4000 t 钢管水压机径向密封试压过程优化

孟凡佳，赵庆忠，刘 东，刘增强，杨 魁

（渤海装备巨龙钢管有限公司，河北 青县062658）

0 前 言

根据钢管生产依据的标准和规范，需要进行的质量检验项目主要包括水压试验、尺寸及表面检查各种理化检验及无损检验等。静水压试验机是检验埋弧焊钢管产品质量的重要设备之一，API SPEC 5L和 GB/T 9711.1—1997标准中都明确规定，每根钢管应进行静水压试验且不得有渗漏现象。对于直径不小于508 mm的焊接钢管，试验压力保持时间应不小于10 s。同时，静水压试验机也是影响机组生产率的关键设备之一，如果静水压试验机不能正常完成试压工作，就会造成钢管积压，影响生产工艺流程的畅通。钢管积压过多，就会影响正常生产，甚至导致机组停机，给企业造成巨大的经济损失[1-4]。

钢管静水压试验主要有3个优点：①可将更多的大尺寸缺陷扩展至临界尺寸，从而被暴露而返修或清除，把问题解决在出厂之前。②在残存的小缺陷尖端处造成局部塑性变形引起钝化，降低缺陷的临界扩展率。卸压后在缺陷尖端区域周围引起局部残余压缩应力，对缺陷的扩展起抑制作用并提高含裂纹体的抗断裂能力。③可以消除更多引起管道断裂的有危害的成型和焊接残余应力[5]。

根据试验压力的不同，钢管水压试验机主要有两种密封形式，即端面密封和径向密封。端面密封主要应用于25 MPa及以下试压条件。对于大壁厚海底油气管道用钢管，需要的耐压等级一般都在35 MPa以上，如果采用端面密封就需要钢管两端承受更大的端面预密封压力，过大的轴向压力易造成钢管直线度变大，存在影响钢管质量的潜在危害因素。而径向密封则由密封胶圈的径向张力达到密封效果，钢管两端承受的轴向压力大大减小，因此试验压力大于25 MPa时须采用径向密封试压。

1 径向密封的工作原理

径向密封将装在试压头上的径向密封圈伸入钢管内部，通过内部加压膨胀以实现密封圈与钢管内壁的接触密封，从而达到管口密封效果。径向密封结构如图1所示，巨龙钢管公司制管二厂水压机径向密封即采用这种内径向密封形式，这种密封方式靠外来的高压液体压力使密封圈外径胀大实现对钢管内径的密封。径向密封结构试压头结构简单，密封圈更换方便，常见于大直径钢管水压试验机。内径向密封技术需去除管端约150 mm的内焊缝，即焊缝高度与母材基本一致[6-7]。

图1 径向密封结构示意图

内径向密封结构的工作原理是：两端试验头进入钢管后，高压水通过进水孔进入两端胶圈和试验头组成的密封腔，在高压水的作用下，胶圈胀大，其外径与钢管内径接触形成径向密封面。当预密封压力到达设定值时，低压水阀门开启向钢管内注水同时放气阀开始排气，排气完成后，低压水阀关闭，增压器向管内注入高压水到额定压力值并保压一定时间后，水压试验完成[8]。试压密封动作过程如下：

（1）当主缸油压达到预紧力后，按下 “预密封增压器增压”，径向预密封触发，密封压力可在人机界面上设置。

（2）当径向预密封压力达到设定压力后，按下 “充水阀打开”，充水阀和放气阀自动打开，钢管充水、排气。

（3）待钢管内空气排完后，按下 “充水阀关闭”，系统将首先关闭移动端DN150放气阀，5 s后系统自动关闭移动端和固定端的两个DN50放气阀，3 s后系统自动关闭充水阀，充水结束。

（4）充水结束后，按下 “增压开始”，主增压器开始给钢管增压，当钢管内的水压接近预密封压力时，预密封增压器开始给预密封补压，主增压器、预密封增压器同步增压。达到试验压力后，主增压器停止增压，预密封增压器继续给预密封补压，以保持预密封压力始终大于钢管水压（预密封水压比钢管内水压大多少可由触摸屏上的 “预密封强度”调节）。

