德國(guó)曼內(nèi)斯曼和日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的比較

梁 剛

(寶雞住金石油鋼管有限公司，陜西 寶雞 721008)

德國(guó)曼內(nèi)斯曼和日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的比較

梁 剛

(寶雞住金石油鋼管有限公司，陜西 寶雞 721008)

德國(guó)曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)和日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)都是目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用、技術(shù)比較先進(jìn)的水壓機(jī)。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)品牌鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的油水平衡系統(tǒng)、管端密封方式、鋼管傳送機(jī)構(gòu)等方面的分析對(duì)比，得出了這兩個(gè)品牌鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。兩者的設(shè)計(jì)理念和性能特點(diǎn)可以供國(guó)內(nèi)鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)制造廠家參考，也可以為國(guó)內(nèi)鋼管制造廠家選用鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)提供參考依據(jù)。

鋼管；靜水壓試驗(yàn)機(jī)；油水平衡；管端密封；傳送機(jī)構(gòu)；液壓伺服系統(tǒng)；補(bǔ)償系統(tǒng)

0 前言

目前，德國(guó)曼內(nèi)斯曼和日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)被國(guó)內(nèi)鋼管制造企業(yè)廣泛使用。兩者的整機(jī)技術(shù)參數(shù)大致相當(dāng)，可以作為同一級(jí)別的鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行比較。

這兩個(gè)品牌鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)工藝過(guò)程基本一致：水沖洗(鋼管內(nèi)壁)→焊縫對(duì)準(zhǔn)(使焊縫朝上)→測(cè)長(zhǎng)→定位→預(yù)密封→注水→試壓→空水。

從結(jié)構(gòu)來(lái)講，兩者主要由主體設(shè)備、輔助設(shè)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(gè)品牌鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)存在著諸多類似之處，但是經(jīng)過(guò)仔細(xì)對(duì)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(duì)比分析如下。

1 油水平衡系統(tǒng)

鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的油水平衡系統(tǒng)是指在鋼管靜水壓試驗(yàn)過(guò)程中，排氣端試驗(yàn)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(dòng)態(tài)平衡。油壓太大，會(huì)擠傷鋼管；油壓太小，則會(huì)導(dǎo)致推力油缸后退，管端密封失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致高壓水噴出，對(duì)周圍的設(shè)備及人身帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的油水平衡系統(tǒng)是其核心設(shè)計(jì)理念與性能特點(diǎn)的反映。曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的油水平衡系統(tǒng)采用的是液壓補(bǔ)償原理，兩者的油水平衡系統(tǒng)完全不同，各有優(yōu)、缺點(diǎn)。

1.1 曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)

德國(guó)曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的油水平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)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(yàn)機(jī)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(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。能夠把微小的電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓能(流量和壓力)輸出。其性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的影響很大，因此它是電液控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。

在完成鋼管兩端預(yù)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(shè)定壓力后開(kāi)始計(jì)時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)必須一直保持設(shè)定壓力。

增壓系統(tǒng)的工作原理：以傳感器實(shí)測(cè)的鋼管內(nèi)部水壓與鋼管設(shè)定的試驗(yàn)壓力進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，電液伺服閥1做出相應(yīng)的反應(yīng)，調(diào)整試壓鋼管內(nèi)的水壓，達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定壓力并在設(shè)定時(shí)間內(nèi)保持設(shè)定壓力。增壓缸給被試壓鋼管內(nèi)的水增壓時(shí)，增壓缸的內(nèi)部為油施壓于水。因?yàn)樵鰤焊變?nèi)油側(cè)活塞面積大于水側(cè)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(shí)測(cè)的鋼管內(nèi)部的水壓與傳感器實(shí)測(cè)的平衡油缸的油壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，電液伺服閥2做出相應(yīng)的反應(yīng)，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(yàn)頭在鋼管內(nèi)部的水增壓及保壓過(guò)程中不發(fā)生位移。

1.2 山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)

日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的油水平衡系統(tǒng)如圖2所示，主要由油泵(圖中未標(biāo)出)、增壓缸(圖中未標(biāo)出)、主油缸、側(cè)油缸、補(bǔ)償油缸、密封座、補(bǔ)償器滑柱、排氣端試驗(yàn)頭以及主油缸滑柱等構(gòu)成。

