3000 t水壓試管機(jī)安裝精度及調(diào)整方法的研究

王飛鵬 王建彪 王國(guó)龍

(太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

石油天然氣作為各國(guó)主要的能源產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)都得到了快速發(fā)展，與此同時(shí)帶動(dòng)了石油管道運(yùn)輸業(yè)的繁榮。鋼管作為運(yùn)輸石油和天然氣的主要輸送管道，其生產(chǎn)和研發(fā)受到各工業(yè)國(guó)的重視。為了提高鋼管的質(zhì)量，增強(qiáng)使用的安全可靠性，各鋼管廠家都在強(qiáng)化鋼管的出廠檢測(cè)。在現(xiàn)有的檢測(cè)和試驗(yàn)方法中，靜水壓試驗(yàn)由于檢測(cè)效率和準(zhǔn)確率較高，被廣泛應(yīng)用于鋼管制造的工藝流程中，也是用戶(hù)比較關(guān)注的重要試驗(yàn)工序之一[1-2]。

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件，石油鋼管必須進(jìn)行相應(yīng)的耐壓試驗(yàn)，水壓試管機(jī)作為螺旋焊管和直縫焊管生產(chǎn)線(xiàn)上重要設(shè)備之一，通過(guò)檢測(cè)能夠保證產(chǎn)品的耐壓能力和產(chǎn)品性能，并為鋼管的最終使用提供可靠的保障。高壓、大口徑水壓試管機(jī)一方面可以檢測(cè)鋼管的泄漏情況，另一方面能夠減少鋼管在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力[3]。

本文將重點(diǎn)對(duì)國(guó)產(chǎn)3000 t級(jí)水壓試管機(jī)在裝配過(guò)程中拉力梁、前后橫梁以及主梁中心線(xiàn)調(diào)整對(duì)中問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)保證產(chǎn)品裝配精度，提高產(chǎn)品使用性能具有重要意義。

1 水壓試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成

3000 t水壓試管機(jī)作為公司出口產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量控制比較嚴(yán)格。該設(shè)備主要用于對(duì)大直徑(管徑?355.6～1422 mm)鋼管進(jìn)行水壓試驗(yàn)。通過(guò)一定水壓作用來(lái)檢測(cè)鋼管是否存在滲漏缺陷，以及鋼管在外力作用下的承載能力。另外，通過(guò)水壓測(cè)試，能夠消除鋼管體內(nèi)部分殘余應(yīng)力，達(dá)到對(duì)產(chǎn)品性能優(yōu)化的目的。其整體設(shè)計(jì)新穎，工藝布局合理，主要由機(jī)械設(shè)備、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及水系統(tǒng)組成。

1.1 機(jī)械設(shè)備

本次產(chǎn)品采用拉力梁框架結(jié)構(gòu)，上下共四根拉力梁，形成窗口式配置。梁與機(jī)架用強(qiáng)力銷(xiāo)子連接，移動(dòng)端的上下拉力梁上設(shè)有6組銷(xiāo)孔，機(jī)架移動(dòng)時(shí)，銷(xiāo)子可在選定的銷(xiāo)孔內(nèi)插拔。其結(jié)構(gòu)主要由上梁、下梁、后壓頭裝置、前壓頭裝置、橫梁、排氣閥、充氣閥以及行走機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 3000 t水壓試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 1 Mechanical structural diagram of 3000 t hydrostatic testing machine

(1)上下梁

上下梁共四根，形成框架結(jié)構(gòu)，每一件梁都為高屈服強(qiáng)度鋼板焊接成矩形結(jié)構(gòu)，梁上加工6處等間距的精孔，通過(guò)插拔銷(xiāo)功能用于實(shí)現(xiàn)前壓頭裝置不同位置的固定。

(2)沖水頭

沖水頭包含沖水閥、卸荷閥、小排氣閥、梭閥。其固定在上下梁組成的受力框架上。高壓水和填充水通過(guò)管道傳送至沖水頭。當(dāng)沖水閥開(kāi)啟時(shí)，低壓水從水罐充至待測(cè)試的鋼管中，充水完成后，沖水閥關(guān)閉，鋼管開(kāi)始試壓，試壓完成后，沖水頭通過(guò)比例卸荷閥進(jìn)行泄壓。

(3)前壓頭裝置

前壓頭裝置包含有大小排氣閥、支撐液壓缸、進(jìn)給液壓缸、鎖緊裝置、機(jī)加推拉裝置等組成。根據(jù)試驗(yàn)鋼管長(zhǎng)度的不同，前壓頭裝置將排氣頭推拉至相應(yīng)位置，其前后的移動(dòng)通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)。大、小排氣閥主要實(shí)現(xiàn)鋼管充低壓水時(shí)排氣功能[4]。

