4000 t 鋼管水壓機(jī)徑向密封試壓過程優(yōu)化

孟凡佳，趙慶忠，劉 東，劉增強(qiáng)，楊 魁

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658）

0 前 言

根據(jù)鋼管生產(chǎn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，需要進(jìn)行的質(zhì)量檢驗項目主要包括水壓試驗、尺寸及表面檢查各種理化檢驗及無損檢驗等。靜水壓試驗機(jī)是檢驗埋弧焊鋼管產(chǎn)品質(zhì)量的重要設(shè)備之一，API SPEC 5L和 GB/T 9711.1—1997標(biāo)準(zhǔn)中都明確規(guī)定，每根鋼管應(yīng)進(jìn)行靜水壓試驗且不得有滲漏現(xiàn)象。對于直徑不小于508 mm的焊接鋼管，試驗壓力保持時間應(yīng)不小于10 s。同時，靜水壓試驗機(jī)也是影響機(jī)組生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)備之一，如果靜水壓試驗機(jī)不能正常完成試壓工作，就會造成鋼管積壓，影響生產(chǎn)工藝流程的暢通。鋼管積壓過多，就會影響正常生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。

鋼管靜水壓試驗主要有3個優(yōu)點：①可將更多的大尺寸缺陷擴(kuò)展至臨界尺寸，從而被暴露而返修或清除，把問題解決在出廠之前。②在殘存的小缺陷尖端處造成局部塑性變形引起鈍化，降低缺陷的臨界擴(kuò)展率。卸壓后在缺陷尖端區(qū)域周圍引起局部殘余壓縮應(yīng)力，對缺陷的擴(kuò)展起抑制作用并提高含裂紋體的抗斷裂能力。③可以消除更多引起管道斷裂的有危害的成型和焊接殘余應(yīng)力[5]。

根據(jù)試驗壓力的不同，鋼管水壓試驗機(jī)主要有兩種密封形式，即端面密封和徑向密封。端面密封主要應(yīng)用于25 MPa及以下試壓條件。對于大壁厚海底油氣管道用鋼管，需要的耐壓等級一般都在35 MPa以上，如果采用端面密封就需要鋼管兩端承受更大的端面預(yù)密封壓力，過大的軸向壓力易造成鋼管直線度變大，存在影響鋼管質(zhì)量的潛在危害因素。而徑向密封則由密封膠圈的徑向張力達(dá)到密封效果，鋼管兩端承受的軸向壓力大大減小，因此試驗壓力大于25 MPa時須采用徑向密封試壓。

1 徑向密封的工作原理

徑向密封將裝在試壓頭上的徑向密封圈伸入鋼管內(nèi)部，通過內(nèi)部加壓膨脹以實現(xiàn)密封圈與鋼管內(nèi)壁的接觸密封，從而達(dá)到管口密封效果。徑向密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，巨龍鋼管公司制管二廠水壓機(jī)徑向密封即采用這種內(nèi)徑向密封形式，這種密封方式靠外來的高壓液體壓力使密封圈外徑脹大實現(xiàn)對鋼管內(nèi)徑的密封。徑向密封結(jié)構(gòu)試壓頭結(jié)構(gòu)簡單，密封圈更換方便，常見于大直徑鋼管水壓試驗機(jī)。內(nèi)徑向密封技術(shù)需去除管端約150 mm的內(nèi)焊縫，即焊縫高度與母材基本一致[6-7]。

圖1 徑向密封結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)徑向密封結(jié)構(gòu)的工作原理是：兩端試驗頭進(jìn)入鋼管后，高壓水通過進(jìn)水孔進(jìn)入兩端膠圈和試驗頭組成的密封腔，在高壓水的作用下，膠圈脹大，其外徑與鋼管內(nèi)徑接觸形成徑向密封面。當(dāng)預(yù)密封壓力到達(dá)設(shè)定值時，低壓水閥門開啟向鋼管內(nèi)注水同時放氣閥開始排氣，排氣完成后，低壓水閥關(guān)閉，增壓器向管內(nèi)注入高壓水到額定壓力值并保壓一定時間后，水壓試驗完成[8]。試壓密封動作過程如下：

（1）當(dāng)主缸油壓達(dá)到預(yù)緊力后，按下 “預(yù)密封增壓器增壓”，徑向預(yù)密封觸發(fā)，密封壓力可在人機(jī)界面上設(shè)置。

（2）當(dāng)徑向預(yù)密封壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，按下 “充水閥打開”，充水閥和放氣閥自動打開，鋼管充水、排氣。

（3）待鋼管內(nèi)空氣排完后，按下 “充水閥關(guān)閉”，系統(tǒng)將首先關(guān)閉移動端DN150放氣閥，5 s后系統(tǒng)自動關(guān)閉移動端和固定端的兩個DN50放氣閥，3 s后系統(tǒng)自動關(guān)閉充水閥，充水結(jié)束。

