深海管線用超高壓水壓試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

隋 健，李培力，劉繼高，馬海寬，寇永樂(lè)，王冬梅，薛菲菲

(1. 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

·專題綜述·

深海管線用超高壓水壓試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

隋 健1，2，李培力1，2，劉繼高1，2，馬海寬1，2，寇永樂(lè)1，2，王冬梅1，2，薛菲菲1，2

(1. 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

根據(jù)高強(qiáng)度深海管線的試壓要求，開(kāi)發(fā)研制出首臺(tái)套最大試壓能力達(dá)200 MPa和最大管徑Φ323的鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)。文章結(jié)合Φ323-200 MPa水壓試驗(yàn)機(jī)的主要參數(shù)、工藝路線、設(shè)備組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)集成式超高壓增壓系統(tǒng)、聯(lián)合增壓系統(tǒng)、模具和高壓部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、對(duì)超高壓水路閥控系統(tǒng)、超高壓密封等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，以達(dá)到鋼管試驗(yàn)要求。

超高壓；水壓試驗(yàn)機(jī)；增壓系統(tǒng)；密封

0 前言

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源需求急劇增長(zhǎng)，全球范圍內(nèi)加大了對(duì)石油、天然氣的開(kāi)發(fā)與利用。油氣輸送管道作為石油和天然氣的一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長(zhǎng)距離輸送工具得到了迅速發(fā)展。油氣管道生產(chǎn)過(guò)程中水壓試驗(yàn)是必備工序，沒(méi)有經(jīng)過(guò)水壓測(cè)試的管道是不能夠出廠應(yīng)用到實(shí)際油氣開(kāi)采和輸送工程的。因此，任何管道都必須按照API的相關(guān)要求進(jìn)行水壓測(cè)試。

當(dāng)前，油氣資源日益減少，便于開(kāi)發(fā)利用的油氣田幾乎開(kāi)采完畢，因此開(kāi)采已逐步轉(zhuǎn)向環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)陸地以及海洋地區(qū)的深海區(qū)，油氣管道工程對(duì)鋼管性能也提出了高強(qiáng)度、高韌性、高可焊性的要求。高強(qiáng)度深海管線滿足海洋油氣管道要求，其試壓壓力也越來(lái)越高，甚至高達(dá)250 MPa，這就對(duì)鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)提出了更高的要求。

為此，中國(guó)重型院油氣所根據(jù)高強(qiáng)度深海管線的試壓要求，開(kāi)發(fā)研制出首臺(tái)套最大試壓能力達(dá)200MPa和最大管徑Φ323的鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備采用自動(dòng)控制，具有調(diào)整、手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)功能，上位機(jī)具有工藝參數(shù)的設(shè)定、記錄、儲(chǔ)存、調(diào)閱，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)圖，并具有自動(dòng)診斷故障等功能。

1 設(shè)備主要參數(shù)

1.1 產(chǎn)品規(guī)格

鋼管外徑/mm 114.3～323.9

鋼管壁厚/mm 4～45

鋼管長(zhǎng)度/m 6～14.6

最大鋼管重量/kg 4 200

鋼管最大米重/kg 288

鋼管最大彎曲度/mm·m-14

鋼管端部 兩端光管

1.2 水壓試驗(yàn)機(jī)主要參數(shù)

水壓機(jī)工作壓力/MPa Max.200

試驗(yàn)壓力精度 0～100 PSI(最大試驗(yàn)壓力時(shí))