圖2 日本山本水壓機(jī)油水平衡系統(tǒng)示意圖

兩個(gè)側(cè)油缸位于主油缸兩側(cè)，可以控制排氣端試驗(yàn)頭及臺(tái)架前后移動(dòng)，其油缸桿和主油缸滑柱都與排氣端試驗(yàn)頭連接在一起。鋼管進(jìn)入靜水壓試驗(yàn)機(jī)的試壓位置并且被夾緊定位之后，兩個(gè)側(cè)油缸和兩個(gè)補(bǔ)償油缸前進(jìn)(油缸桿伸出)，推動(dòng)密封座套住管端。主油缸在此時(shí)打開(kāi)液控單向閥預(yù)注油，使液壓油從液壓站油箱內(nèi)流向主油缸。在水壓試驗(yàn)中，液控單向閥關(guān)閉，主油缸內(nèi)充滿的液壓油被封閉。在升壓、保壓時(shí)，靠主油缸來(lái)平衡鋼管內(nèi)的水對(duì)補(bǔ)償器滑柱、排氣端試驗(yàn)頭的壓力。封閉在主油缸內(nèi)的油被壓縮，排氣端試驗(yàn)頭及臺(tái)架會(huì)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(yàn)機(jī)采用補(bǔ)償方式。

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

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)油水平衡系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①排氣端試驗(yàn)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②采用液壓伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了增壓缸的油壓與鋼管內(nèi)的水壓的適時(shí)動(dòng)態(tài)平衡和平衡油缸的油壓與鋼管內(nèi)的水壓的適時(shí)動(dòng)態(tài)平衡。缺點(diǎn)：①液壓伺服閥價(jià)格昂貴；②維護(hù)成本較高。液壓伺服系統(tǒng)抗油液污染能力差，對(duì)液壓油的潔凈度要求很高，需要昂貴的過(guò)濾裝置，以保持液壓系統(tǒng)的油液清潔；③故障率相對(duì)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(duì)比較多。

日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)油水平衡系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①液壓系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單；②液壓故障相對(duì)較少；③維護(hù)成本較低。缺點(diǎn)：①排氣端試驗(yàn)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜；②使用的油缸數(shù)量多；③機(jī)械故障相對(duì)較多。

2 管端密封方式

兩種鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的管端密封形式均為鋼管外圓面密封，管端密封圈的結(jié)構(gòu)也相同。密封膠圈一側(cè)帶一圈鋼制小扇形塊以增強(qiáng)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(zhǎng)。

兩者預(yù)密封和高壓密封的原理也相同：預(yù)密封水壓均采用一臺(tái)預(yù)密封泵提供，增壓和保壓時(shí)，密封圈外腔的水壓會(huì)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(jī)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(yàn)機(jī)

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

圖4 德國(guó)曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)管端密封示意圖

梭閥工作時(shí)會(huì)以高壓優(yōu)先為準(zhǔn)則。在預(yù)密封時(shí)，電液換向閥左位接入油路，而梭閥左側(cè)沒(méi)有壓力。因此，梭閥左側(cè)閉，右側(cè)暢通，來(lái)自預(yù)密封泵的低壓水作用于密封圈外腔，實(shí)現(xiàn)預(yù)密封。

鋼管內(nèi)的空氣在被充分排出后，會(huì)進(jìn)行充水作業(yè)，在水充滿管體之后，增壓器開(kāi)始動(dòng)作并向鋼管內(nèi)的水加壓。當(dāng)鋼管內(nèi)部的水壓比預(yù)密封壓力高時(shí)，梭閥的左側(cè)暢通，右側(cè)關(guān)閉，鋼管內(nèi)側(cè)的水通過(guò)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(yàn)機(jī)

山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)鋼管兩端密封水路采用的是兩個(gè)水閥，結(jié)構(gòu)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(lái)自預(yù)密封泵的低壓水就可以進(jìn)入到試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)預(yù)密封。

當(dāng)鋼管內(nèi)的空氣被充分排出并充滿水，增壓器開(kāi)始動(dòng)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(guò)水閥2同步作用于EG密封圈外部，以保證增壓和保壓過(guò)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(yàn)機(jī)管端密封示意圖

