螺旋焊管水壓機升降托輥的設(shè)計及改進

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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發(fā)建設(shè)，對其服役性能的要求也日趨于嚴(yán)格。焊管靜水壓試驗也就是我們俗稱的水壓作為焊管質(zhì)量檢驗的要求之一，在API SPEC 5L(45版）和GB/T9711-2011中都規(guī)定了每根鋼管必須進行水壓試驗，并需要保壓一定時間，且在試驗過程中焊縫或管體不應(yīng)滲漏。其目的是檢驗鋼管是否合格，及消除鋼管在焊接過程中出現(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，還會造成焊縫裂紋的擴展。因此，鋼管水壓試驗是螺旋焊管產(chǎn)品檢驗中的一道重要工序。

水壓試驗是通過鋼管水壓機設(shè)備來實現(xiàn)的。水壓機大體由機械、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)三大部分組成。

如圖1所示，水壓試驗主要原理是利用油水平衡控制對鋼管進行靜水壓試驗來檢查鋼管在管線設(shè)計的試驗壓力下是否有滲漏現(xiàn)象。首先鋼管進入兩端的密封裝置，通過上水系統(tǒng)對鋼管內(nèi)部注水（低壓水），注水的同時水壓機的排氣裝置（排氣閥）把鋼管內(nèi)的空氣排出，注水完成后啟動增壓裝置進行增壓注水直至規(guī)定的水壓壓力，在水壓上升的過程中油壓也相對上升（由液控比例閥來控制）。達到規(guī)定壓力和規(guī)定時間之后觀察在此過程中如果沒有泄漏、鋼管變形等現(xiàn)象，則進行卸壓。水壓機端封移動，排出管內(nèi)水，在水壓試驗的同時計算機系統(tǒng)會把鋼管打壓的全過程進行記錄，主要是通過記錄壓力變化曲線來實現(xiàn)。

在整個水壓機設(shè)備中升降托輥是其重要組成部分，在打壓過程中承載運送鋼管，對不同規(guī)格直徑的鋼管進行調(diào)節(jié)，使之能順利完成水壓試驗。其動作過程是：托輥升起→接管→托輥落下→進行壓力試驗。不同管徑鋼管打壓時，托輥的位置由托輥的導(dǎo)向柱確定。通過多年來使用經(jīng)驗，筆者公司經(jīng)過幾次設(shè)計改進使該機構(gòu)操作更加簡單、準(zhǔn)確、維修方便。

圖1 水壓試驗簡圖

1 托輥設(shè)計

圖2 托輥結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 運動分析

升降托輥結(jié)構(gòu)見圖2，托輥安裝在托架上，整個托架結(jié)構(gòu)通過油缸的作用作相應(yīng)的上下升降運動，帶動托輥做上下升降運動，完成對不同管徑鋼管的托舉功能。在打壓試驗過程中，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，且每根鋼管打壓過程至少需要幾分鐘甚至十幾分鐘，這樣對于油缸的損傷過大，容易引起油缸故障，因此設(shè)計上考慮讓打壓試驗時油缸處于非升起狀態(tài)，打壓中心高度低于接管時鋼管中心高度，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行打壓試驗。對于不同管徑要求，托輥下降高度不同，因為水壓機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)計時可推導(dǎo)計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，可以在水壓過程中實現(xiàn)鋼管位置的調(diào)節(jié)，以保證鋼管能準(zhǔn)確順利地進入水壓端封。不同管徑的鋼管與輥道輥面的接觸點位置不同，相對托輥軸線的旋轉(zhuǎn)半徑是變化的。這里引入等效直徑的概念，通過接觸點的確認(rèn)來計算出托輥等效直徑，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為輥子V形角度，（°）；d為鋼管直徑，mm。