(4)夾緊拔管裝置

水壓試管機(jī)夾緊拔管裝置采用液壓夾緊方式，通過(guò)上下夾緊液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)抱管架向鋼管外徑移動(dòng)，上下抱管架左右兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向桿，起固定和導(dǎo)向作用，上下抱管架通過(guò)固定銷(xiāo)軸分別與上下橫梁連接。夾緊拔管裝置的作用主要有兩個(gè)方面：第一，在鋼管試驗(yàn)完成，壓力釋放過(guò)程中防止試驗(yàn)鋼管沿軸線(xiàn)方向產(chǎn)生位移；第二，在鋼管試驗(yàn)過(guò)程中，起到對(duì)鋼管的穩(wěn)固作用，防止鋼管發(fā)生較大變形。

(5)試壓工具

試壓工具主要是為了滿(mǎn)足水壓試管機(jī)對(duì)不同試壓壓力和試壓管徑的適應(yīng)性要求，其主要設(shè)置有兩種不同的密封工具：端面密封和徑向密封。當(dāng)鋼管試壓壓力大于25 MPa時(shí)，采用徑向密封工具；小于等于25 MPa時(shí)，采用端面密封工具[5]。

(6)托管升降裝置

托管升降裝置主要包括升降臺(tái)裝置、橫向移動(dòng)小車(chē)和旋轉(zhuǎn)輥裝置等設(shè)備。試驗(yàn)鋼管通過(guò)旋轉(zhuǎn)輥道移送至橫向移動(dòng)小車(chē)，橫移小車(chē)將鋼管輸送至水壓試管機(jī)中心線(xiàn)上，再由升降臺(tái)裝置將鋼管升降至前后水壓頭中心位置，升降高度由帶位移傳感器液壓缸控制，使鋼管落入設(shè)定位置。

(7)增壓裝置

水壓試管機(jī)的增壓裝置主要作用是為試壓鋼管提供高壓水，通過(guò)增壓缸的往復(fù)工作保證系統(tǒng)高壓水的連續(xù)供應(yīng)；通過(guò)控制進(jìn)油側(cè)壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管測(cè)試壓力的精準(zhǔn)控制。

1.2 液壓系統(tǒng)

水壓試管機(jī)的液壓系統(tǒng)主要有油水平衡液壓系統(tǒng)、增壓器液壓系統(tǒng)以及輔助液壓系統(tǒng)。其中油水平衡液壓系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)排氣頭支撐液壓缸與鋼管試驗(yàn)壓力之間的平衡；增壓液壓系統(tǒng)主要保證試樣鋼管內(nèi)的試驗(yàn)壓力，完成低壓水向高壓水的轉(zhuǎn)變，獲得增壓壓力；輔助液壓系統(tǒng)主要是在夾緊裝置、升降裝置、輥道升降等機(jī)構(gòu)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

1.3 水系統(tǒng)

水壓試管機(jī)水系統(tǒng)主要完成試驗(yàn)管件的沖洗、沖水、加壓和保壓過(guò)程。設(shè)備主要有充水罐、泵、閥門(mén)及相應(yīng)管道組成。

1.4 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

最大承載能力：3000 t

最高試驗(yàn)壓力：50 MPa

試驗(yàn)鋼管外徑：?355.6～1422 mm

試驗(yàn)鋼管壁厚：6～40 mm

試驗(yàn)鋼管長(zhǎng)度：8000～13000 mm

試驗(yàn)方式：?jiǎn)胃?/p>

最大單根重量：17.5 t

試驗(yàn)介質(zhì)：水

水壓穩(wěn)壓精度：<0.4 MPa

保壓時(shí)間：5～30 s

設(shè)備生產(chǎn)能力：150 000 t/a

2 安裝過(guò)程出現(xiàn)的主要問(wèn)題

拉力梁作為水壓試管機(jī)上關(guān)鍵部件，上下梁總共4件，每件長(zhǎng)度21 m，寬度250 mm，高度1030 mm，每件重量達(dá)21 t。由于本結(jié)構(gòu)中，拉力梁一端可以通過(guò)橫梁上下左右對(duì)稱(chēng)位置的鍵槽進(jìn)行固定支撐，而另一端安裝有后壓頭裝置，如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)后壓頭中安裝拉力梁的上下4個(gè)開(kāi)檔左右面均為非加工面，在實(shí)際調(diào)整過(guò)程中，將左右下梁調(diào)整到要求平行度非常困難。實(shí)際裝配過(guò)程中出現(xiàn)了如圖3所示的情況，調(diào)整較好情況下，前后梁開(kāi)檔距離誤差達(dá)3～5 mm?？紤]上下梁的平行度要求，將上下4根橫梁同時(shí)調(diào)整至一定范圍的平行度將更加困難，誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了試驗(yàn)大綱要求。后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)整過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)上下橫梁平行度達(dá)不到安裝精度要求，影響了整機(jī)的安裝精度。針對(duì)上述問(wèn)題，本次生產(chǎn)過(guò)程中將工藝做了重點(diǎn)修改。

