球墨鑄鐵管柔性接口密封性能試驗(yàn)臺(tái)研發(fā)

黃 飛，汪正銳，姚成虎，趙 偉，時(shí)紅磊(.國家鋼鐵及制品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心；2.安徽工業(yè)大學(xué) 安徽馬鞍山 243000)

球墨鑄鐵管防腐性能優(yōu)異、延展性能好、安裝簡(jiǎn)易，廣泛應(yīng)用于市政、工礦企業(yè)給水、排污等，目前，我國已是世界上第一大生產(chǎn)和使用國，其80%以上采用滑入式柔性連接。球墨鑄鐵管進(jìn)入市場(chǎng)需要通過第三方的全項(xiàng)目檢測(cè)是否符合GB/T 13295-2019、GB/T 26081-2010、ISO 2531: 2009[1-3]標(biāo)準(zhǔn)，但作為該產(chǎn)品重要性能指標(biāo)的“柔性接口密封性能”的檢測(cè)，目前國內(nèi)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)尚無開展此性能檢測(cè)的能力和設(shè)備，僅有幾個(gè)較大的鑄管廠具有簡(jiǎn)易自制的檢測(cè)裝置，操作不便，自動(dòng)化程度低，且不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該性能測(cè)試的要求[4]。特別對(duì)于出口的鑄管，需要送往法國，澳大利亞等國進(jìn)行此項(xiàng)目的檢測(cè)，相關(guān)檢測(cè)能力屬國內(nèi)空白，因此，建立我國球墨鑄鐵管柔性接口密封性能第三方測(cè)試平臺(tái)，對(duì)于促進(jìn)我國鑄管企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升，消除貿(mào)易壁壘具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法分析

球墨鑄鐵管柔性接口密封性能試驗(yàn)是模擬其在服役時(shí)管體受到外力作用下且同時(shí)收到內(nèi)部壓力和負(fù)壓時(shí)的接口密封效果，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)沒有定型儀器的重要原因是相關(guān)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)提出的試驗(yàn)方法理解不到位，鑒于此，技術(shù)人員經(jīng)過對(duì)英文版ISO 2531：2009標(biāo)準(zhǔn)原文的解析和與國外生產(chǎn)廠相關(guān)技術(shù)人員的技術(shù)交流確認(rèn)：根據(jù)GB/T 13295-2019、GB/T 26081-2010、ISO 2531:2009，柔性接口密封性能試驗(yàn)分為兩大類:一類是內(nèi)壓下接口密封試驗(yàn)，內(nèi)壓下接口密封試驗(yàn)又可細(xì)分為5個(gè)試驗(yàn)，即正壓接口密封試驗(yàn)、正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)、負(fù)壓接口密封試驗(yàn)、負(fù)壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)、正壓接口循環(huán)密封試驗(yàn)；一類是外壓力下接口密封試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)制造

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分組，可采用表1所示進(jìn)行組批試驗(yàn)，一種規(guī)格可代表一組,由于場(chǎng)地和資金限制，此次設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試口徑的上限為DN 800，可代替DN40-1000球墨鑄鐵管的柔性接口密封性能。

表1 型式試驗(yàn)的規(guī)格分組

按照試驗(yàn)要求，為方便試件的安裝和操作，設(shè)計(jì)兩套試驗(yàn)臺(tái)，集成一個(gè)電氣控制臺(tái)。一個(gè)為內(nèi)壓試驗(yàn)臺(tái)，一個(gè)為外壓試驗(yàn)臺(tái)。

2.1 內(nèi)壓試驗(yàn)臺(tái)