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

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

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

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

2 使用效果

水壓機使用一段時間后發(fā)現(xiàn)，初步設(shè)計的升降托輥存在很多問題，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)存在以下問題：1）托輥升起后不穩(wěn)定。鋼管越重越不穩(wěn)，左右晃動，前后傾斜，鋼管不在水壓機中心線上，每次鋼管升起后，必須要有人將鋼管扶正，機架再向前進。造成這一問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)，時間長了，導(dǎo)致橫移油缸活塞桿彎曲或者斷裂。2個活塞桿都曾經(jīng)斷裂，后來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，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)動不靈活，橫移油缸移動時，由于反作用力的作用，滑動支架經(jīng)常翹起來。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。由于存在以上的問題，致使工人勞動強度增大，生產(chǎn)效率降低，操作不安全，所以，有必要對托輥裝置進行改造。

3 托輥的改進設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

1）托輥升起后不能前后左右擺動；2）托輥升起后對中性要好，一次調(diào)好后不用再調(diào)，能順利地進入封頭；3）托輥轉(zhuǎn)動靈活，鋼管能前后移動；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左右擺動，導(dǎo)向套加長，適當(dāng)減少配合間隙，防止前后傾斜；用馬達（1QJM12-1.25）代替原來的橫移油缸，可以實現(xiàn)鋼管的前后移動，使鋼管離開封頭，該馬達滾動體是采用鋼球代替了一般內(nèi)曲線液壓馬達所用的2只以上滾輪和橫梁，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，體積、重量顯著減少，且運動副慣量小，鋼球結(jié)實可靠，可以在較高轉(zhuǎn)速和沖擊負(fù)載下連續(xù)工作，又具有二級和三級變排量，具有較大的調(diào)速范圍，拆檢方便，對油清潔度無特殊要求，用馬達還有一個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)鋼管直徑計算出托輥升起高度，通過托輥下的2組馬蹄墊鐵來調(diào)節(jié)升降高度：根據(jù)試壓鋼管管徑大小確定導(dǎo)向杠伸出長度，然后選取確定厚度的馬蹄鐵組穿過導(dǎo)向桿墊在托輥下方進行高度定位的托輥的控制。初始時，托輥在最低位置，鋼管翻入水壓機停止后，托輥升起，這時，可以旋轉(zhuǎn)馬達，使鋼管移動到封頭，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，馬達帶動鋼管旋轉(zhuǎn)，使鋼管離開封頭，然后托輥下落，鋼管滾出水壓機。

該裝置根據(jù)不同規(guī)格鋼管，通過加減馬蹄墊鐵來實現(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：單向節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)液壓馬達的旋轉(zhuǎn)速度和托輥的升降速度，并調(diào)節(jié)2個液壓馬達和托輥的速度同步；液控單向閥防止托輥油缸的下落；溢流閥是防止馬達換向時產(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，油缸和馬達可選用德國力士樂的產(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

托輥改進后新的裝置降低了工人的勞動強度，提高了崗位的工作效率和安全性，同時降低了機組故障率，加快鋼管的試壓速度，但在使用時發(fā)現(xiàn)了新問題：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)整托輥高度時要反復(fù)調(diào)試，費時費力。2）在工作時，由于馬蹄墊鐵未在導(dǎo)向桿徑向進行定位，運動過程中的振動使馬蹄鐵在導(dǎo)向桿內(nèi)錯位，從而導(dǎo)致上下2組馬蹄鐵受力面錯位，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，更易出現(xiàn)此種情況。

圖6 導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)示意圖

改進后的導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)如圖6，針對改造后使用中存在的問題，作了進一步的改進：1）馬蹄鐵規(guī)格簡化解決方法。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，不同高度定位時先通過不同的圓孔調(diào)整，然后通過馬蹄鐵微調(diào)，可以減少馬蹄鐵規(guī)格，達到節(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)整時圓環(huán)墊片將馬蹄鐵阻隔開來，從而使馬蹄鐵間受力面加大，受力均勻，不再受其錯位定位不準(zhǔn)的影響。

4 結(jié) 語

經(jīng)過多次改造設(shè)計后，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強度，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。把托輥墊塊由原來的十幾種規(guī)格簡化為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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