jī)構(gòu)操作更加簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、維修方便。

圖1 水壓試驗(yàn)簡(jiǎn)圖

1 托輥設(shè)計(jì)

圖2 托輥結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 運(yùn)動(dòng)分析

升降托輥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，托輥安裝在托架上，整個(gè)托架結(jié)構(gòu)通過(guò)油缸的作用作相應(yīng)的上下升降運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)托輥?zhàn)錾舷律颠\(yùn)動(dòng)，完成對(duì)不同管徑鋼管的托舉功能。在打壓試驗(yàn)過(guò)程中，如果油缸處于升起狀態(tài)，鋼管重量加上鋼管內(nèi)沖入的水重，且每根鋼管打壓過(guò)程至少需要幾分鐘甚至十幾分鐘，這樣對(duì)于油缸的損傷過(guò)大，容易引起油缸故障，因此設(shè)計(jì)上考慮讓打壓試驗(yàn)時(shí)油缸處于非升起狀態(tài)，打壓中心高度低于接管時(shí)鋼管中心高度，接管后油缸下落至打壓位置由托輥的定位螺桿和導(dǎo)向桿支撐托輥受力進(jìn)行打壓試驗(yàn)。對(duì)于不同管徑要求，托輥下降高度不同，因?yàn)樗畨簷C(jī)水壓工裝端封的中心高度是一定的，即各規(guī)格鋼管試壓的中心高度相同，在設(shè)計(jì)時(shí)可推導(dǎo)計(jì)算出液壓缸行程與各規(guī)格鋼管直徑的關(guān)系。

1.2 參數(shù)確定

這里托輥是采用與輸送輥道一樣的V形鋼輥，可以在水壓過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鋼管位置的調(diào)節(jié)，以保證鋼管能準(zhǔn)確順利地進(jìn)入水壓端封。不同管徑的鋼管與輥道輥面的接觸點(diǎn)位置不同，相對(duì)托輥軸線的旋轉(zhuǎn)半徑是變化的。這里引入等效直徑的概念，通過(guò)接觸點(diǎn)的確認(rèn)來(lái)計(jì)算出托輥等效直徑，其相關(guān)尺寸如圖3。

圖3 等效直徑相關(guān)尺寸關(guān)系圖

如圖3所示，根據(jù)相關(guān)尺寸的關(guān)系圖可以得出關(guān)系式：De=dcos（θ/2）/tan（θ/2）+D2。

式中：De為等效直徑，mm；D2為托輥喉徑,mm；θ為輥?zhàn)覸形角度，（°）；d為鋼管直徑，mm。

根據(jù)試驗(yàn)鋼管的長(zhǎng)度，為保證鋼管能在托輥上正常運(yùn)行，托輥間距離最大不能大于最短鋼管長(zhǎng)度的一半?？紤]鋼管重量大部分由2個(gè)托輥承擔(dān)，取3倍輥距長(zhǎng)度的鋼管重量。如已經(jīng)知道鋼管重量和長(zhǎng)度，單個(gè)托輥承受的重量Q為

式中：P為單根鋼管重量，kg；Int（）為取整函數(shù)；L為鋼管長(zhǎng)度，mm；l為輥距，mm。

結(jié)合水壓機(jī)試驗(yàn)鋼管規(guī)格以及試壓鋼管長(zhǎng)度范圍就可以選取合適的托輥規(guī)格。

根據(jù)該水壓機(jī)試驗(yàn)鋼管規(guī)格為508~1620 mm，升降油缸選取行程為1050的油缸，具體型號(hào)為CD250C125/90-1050-10/02CGDM。

2 使用效果

水壓機(jī)使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，初步設(shè)計(jì)的升降托輥存在很多問(wèn)題，故障率極高。根據(jù)圖2中的升降托輥結(jié)構(gòu)我們可以看出，定位螺桿在中間，導(dǎo)向桿在兩邊，該結(jié)構(gòu)升降托輥使用后發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：1）托輥升起后不穩(wěn)定。鋼管越重越不穩(wěn)，左右晃動(dòng)，前后傾斜，鋼管不在水壓機(jī)中心線上，每次鋼管升起后，必須要有人將鋼管扶正，機(jī)架再向前進(jìn)。造成這一問(wèn)題的主要原因一是導(dǎo)向套短，二是配合間隙大。2）由于托輥升起后不穩(wěn)，時(shí)間長(zhǎng)了，導(dǎo)致橫移油缸活塞桿彎曲或者斷裂。2個(gè)活塞桿都曾經(jīng)斷裂，后來(lái)直接和支座焊接在一起，這樣維修很不方便。3）托輥裝置底板的螺絲經(jīng)常斷開(kāi)，而且維修不方便，底板也是和支架焊接在一起的。4）托輥用了超越離合器，轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，橫移油缸移動(dòng)時(shí)，由于反作用力的作用，滑動(dòng)支架經(jīng)常翹起來(lái)。5）由于油缸升起后受徑向力的作用，經(jīng)常漏油，拆卸不方便。由于存在以上的問(wèn)題，致使工人勞動(dòng)強(qiáng)度增大，生產(chǎn)效率降低，操作不安全，所以，有必要對(duì)托輥裝置進(jìn)行改造。

3 托輥的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

1）托輥升起后不能前后左右擺動(dòng)；2）托輥升起后對(duì)中性要好，一次調(diào)好后不用再調(diào)，能順利地進(jìn)入封頭；3）托輥轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，鋼管能前后移動(dòng)；4）適用鋼管范圍為φ457~φ2200 mm，鋼管重量不大于12 t；5）拆裝方便，也方便維修。