壓力傳感器的檢測(cè)精度/% 0.2

管端密封型式 徑向大間隙密封

保壓時(shí)間/s 可調(diào)范圍5～300

保壓形式 增壓器連續(xù)保壓

充水方式 水泵充液罐

進(jìn)料方式 上部進(jìn)料

最大軸向力/kN 12 000

排氣端排氣頭移動(dòng)距離/m Max.2

排氣端移動(dòng)小車/m 最大運(yùn)動(dòng)距離8

試驗(yàn)介質(zhì) 乳化液

裝機(jī)功率/kW 500

70～200MPa時(shí)，最高頻次15根/h

低于70MPa時(shí)，最高頻次90根/h

2 工藝路線

如圖1所示，水壓試驗(yàn)機(jī)從前端臺(tái)架取料，檢測(cè)到鋼管后由翻料裝置把鋼管送入對(duì)齊測(cè)長(zhǎng)工位-進(jìn)行對(duì)齊、測(cè)長(zhǎng)-翻料裝置把鋼管送入試壓待料工位-試壓位接料裝置的接料臂上升，鋼管沿接料臂的斜臂條滾入試壓位，接料臂緩慢下降，將鋼管放到夾緊裝置上-夾緊裝置將鋼管夾緊至試壓中心-充水頭、排氣頭前進(jìn)到管端密封位-徑向預(yù)密封抱緊鋼管-充水閥開(kāi)啟，鋼管充水，直至空氣排出，充水閥、排氣閥關(guān)閉-高壓增壓器開(kāi)始工作，給鋼管內(nèi)的水加壓，達(dá)到預(yù)定壓力后切換至超高壓增壓器-超高壓增壓器開(kāi)始工作，給鋼管內(nèi)的水繼續(xù)加壓-達(dá)到設(shè)定壓力后按需要的時(shí)間保壓，超高壓增壓器停止或繼續(xù)工作以補(bǔ)償系統(tǒng)的泄漏，且保持一恒定準(zhǔn)確的測(cè)試壓力。小流量泄漏檢測(cè)系統(tǒng)工作，對(duì)鋼管的小流量泄漏進(jìn)行診斷和報(bào)警-完成試壓后，超高壓增壓器通過(guò)比例控制斜坡卸壓，超高壓增壓器回退至初始狀態(tài)-切換至高壓增壓器，高壓增壓器通過(guò)比例控制斜坡卸壓，高壓增壓器回退至初始狀態(tài)-當(dāng)鋼管內(nèi)部壓力達(dá)到一定安全值時(shí)，徑向預(yù)密封卸壓，松開(kāi)鋼管，排氣閥打開(kāi)-充水頭和排氣頭試壓頭回到初始位-夾緊裝置松開(kāi)鋼管-試壓位出料裝置的出料臂升到最高位置，將鋼管卸出-鋼管沿斜臺(tái)架滾到空水工位，試壓位出料裝置的出料臂下降至初始位-空水工位上，鋼管一端抬起，吹氣空水-鋼管一端落下，翻料裝置將鋼管送出(對(duì)試壓不合格鋼管發(fā)出信號(hào))。

圖1 水壓試驗(yàn)機(jī)的斷面圖Fig.1 Cross-section diagram of hyperpressure hydrotester

3 設(shè)備組成和特點(diǎn)

水壓試驗(yàn)機(jī)主要由試壓本體、進(jìn)出料及空水裝置、對(duì)齊測(cè)長(zhǎng)裝置、夾緊及接出料裝置、機(jī)罩、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。

3.1 試壓本體

試壓本體(圖2，圖3)由充水裝置、排氣小車、機(jī)架、高壓增壓器、試壓模具等組成，是水壓試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部分。

圖2 試壓本體立面圖Fig.2 Elevation diagram of hydrotester’s body

圖3 試壓本體平面圖Fig.3 Layout diagram of hydrotester’s body

充水裝置由充水頭、高壓缸體、超高壓增壓器等組成。用于密封鋼管前端部，進(jìn)行充水，超高壓增壓時(shí)的加壓。充水頭移動(dòng)300 mm行程，充水管采用伸縮管形式，所有高壓部分均采用集成式布置，減少泄漏點(diǎn)。高壓缸體上設(shè)有安全卸荷閥，保證試壓過(guò)程中突發(fā)情況時(shí)的管體壓力緊急卸荷。高壓缸體上同時(shí)設(shè)有高壓增壓與超高壓增壓時(shí)的壓力切換閥，保證聯(lián)合增壓過(guò)程中的升壓和卸壓。超高壓增壓器的增壓比為1∶7.6，試壓最大能力達(dá)到200 MPa。

排氣小車由車體、小車移動(dòng)裝置、排氣頭、排氣頭驅(qū)動(dòng)裝置及鎖鍵定位裝置等組成。排氣小車由變頻電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，用兩側(cè)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后的直線移動(dòng)，可根據(jù)測(cè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)鋼管6～14.6 m范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整孔位，也可實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)人工調(diào)整；排氣頭驅(qū)動(dòng)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪，通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)排氣頭的直線運(yùn)動(dòng)，行程最大達(dá)2 m，可滿足鋼管長(zhǎng)度在±600 mm范圍內(nèi)時(shí)小車不需要移動(dòng)，其行走前后均有機(jī)械限位保護(hù)裝置；鎖鍵定位裝置將排氣小車定位在機(jī)架上，通過(guò)兩側(cè)的插銷將試壓時(shí)的軸向力傳遞到機(jī)架上。

機(jī)架采用對(duì)稱工字梁框架結(jié)構(gòu)，試壓時(shí)受力中心在工字梁的對(duì)稱中心。在工字梁上設(shè)有11組調(diào)節(jié)孔位，以滿足鋼管從6～14.6 m的范圍內(nèi)變化時(shí)排氣小車移動(dòng)插孔的試壓要求，梁上設(shè)有導(dǎo)軌和齒條，滿足排氣小車和排氣頭在其上運(yùn)行。梁的剛性滿足在最大試驗(yàn)壓力下密封與管體間無(wú)相對(duì)移動(dòng)。