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)管端密封方式的優(yōu)點(diǎn)：采用梭閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，故障少。缺點(diǎn)：梭閥閥芯動(dòng)作是否到位沒(méi)有顯示，排查故障時(shí)需要憑借經(jīng)驗(yàn)去判定。

山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)管端密封方式相對(duì)缺點(diǎn)較多：①結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)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(jī)構(gòu)

3.1 曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的傳送機(jī)構(gòu)由步進(jìn)裝置和提升臺(tái)架兩部分組成，如圖6所示。從鋼管進(jìn)入靜水壓試驗(yàn)機(jī)直到被送出，鋼管所有的移動(dòng)都是由步進(jìn)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的。

在試壓工位，提升臺(tái)架從步進(jìn)機(jī)構(gòu)V形座上將鋼管舉起之后，抱夾夾緊鋼管并定位，兩端試驗(yàn)頭伸出之后開(kāi)始試壓，試壓完畢，兩端試驗(yàn)頭退回，抱夾打開(kāi)，提升臺(tái)架落下將鋼管放回到步進(jìn)機(jī)構(gòu)V形座上。

圖6 德國(guó)曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)傳送機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)

山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)傳送機(jī)構(gòu)由進(jìn)料裝置、中間裝置和出料裝置3部分組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

進(jìn)料裝置包括：進(jìn)料工位、管端對(duì)齊工位和水沖洗工位；中間裝置包括：測(cè)長(zhǎng)工位、試壓工位；出料裝置包括：兩個(gè)空水工位和出料工位。

圖7 日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)傳送機(jī)構(gòu)示意圖

從鋼管進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)直到被送出，鋼管傳送是通過(guò)一系列擋管器、撥料器和接入器等協(xié)調(diào)動(dòng)作，鋼管間斷滾動(dòng)來(lái)完成的。

在水沖洗工位，一邊旋轉(zhuǎn)鋼管，一邊向鋼管內(nèi)噴射沖洗水來(lái)清理鋼管內(nèi)表面，同時(shí)進(jìn)行焊縫對(duì)準(zhǔn)，將直縫焊管的焊縫位置旋轉(zhuǎn)到最上部的12點(diǎn)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(yàn)頭伸出之后開(kāi)始試壓，試壓完畢，抱夾打開(kāi)，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(guò)來(lái)將要試壓的鋼管。此時(shí)該工位的一個(gè)動(dòng)作周期結(jié)束，如此循環(huán)往復(fù)。

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

曼內(nèi)斯曼鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)傳送機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：①傳送動(dòng)作比較平穩(wěn)。②步進(jìn)裝置的整體同步性好，只有幾個(gè)提升臺(tái)架的同步需要調(diào)節(jié)。③傳送機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：①在鋼管試壓時(shí)，升起的提升臺(tái)架上的鋼管定位機(jī)構(gòu)的重心高，剛性差；②將水沖洗鋼管內(nèi)壁工位前置并且獨(dú)立，在水沖洗鋼管內(nèi)壁時(shí)，鋼管不能旋轉(zhuǎn)，水沖洗效果相對(duì)較差。

日本山本鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的傳送機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：①在鋼管試壓時(shí)，鋼管的定位機(jī)構(gòu)重心低，剛性好；②在水沖洗鋼管內(nèi)表面的過(guò)程中，鋼管有旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，這樣能夠?qū)摴艿膬?nèi)表面沖洗地更干凈。缺點(diǎn)：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(dòng)，對(duì)傳送機(jī)構(gòu)及臺(tái)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(dòng)作要協(xié)調(diào)，因此傳送機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜。

4 結(jié)論

這兩種鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的生產(chǎn)效率大致相當(dāng)且比較高，性能也比較穩(wěn)定。這表明兩種鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)都是比較先進(jìn)的，沒(méi)有明顯的設(shè)計(jì)缺陷。目前國(guó)內(nèi)鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)專業(yè)制造水平與德國(guó)曼內(nèi)斯曼、日本山本等國(guó)外鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)還存在一定差距，因此我們要虛心學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，以提升國(guó)產(chǎn)鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)制造技術(shù)。

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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(zhǎng)期從事機(jī)械設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)工作。

2014-08-02

張 歌