3.2 結(jié)構(gòu)及原理

1）托輥結(jié)構(gòu)。改造后托輥裝置如圖4所示，該裝置主要是由托輥、升降油缸、支架、導(dǎo)向桿等組成。定位桿放在兩邊，導(dǎo)向桿在中間，這樣托輥升起后不會(huì)左右擺動(dòng)，導(dǎo)向套加長(zhǎng)，適當(dāng)減少配合間隙，防止前后傾斜；用馬達(dá)（1QJM12-1.25）代替原來(lái)的橫移油缸，可以實(shí)現(xiàn)鋼管的前后移動(dòng)，使鋼管離開(kāi)封頭，該馬達(dá)滾動(dòng)體是采用鋼球代替了一般內(nèi)曲線液壓馬達(dá)所用的2只以上滾輪和橫梁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，體積、重量顯著減少，且運(yùn)動(dòng)副慣量小，鋼球結(jié)實(shí)可靠，可以在較高轉(zhuǎn)速和沖擊負(fù)載下連續(xù)工作，又具有二級(jí)和三級(jí)變排量，具有較大的調(diào)速范圍，拆檢方便，對(duì)油清潔度無(wú)特殊要求，用馬達(dá)還有一個(gè)好處是不用加工橫移滑道，加工方便。

圖4 改造后托輥結(jié)構(gòu)示意圖

2）工作原理。根據(jù)鋼管直徑計(jì)算出托輥升起高度，通過(guò)托輥下的2組馬蹄墊鐵來(lái)調(diào)節(jié)升降高度：根據(jù)試壓鋼管管徑大小確定導(dǎo)向杠伸出長(zhǎng)度，然后選取確定厚度的馬蹄鐵組穿過(guò)導(dǎo)向桿墊在托輥下方進(jìn)行高度定位的托輥的控制。初始時(shí)，托輥在最低位置，鋼管翻入水壓機(jī)停止后，托輥升起，這時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，使鋼管移動(dòng)到封頭，看托輥高度是否合適，如不合適，再更換馬蹄墊鐵；鋼管試壓完畢后，馬達(dá)帶動(dòng)鋼管旋轉(zhuǎn)，使鋼管離開(kāi)封頭，然后托輥下落，鋼管滾出水壓機(jī)。

該裝置根據(jù)不同規(guī)格鋼管，通過(guò)加減馬蹄墊鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的升降高度，滿足不同直徑鋼管的要求。

圖5 托輥液壓原理圖

3.3 托輥的控制

升降托輥裝置的液壓控制如圖5所示：?jiǎn)蜗蚬?jié)流閥用來(lái)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度和托輥的升降速度，并調(diào)節(jié)2個(gè)液壓馬達(dá)和托輥的速度同步；液控單向閥防止托輥油缸的下落；溢流閥是防止馬達(dá)換向時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊。為保證液壓系統(tǒng)能夠正常工作，必須保證液壓系統(tǒng)的清潔。在這里，油缸和馬達(dá)可選用德國(guó)力士樂(lè)的產(chǎn)品，液壓閥可以選用北京華德產(chǎn)品，質(zhì)量比較可靠。

3.4 使用情況

托輥改進(jìn)后新的裝置降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了崗位的工作效率和安全性，同時(shí)降低了機(jī)組故障率，加快鋼管的試壓速度，但在使用時(shí)發(fā)現(xiàn)了新問(wèn)題：1）隨著管徑/定位高度的不同，需要加不同數(shù)量的墊鐵。管徑越大，要墊的墊鐵就越多，墊塊規(guī)格繁多，使得在調(diào)整托輥高度時(shí)要反復(fù)調(diào)試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。2）在工作時(shí)，由于馬蹄墊鐵未在導(dǎo)向桿徑向進(jìn)行定位，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)使馬蹄鐵在導(dǎo)向桿內(nèi)錯(cuò)位，從而導(dǎo)致上下2組馬蹄鐵受力面錯(cuò)位，造成馬蹄鐵的變形，從而使定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致托輥受力偏斜，油缸桿受力斷裂，導(dǎo)向桿受力彎曲，導(dǎo)向套磨損加劇。尤其當(dāng)墊塊較多時(shí)，更易出現(xiàn)此種情況。

圖6 導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)示意圖

改進(jìn)后的導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)如圖6，針對(duì)改造后使用中存在的問(wèn)題，作了進(jìn)一步的改進(jìn)：1）馬蹄鐵規(guī)格簡(jiǎn)化解決方法。在導(dǎo)向桿上打一排等距離的圓孔，孔距以100 mm左右，在孔上加銷軸代替原先固定定位位置。這樣，不同高度定位時(shí)先通過(guò)不同的圓孔調(diào)整，然后通過(guò)馬蹄鐵微調(diào)，可以減少馬蹄鐵規(guī)格，達(dá)到節(jié)省人力物力目的。2）在微調(diào)馬蹄鐵加數(shù)片圓環(huán)墊片（事先組裝在導(dǎo)向桿內(nèi)），在調(diào)整時(shí)圓環(huán)墊片將馬蹄鐵阻隔開(kāi)來(lái)，從而使馬蹄鐵間受力面加大，受力均勻，不再受其錯(cuò)位定位不準(zhǔn)的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次改造設(shè)計(jì)后，我公司升降托輥的使用效果非常好，不僅能夠降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還能夠提高崗位的工作效率和安全性，加快鋼管的試壓速度。把托輥墊塊由原來(lái)的十幾種規(guī)格簡(jiǎn)化為3種，節(jié)省了使用成本，提高工作效率。解決了托輥的偏斜、定位不準(zhǔn)確、油缸桿斷裂、彎曲、導(dǎo)向套磨損等經(jīng)常性故障。

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