高壓增壓器單獨(dú)放置，與高壓缸體連接的所有高壓部分放在地面以下且不外露，確保試壓過(guò)程的安全。高壓增壓器的增壓比為1∶3.2，試壓最大能力達(dá)到90 MPa。

3.2 進(jìn)出料及空水裝置

進(jìn)出料臺(tái)架由進(jìn)料臺(tái)架、進(jìn)料翻板、出料臺(tái)架、出料翻板等組成。滿足鋼管在各工位之間的傳遞。

空水裝置由空水升起裝置和吹氣裝置組成。滿足鋼管單邊升起，吹氣空水的要求。

3.3 對(duì)齊測(cè)長(zhǎng)裝置

對(duì)齊測(cè)長(zhǎng)裝置由對(duì)齊輥道、對(duì)齊擋板和測(cè)長(zhǎng)小車組成。用于檢測(cè)鋼管長(zhǎng)度，便于試壓位根據(jù)管長(zhǎng)調(diào)整移動(dòng)小車位置。

3.4 夾緊及接出料裝置

夾緊及接出料裝置由多組夾緊裝置、接料裝置和出料裝置組成，各部分之間用鏈條連接，用于鋼管的夾緊和鋼管進(jìn)出試壓工位。夾緊及接出料裝置在機(jī)架上部沿鋼管軸向方向上可根據(jù)管長(zhǎng)變化自動(dòng)移動(dòng)。

3.5 機(jī)罩

為保證試壓環(huán)境的安全，機(jī)罩將超高壓試壓部分整體全封閉起來(lái)。

機(jī)罩內(nèi)部安裝有操作維修平臺(tái)和起吊裝置，便于更換模具和檢修維護(hù)。內(nèi)部多處設(shè)有攝像頭，方便清楚觀察試壓過(guò)程中設(shè)備的運(yùn)行狀況。

操作室前方安裝有防彈玻璃窗戶，便于直觀的監(jiān)控試壓過(guò)程。

3.6 液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)

控制執(zhí)行元件的動(dòng)作，滿足設(shè)備全自動(dòng)運(yùn)行所需的軟硬件條件。

4 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 集成式超高壓增壓系統(tǒng)

當(dāng)水壓試驗(yàn)壓力達(dá)到200 MPa后，從增壓器到試壓?jiǎn)卧膲毫B接將不能采用傳統(tǒng)的高壓管路連接，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的管路連接不僅存在管道和管路附件的耐壓瓶頸，同時(shí)管路連接增大了增壓容積，而且存在超高壓管路裸露的安全問(wèn)題。采用集成式超高壓增壓系統(tǒng)(圖4)可以解決上述問(wèn)題。

圖4 集成式超高壓增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure drawing of compositive hyperpressure supercharging system

集成系統(tǒng)包含超高壓增壓器、高壓缸體和充水頭等，通過(guò)控制超高壓增壓器，使管道內(nèi)部壓力升高，實(shí)現(xiàn)管道水壓試驗(yàn)，沒(méi)有超高壓連接管路環(huán)節(jié)。試壓過(guò)程通過(guò)承壓塊防止充水頭后退，并將軸向力傳遞到機(jī)架上，使整體結(jié)構(gòu)受力更為合理，降低了整體強(qiáng)度要求，減小設(shè)備體積。超高壓增壓系統(tǒng)和充水裝置集成為一體，大大減少了泄漏點(diǎn)，沒(méi)有管路容積損耗，增壓快速靈敏，提高了增壓效率，降低安全隱患，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

4.2 聯(lián)合增壓系統(tǒng)

試驗(yàn)壓力從0 MPa增至200 MPa時(shí)，所需的增壓容積由一臺(tái)增壓器完成時(shí)，增壓器的體積會(huì)相對(duì)龐大，再考慮到少量氣體不易排出，增壓容積至少應(yīng)達(dá)到110 L，設(shè)計(jì)成集成式的難度增加，同時(shí)制造成本翻倍。在實(shí)際使用中，常規(guī)的鋼管試驗(yàn)壓力在80 MPa以內(nèi)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)按照此壓力劃分增壓器增壓容積，將增壓過(guò)程按照高壓大流量增壓器和超高壓增壓器聯(lián)合兩級(jí)增壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超高壓增壓(圖5)。

圖5 聯(lián)合增壓系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of combined supercharging system

高壓增壓器外置，按照增壓比1∶3.2設(shè)計(jì)，增壓容積為85 L，通過(guò)高壓管路與充水裝置上的高壓缸體相連；超高壓增壓器集成在充水裝置上，按照增壓比1∶7.6設(shè)計(jì)，增壓容積為35 L。兩者在設(shè)計(jì)中均考慮了一定增壓容積富余量，在增壓和卸壓過(guò)程中，兩者之間需要增設(shè)切換閥，以保證壓力的二級(jí)傳送。