（4）充水結(jié)束后，按下 “增壓開始”，主增壓器開始給鋼管增壓，當(dāng)鋼管內(nèi)的水壓接近預(yù)密封壓力時，預(yù)密封增壓器開始給預(yù)密封補(bǔ)壓，主增壓器、預(yù)密封增壓器同步增壓。達(dá)到試驗壓力后，主增壓器停止增壓，預(yù)密封增壓器繼續(xù)給預(yù)密封補(bǔ)壓，以保持預(yù)密封壓力始終大于鋼管水壓（預(yù)密封水壓比鋼管內(nèi)水壓大多少可由觸摸屏上的 “預(yù)密封強(qiáng)度”調(diào)節(jié)）。

（5）當(dāng)上位機(jī)軟件提示保壓合格后，可按下“卸壓閥卸壓”，系統(tǒng)將順序打開固定端卸壓閥、預(yù)密封卸壓閥和放氣閥，鋼管和徑向密封圈內(nèi)的壓力被逐漸釋放。當(dāng)卸壓完成后，系統(tǒng)將自動關(guān)閉油水平衡，主缸自動后退到位，所有放氣閥、卸壓閥將回到保壓狀態(tài)等待下次試壓。

2 生產(chǎn)過程中存在的問題及原因分析

2.1 存在的問題

巨龍鋼管公司制管二廠水壓機(jī)安裝完成后即投入生產(chǎn)。由于缺乏相關(guān)試壓經(jīng)驗，在生產(chǎn)初期出現(xiàn)了各種問題，其中最主要的問題有以下兩個：

密封膠圈內(nèi)水壓增長與鋼管內(nèi)水壓增長不能始終保持同步，導(dǎo)致膠圈密封不嚴(yán)，出現(xiàn)增壓過程中頻繁噴水，無法正常增壓，造成試壓壓力不穩(wěn)，如圖2所示。在本例中，密封圈內(nèi)水壓增至20 MPa時快速下降，導(dǎo)致密封壓力不足，鋼管內(nèi)高壓水在密封過程中發(fā)生泄露，使鋼管內(nèi)水壓無法繼續(xù)增大。接下來的過程中，密封圈內(nèi)水壓與鋼管內(nèi)水壓再難保持平衡，鋼管內(nèi)水壓增長至27 MPa時依然漏水嚴(yán)重，只能放棄增壓。

即便鋼管內(nèi)水壓偶爾達(dá)到保壓壓力，保壓時鋼管內(nèi)壓力下降過快，導(dǎo)致保壓失敗，如圖3所示。本例中，規(guī)定保壓壓力39.3 MPa，保壓時間21 s，由于密封不好，導(dǎo)致保壓15 s后水壓下降至規(guī)定壓力以下，保壓失敗。

圖2 管端密封不嚴(yán)造成的增壓過程不穩(wěn)定

圖3 管端密封不嚴(yán)造成的保壓失敗

2.2 增壓及保壓失敗原因分析

徑向密封電氣控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場安裝的壓力傳感器采集密封圈及鋼管內(nèi)實時水壓，反饋至PLC模擬量采集模塊，PLC將密封圈內(nèi)水壓實際值與鋼管水壓實際值相比較，獲得密封水壓差，密封水壓差反映實際密封效果。增壓過程和保壓過程都是以水壓差為基礎(chǔ)進(jìn)行的，以水壓差為控制對象選擇合適的設(shè)備參數(shù)才能順利完成試壓過程。程序內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定是否合適成為問題的關(guān)鍵。

2.2.1 增壓過程壓力不同步

密封圈增壓與鋼管內(nèi)增壓屬于兩個獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，通過PLC程序使兩者相互聯(lián)系起來。密封膠圈內(nèi)增壓輸出壓力是以鋼管內(nèi)水壓為基礎(chǔ)增加一個增壓常數(shù)。但由于比例閥線性度不統(tǒng)一等因素，即使經(jīng)過比例閥線性標(biāo)定，它們之間的增壓速度不可避免地存在不同步性。為了實現(xiàn)兩者增壓的同步性，密封膠圈PLC控制程序設(shè)計徑向密封增壓過程如下：密封膠圈的內(nèi)水壓增壓采用雙速增壓，膠圈水壓與鋼管內(nèi)水壓壓差小于2 MPa時進(jìn)行高速增壓，水壓差大于4 MPa時進(jìn)行低速增壓，高速切換為低速時，水壓差驟降使密封性能降低，導(dǎo)致鋼管內(nèi)高壓水噴出，鋼管內(nèi)水壓下降，且由于密封增壓速度是以實時水壓為基礎(chǔ)，將導(dǎo)致密封膠圈內(nèi)水壓隨之下降，這種情況下實現(xiàn)增壓過程非常困難。顯然低速設(shè)定值無法滿足正常的密封需求。