內(nèi)壓試驗(yàn)臺(tái)總體尺寸為：6000 mm×3500 mm×2000 mm，設(shè)計(jì)外形如圖1所示，主要由底平臺(tái)、左右封堵機(jī)構(gòu)、前后側(cè)推機(jī)構(gòu)、上剪切加載機(jī)構(gòu)、龍門架、底部支撐機(jī)構(gòu)、左右固定機(jī)構(gòu)、液壓和電氣控制系統(tǒng)組成；左右封堵機(jī)構(gòu)由可拆卸的封堵盤組成，封堵盤可根據(jù)試驗(yàn)管口徑大小進(jìn)行DN 100-DN 800更換，由球墨鑄鐵鑄造而成，采用插堵的方式對(duì)兩端插口進(jìn)行封堵，由液壓油缸控制封堵盤的前后移動(dòng)，方便試樣的安裝；兩端部采用4根經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的40Cr鋼棒固定，同時(shí)具備液壓鎖緊功能，可承受300噸以上的液體縱向拉力；龍門架采用高精度傳感器電機(jī)控制滑軌移動(dòng)，可1600 mm來回移動(dòng)，前后側(cè)推機(jī)構(gòu)和上剪切加載機(jī)構(gòu)均安裝在龍門架上，加載采用V形墊塊液壓加載，加載力值傳感器精度為0.5級(jí)，量程為0-50 kN，龍門架上安裝有3個(gè)成120°排列的高清攝像頭，以監(jiān)控正壓試驗(yàn)過程中接口的密封情況；底平臺(tái)安裝有底部支撐機(jī)構(gòu)、液壓油缸及打壓機(jī)構(gòu)，最大壓力為25 MPa；在試樣和絲杠間安裝3個(gè)可拆卸的激光位移傳感器，以準(zhǔn)確測(cè)量試樣的橫向位移從而測(cè)試接口的偏轉(zhuǎn)角度。

圖1 內(nèi)壓試驗(yàn)臺(tái)

2.2 外壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)

外壓試驗(yàn)臺(tái)總體尺寸為：2600 mm×2500 mm×3200 mm，設(shè)計(jì)外形如圖2所示。主要由底部框架、工作平臺(tái)、龍門架、升降機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)組成；底部框架主要用于固定液壓油缸；龍門架上固定加載V塊，可進(jìn)行前后移動(dòng)，加載V塊間距可調(diào)，可加載0-50 kN；工作平臺(tái)上具有V形塊升降機(jī)構(gòu)，可對(duì)試樣進(jìn)行自動(dòng)對(duì)中調(diào)整，其加載力由兩端油缸控制，V形塊最大可調(diào)距離為400 mm，液壓系統(tǒng)可打最大壓力為2 MPa。

圖2 外壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1 試樣的選擇和加工

采用最常用的DN 400，K9規(guī)格球墨鑄鐵管進(jìn)行試驗(yàn)，DN 200、DN 800規(guī)格的球墨鑄鐵管試驗(yàn)過程相同，僅參數(shù)設(shè)置不同，由標(biāo)準(zhǔn)可知試驗(yàn)條件為最大承口與最小插口組合接口狀態(tài)下，即最大設(shè)計(jì)徑向間隙和最不利接頭密封的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。要求試樣的平均壁厚應(yīng)為設(shè)計(jì)壁厚最小值的10%以內(nèi)，平均壁厚為試驗(yàn)管插口部分自插口端面起大于2 DN的距離。試驗(yàn)管通過選擇和打磨，承口、插口和壁厚可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)尺寸在極限偏差要求附近。如表2所示。

表2 DN 400試驗(yàn)管承插口及壁厚尺寸(mm)

內(nèi)壓力下接口密封試樣：截取兩端試驗(yàn)管每段長(zhǎng)度為1250 mm，一段為雙插口，一段帶有一個(gè)插口和一個(gè)承口。在每段切割處打磨45°的倒角，方便安裝，同時(shí)避免安裝時(shí)損壞膠圈。

外壓力下接口密封試樣：由兩個(gè)焊接在一起的雙承口同時(shí)插入一根插口中，插口長(zhǎng)度為1200 mm，焊接使用專用的鑄鐵焊條，并且在焊接過程中不斷敲擊焊接處邊緣，釋放應(yīng)力以避免焊縫開裂。

3.2 試驗(yàn)條件及步驟

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出內(nèi)壓力下接口密封試驗(yàn)和外壓力下接口密封試驗(yàn)條件，按圖3和圖4進(jìn)行組裝連接，試驗(yàn)步驟為：正壓接口密封試驗(yàn)-正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)-負(fù)壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)-負(fù)壓接口密封試驗(yàn)-正壓接口循環(huán)密封試驗(yàn)-外壓力下接口密封試驗(yàn)。

圖3 內(nèi)壓力下接口密封性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 外壓力下接口密封試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2.1 內(nèi)壓力下接口密封試驗(yàn)