圖2 后壓頭裝置圖Figure 2 Diagram of rear pressure head device

如圖3所示，左右下梁的前端與橫梁進(jìn)行連接，橫梁上加工有兩處鍵槽，通過(guò)安裝固定鍵與兩下梁進(jìn)行定位，保證前端距離為固定值m。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)后壓頭裝置中安裝拉力梁的上下4個(gè)開(kāi)檔左右面均為非加工面，在實(shí)際調(diào)整過(guò)程中，將左右下梁距離n與m調(diào)整到要求平行度非常困難。

n-m=3～5 mm圖3 工藝改進(jìn)前調(diào)整結(jié)果Figure 3 Adjustment results before process improvement

若安裝過(guò)程中出現(xiàn)如圖3所示狀況，將導(dǎo)致行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)緩慢，甚至出現(xiàn)不移動(dòng)現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)分析原因，發(fā)現(xiàn)主要是由于上下橫梁之間的距離出現(xiàn)偏差，使得橫梁與行走裝置間的摩擦增大，對(duì)橫梁進(jìn)行重新矯正后，上述問(wèn)題得到解決?？梢?jiàn)，如何保證上下4根橫梁的安裝平行度至關(guān)重要。

3 解決方案

為解決上下橫梁安裝過(guò)程中出現(xiàn)的不平行問(wèn)題，本文重點(diǎn)提出以下解決方案：

(1)在加工橫梁、后壓頭裝置的過(guò)程中，數(shù)控鏜床以橫梁和后壓頭裝置中已加工中心孔為基準(zhǔn)，刻畫(huà)橫梁和后壓頭裝置十字中心線(xiàn)，具體如圖4所示。

圖4 水壓試管機(jī)拉力梁裝配調(diào)整示意圖Figure 4 Schematic diagram of tension beam assembly and adjustment of hydrostatic testing machine

(2)在拉力梁加工過(guò)程中考慮裝配調(diào)整的需要，在每件拉力梁內(nèi)側(cè)面，按加工中心分中，并按照要求尺寸等距離均勻銑5處?100 mm的基準(zhǔn)面，粗糙度Ra6.3 μm，并且保證每件拉力梁基準(zhǔn)中心位置一致，如圖5所示。

圖5 4件拉力梁加工工藝基準(zhǔn)Figure 5 Fabrication process datum of four tension beams

裝配過(guò)程中以橫梁、后壓頭裝置已經(jīng)刻劃好的十字中心線(xiàn)，通過(guò)拉鋼絲確定裝配中心線(xiàn)；然后通過(guò)調(diào)整4根拉力梁到中心線(xiàn)間的距離，保證試驗(yàn)大綱要求，上下梁位置平行度≤1 mm，左右位置平行度≤1 mm，前后中心線(xiàn)應(yīng)調(diào)整到同一軸線(xiàn)上，偏差≤1 mm。

通過(guò)采取上述方案，提前在橫梁與后壓頭裝置中刻劃中心線(xiàn)，在上下橫梁內(nèi)側(cè)加工基準(zhǔn)面，能夠有效解決拉力梁在裝配過(guò)程中平行調(diào)整問(wèn)題。

在廠內(nèi)試裝過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)新的加工和裝配工藝，能夠有效提高上下橫梁之間的平行度，行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行更加靈活，整機(jī)性能得到明顯提高，同時(shí)極大地節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3000 t水壓試管機(jī)廠內(nèi)安裝調(diào)試，證明采用改進(jìn)后的工藝方案能大幅度提高水壓試管機(jī)安裝精度。其中橫梁、后壓頭裝置中心線(xiàn)的提前刻劃，拉力梁工藝基準(zhǔn)的加工起到了關(guān)鍵作用。改變后的新工藝方法，很好地解決了拉力梁位置精度調(diào)整問(wèn)題，并在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用，證明其工藝方法的可行性。在保證產(chǎn)品的精度要求的同時(shí)，減少了廠內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)整時(shí)間，控制了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。