4.3 模具和高壓部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

關(guān)鍵超高壓部件如：模具、充水頭、充水桿、高壓缸體、排氣頭等，先進(jìn)行耐高壓材料的比選，選出性價(jià)比最高的高壓特種材料，設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以及計(jì)算機(jī)有限元模擬研究相結(jié)合，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，既提高設(shè)備整體性能和使用壽命，又減少企業(yè)的設(shè)備資金投入，最大限度滿足用戶對(duì)于設(shè)備的要求。

4.4 超高壓水路閥控系統(tǒng)

壓力從高壓上升到超高壓之后，傳統(tǒng)的水閥和閥芯結(jié)構(gòu)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和材料性能的局限性已不能滿足超高壓環(huán)境的使用，需要對(duì)充水閥、排氣閥、安全卸荷閥、壓力切換閥等控制超高壓部分的水路閥進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在閥口形式、密封結(jié)構(gòu)、開(kāi)啟方式和材料選型上進(jìn)行研發(fā)，通過(guò)理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)有限元模擬相結(jié)合，達(dá)到安全使用的要求。

4.5 超高壓密封

在超高壓密封動(dòng)態(tài)連接部分采用車氏密封，利用多級(jí)密封組合達(dá)到密封效果。在超高壓平面密封上采用車氏密封，利用徑向密封與平面密封相結(jié)合的自密封結(jié)構(gòu)，保證密封的可靠性。

在管端密封處，試驗(yàn)并開(kāi)發(fā)出專用的大間隙密封圈，既確保鋼管進(jìn)入試壓模具時(shí)密封圈內(nèi)徑比鋼管外徑大10～15 mm，方便鋼管進(jìn)入試壓模具，又能在承受200 MPa超高壓力時(shí)保證模具密封圈的密封性能，同時(shí)在卸壓后密封圈能夠很好的回彈至原始狀態(tài)。

5 結(jié)速語(yǔ)

Φ323-200 MPa高強(qiáng)度深海管線用超高壓水壓試驗(yàn)機(jī)，是在中國(guó)重型院油氣所自主研發(fā)的鋼管高壓水壓試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的，其機(jī)械、液壓和電氣系統(tǒng)完全具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。超高壓水壓試驗(yàn)機(jī)達(dá)到最大試壓能力200 MPa和最大管徑Φ323 mm的試驗(yàn)?zāi)芰?，?duì)高強(qiáng)度深海管線生產(chǎn)線和更高要求的無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線具有重要意義。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水系統(tǒng)零部件[S].國(guó)家機(jī)械工業(yè)局，1999.

[3] 李培力，侯永超，劉繼高. 超高壓水壓試驗(yàn)機(jī)高壓缸體的有限元分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006(04).

[4] 劉繼高. 國(guó)產(chǎn)首臺(tái)全自動(dòng)高壓水壓試驗(yàn)機(jī)[J].重型機(jī)械，2001(01).

[5] 王海紅，劉繼高，王釗，等. 雙管全自動(dòng)水壓試驗(yàn)機(jī)組的開(kāi)發(fā)[J].鋼管，2007(05).

[6] 寇永樂(lè)，劉慧超，谷瑞杰. 大口徑高壓水壓試管機(jī)充水質(zhì)量的研究[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011(02).

[7] 馬海寬，李培力，劉繼高，等. 高壓水壓試驗(yàn)機(jī)車體有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析 [J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013 (05).

Research and application of hyperpressure hydrotester to deep-sea line pipe

SUI Jian1,2，LI Pei-li1,2，LIU Ji-gao1,2，MA Hai-kuan1,2，KOU Yong-le1,2，WANG Dong-mei1,2，XUE Fei-fei1,2

(1. China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China；2.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，Xi’an 710032，China)

According to the requirements of the high strength and deep-sea line pipe pressure test, this paper developed the first the maximum capacity sets of 200 MPa pressure testing and maximum diameterΦ323 mm steel pipe hydrotester. Combining with main parameters ofΦ323-200 MPa hydrotester, process route, equipment composition and the structure characteristics, in view of the compositive hyperpressure supercharging system, combined supercharging system, die and high pressure parts structure optimization, hyperpressure water-valve control system, such as hyperpressure seal key technology research and development, to meet the requirements of steel pipe test.

hyperpressure；hydrotester；supercharging system；sealing

2015-09-12；

2015-10-10

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目 (2014ZS-06)；西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目-技術(shù)轉(zhuǎn)移促進(jìn)工程(CXY1418)；中國(guó)重型院科研項(xiàng)目(K1505405)

作者簡(jiǎn)介：隋健(1976-)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司高級(jí)工程師，主要從事冶金鍛壓設(shè)備的研究與應(yīng)用。

TH137

A

1001-196X(2016)03-0001-05