正壓接口密封試驗(yàn)：試件組裝完成后從封堵段由上而下注滿水排凈空氣，待水注滿后，將注水管移接打壓口，連接高壓泵，以0.1 MPa/s的增壓速度打壓，升至試驗(yàn)壓力6.8 MPa后進(jìn)行保壓，同時(shí)在自承口面起200 mm處，通過120°V形墊塊施加剪切力W為26 kN于插口處。保壓2小時(shí)，通過攝像頭和時(shí)間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)：在正壓接口密封試驗(yàn)完成后，撤除剪切力W，重新打壓至實(shí)驗(yàn)壓力6.8 MPa進(jìn)行保壓，通過側(cè)推調(diào)整接口偏轉(zhuǎn)角度為2°48′。保壓2小時(shí)，通過攝像頭和時(shí)間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

負(fù)壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)：正壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)完成后，充氣排水，將管內(nèi)水排凈，抽出空氣至0.09 MPa的負(fù)內(nèi)壓力，移走真空泵，保壓2小時(shí)，通過時(shí)間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

負(fù)壓接口密封試驗(yàn)：負(fù)壓接口偏轉(zhuǎn)密封試驗(yàn)完成后，進(jìn)行側(cè)推對(duì)中調(diào)整，使接口處于平直狀態(tài)，抽出空氣至0.09 MPa的負(fù)內(nèi)壓力，移走真空泵，同時(shí)在自承口面起200 mm處，通過120°V形墊塊施加剪切力W為26 kN于插口處，保壓2小時(shí)，通過時(shí)間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

正壓接口循環(huán)密封試驗(yàn)：負(fù)壓接口密封試驗(yàn)完成后，將試樣進(jìn)行對(duì)中調(diào)整，使接口處于平直狀態(tài)，沖水排氣，待水注滿后連接高壓泵打壓，在自承口面起200 mm處，通過120°V形墊塊施加剪切力W為26 kN。管內(nèi)壓力升高至最大允許工作壓力5.0 MPa，保持5 s，壓力下降至4.5 MPa，保持5 s。如此循環(huán)，循環(huán)24000次，通過攝像頭和時(shí)間-壓力曲線監(jiān)控接口密封情況；

3.2.2 外壓力下接口密封試驗(yàn)

內(nèi)壓試驗(yàn)完成后，向環(huán)形腔內(nèi)充水排氣，待氣體排凈堵住出氣口，進(jìn)行打壓，打壓至實(shí)驗(yàn)壓力0.2 MPa, 通過兩個(gè)120°V形墊塊分別施加剪切力W為6 kN于試件兩側(cè)的插口。V形加載塊位置在自承口面起200 mm處。承口放在水平支架上。試驗(yàn)壓力在0.2±0.01 MPa范圍內(nèi)浮動(dòng)并保持2小時(shí)，在此期間每15分鐘全面檢查受壓部位的接口處，監(jiān)控接口密封情況。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

按上節(jié)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟，得出本次試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示。由表可知，設(shè)計(jì)制造的試驗(yàn)臺(tái)完成了柔性接口密封性能試驗(yàn)的6個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)的技術(shù)條件符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所檢的試樣管柔性接口密封性能合格。

表3 DN400球鐵管試驗(yàn)條件及結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)制造的球墨鑄鐵管柔性接口密封性能試驗(yàn)臺(tái)，性能可靠，液壓和機(jī)械控制部分各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目的，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加載，自動(dòng)打壓，自動(dòng)對(duì)中，自動(dòng)測(cè)試接口偏轉(zhuǎn)角度，自動(dòng)化程度高；

(2)試驗(yàn)臺(tái)能按照GB/T 13295-2019、 GB/T 26081-2010及ISO 2531: 2009標(biāo)準(zhǔn)完成了DN 400，K9管的全部正壓、正壓偏轉(zhuǎn)、負(fù)壓 、負(fù)壓偏轉(zhuǎn)、正壓循環(huán)、外壓力下接口密封等6項(xiàng)試驗(yàn)；實(shí)現(xiàn)了球墨鑄鐵管接口在水平方向的偏轉(zhuǎn)并進(jìn)行了精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動(dòng)24000次的循環(huán)壓力試驗(yàn)功能；

(3)DN400、K9球墨鑄鐵管的柔性接口密封試驗(yàn)結(jié)果表明，其內(nèi)壓力下接口密封和外壓力下接口密封性能均超出國際標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)球鐵管的接口密封性能可靠。