2.2.2 保壓過程不同步

徑向密封的密封膠圈水壓的控制分為4個過程，即預(yù)增壓過程、同步增壓過程、同步保壓過程和緊急釋放過程，其中緊急釋放過程是一個保護(hù)機(jī)制。由于比例閥存在一定程度的非線性化，使得實際輸出值與設(shè)定輸出值存在一定偏差，因此在設(shè)計控制程序時，為了防止密封圈內(nèi)的水壓不受控制地增大導(dǎo)致密封圈損壞和鋼管管端撐大變形導(dǎo)致質(zhì)量缺陷，保壓狀態(tài)設(shè)有極限壓力保護(hù)措施。極限壓力計算公式為

式中：pmax—極限壓力，MPa；

pT—試驗壓力，MPa；

pB—保壓區(qū)壓力，MPa；

n—常數(shù)。

如果密封膠圈內(nèi)的水壓超過設(shè)定的極限值，則徑向密封增壓器內(nèi)的壓力輸出會瞬間降至0，密封膠圈內(nèi)的過高水壓泄至增壓器內(nèi)，從而避免出現(xiàn)管端超標(biāo)現(xiàn)象。保壓區(qū)壓力（pB）的可更改范圍非常小，無法影響極限壓力，因此決定極限壓力大小的因素為常數(shù)n。為了保證設(shè)備安全，常數(shù)n的數(shù)值只有在程序中才能改動，此參數(shù)的出廠設(shè)定值為2。通過反復(fù)地實時監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，水壓機(jī)屢屢保壓失敗的問題也正在于此，實際應(yīng)用中由于膠圈硬度較大及其他一些因素，往往使得這個出廠設(shè)定值處在了密封膠圈的安全壓力范圍之內(nèi)，而此時如果壓力卸掉，導(dǎo)致的就是保壓過程的失敗。

3 試壓過程優(yōu)化措施

分析清楚問題產(chǎn)生的原因，分別提出增壓過程和保壓過程的優(yōu)化方案。

3.1 增壓過程不同步解決方案

針對增壓過程壓力的不同步性，嘗試降低高低速增壓的切換次數(shù)，使增壓過程盡量維持在高速增壓階段，避免因高速切換至低速帶來的壓力波動。由于密封膠圈硬度大，2 MPa的水壓差無法滿足密封要求，因此需要在保證膠圈及鋼管安全的前提下，使高、低速切換次數(shù)盡可能減少。鑒于使用的徑向密封膠圈承受內(nèi)外壓差大，重新更改增壓過程參數(shù)，使單次增壓過程中密封圈內(nèi)增壓過程完全處于高速增壓過程。另外，徑向密封圈選用高性能的原生膠料，以保證密封圈所需的高強(qiáng)度、高彈性等綜合性能。目前最常用的膠料一般有橡膠和聚胺脂，可根據(jù)鋼管的試驗壓力選擇性價比高的膠料只要滿足使用要求即可[9]。根據(jù)膠圈密封性能，合理設(shè)定高、低速切換范圍，將高速增壓范圍設(shè)定在水壓差3～5 MPa之間。

3.2 保壓過程問題解決方案

針對保壓過程經(jīng)常超出極限壓力的情況，可根據(jù)徑向密封膠圈的性能適當(dāng)提高極限壓力值，使得密封圈發(fā)生的形變能夠保持密封狀態(tài)，同時又不至于破壞密封膠圈的彈性，通過逐漸加大常數(shù)n進(jìn)行試驗，最終選取n=5作為合適的打壓參數(shù)。在這個參數(shù)下，由于密封膠圈內(nèi)水壓沒有觸及極限壓力，從而沒有觸發(fā)緊急釋放機(jī)制，使得密封圈內(nèi)水壓保持在一個安全穩(wěn)定的壓力值，為膠圈密封提供了可靠的壓力來源。

4 優(yōu)化后的試壓效果

通過試驗，每次增壓過程密封圈內(nèi)水壓與鋼管內(nèi)水壓都能保持平穩(wěn)上升，漏水現(xiàn)象得到了有效消除。這主要基于針對密封膠圈硬度特性作出的數(shù)據(jù)修改，若不考慮密封膠圈性能，就很難找到合適的增壓參數(shù)，通過摸清楚膠圈性能，才得以建立合適的增壓參數(shù)。而適當(dāng)提高極限壓力后，保壓過程中水壓壓力保持穩(wěn)定，最終良好的保壓效果如圖4所示。

圖4 徑向密封過程優(yōu)化后保壓成功曲線

5 結(jié) 語

通過對徑向密封的增壓過程和保壓過程進(jìn)行優(yōu)化，使得整個試壓過程趨于平滑穩(wěn)定，鋼管一次試壓成功率得到了極大提高，有力保證了生產(chǎn)進(jìn)度。同時也得出，設(shè)備自動化過程的實現(xiàn)，離不開各專業(yè)的互相配合，只有在充分認(rèn)知被控對象的前提下，才能實現(xiàn)最優(yōu)的自動控制過程。

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