（5）当上位机软件提示保压合格后，可按下“卸压阀卸压”，系统将顺序打开固定端卸压阀、预密封卸压阀和放气阀，钢管和径向密封圈内的压力被逐渐释放。当卸压完成后，系统将自动关闭油水平衡，主缸自动后退到位，所有放气阀、卸压阀将回到保压状态等待下次试压。

2 生产过程中存在的问题及原因分析

2.1 存在的问题

巨龙钢管公司制管二厂水压机安装完成后即投入生产。由于缺乏相关试压经验，在生产初期出现了各种问题，其中最主要的问题有以下两个：

密封胶圈内水压增长与钢管内水压增长不能始终保持同步，导致胶圈密封不严，出现增压过程中频繁喷水，无法正常增压，造成试压压力不稳，如图2所示。在本例中，密封圈内水压增至20 MPa时快速下降，导致密封压力不足，钢管内高压水在密封过程中发生泄露，使钢管内水压无法继续增大。接下来的过程中，密封圈内水压与钢管内水压再难保持平衡，钢管内水压增长至27 MPa时依然漏水严重，只能放弃增压。

即便钢管内水压偶尔达到保压压力，保压时钢管内压力下降过快，导致保压失败，如图3所示。本例中，规定保压压力39.3 MPa，保压时间21 s，由于密封不好，导致保压15 s后水压下降至规定压力以下，保压失败。

图2 管端密封不严造成的增压过程不稳定

图3 管端密封不严造成的保压失败

2.2 增压及保压失败原因分析

径向密封电气控制系统为闭环控制系统，通过现场安装的压力传感器采集密封圈及钢管内实时水压，反馈至PLC模拟量采集模块，PLC将密封圈内水压实际值与钢管水压实际值相比较，获得密封水压差，密封水压差反映实际密封效果。增压过程和保压过程都是以水压差为基础进行的，以水压差为控制对象选择合适的设备参数才能顺利完成试压过程。程序内关键参数的设定是否合适成为问题的关键。

2.2.1 增压过程压力不同步

密封圈增压与钢管内增压属于两个独立的液压系统，通过PLC程序使两者相互联系起来。密封胶圈内增压输出压力是以钢管内水压为基础增加一个增压常数。但由于比例阀线性度不统一等因素，即使经过比例阀线性标定，它们之间的增压速度不可避免地存在不同步性。为了实现两者增压的同步性，密封胶圈PLC控制程序设计径向密封增压过程如下：密封胶圈的内水压增压采用双速增压，胶圈水压与钢管内水压压差小于2 MPa时进行高速增压，水压差大于4 MPa时进行低速增压，高速切换为低速时，水压差骤降使密封性能降低，导致钢管内高压水喷出，钢管内水压下降，且由于密封增压速度是以实时水压为基础，将导致密封胶圈内水压随之下降，这种情况下实现增压过程非常困难。显然低速设定值无法满足正常的密封需求。

2.2.2 保压过程不同步

径向密封的密封胶圈水压的控制分为4个过程，即预增压过程、同步增压过程、同步保压过程和紧急释放过程，其中紧急释放过程是一个保护机制。由于比例阀存在一定程度的非线性化，使得实际输出值与设定输出值存在一定偏差，因此在设计控制程序时，为了防止密封圈内的水压不受控制地增大导致密封圈损坏和钢管管端撑大变形导致质量缺陷，保压状态设有极限压力保护措施。极限压力计算公式为

式中：pmax—极限压力，MPa；

pT—试验压力，MPa；

pB—保压区压力，MPa；

n—常数。

如果密封胶圈内的水压超过设定的极限值，则径向密封增压器内的压力输出会瞬间降至0，密封胶圈内的过高水压泄至增压器内，从而避免出现管端超标现象。保压区压力（pB）的可更改范围非常小，无法影响极限压力，因此决定极限压力大小的因素为常数n。为了保证设备安全，常数n的数值只有在程序中才能改动，此参数的出厂设定值为2。通过反复地实时监控发现，水压机屡屡保压失败的问题也正在于此，实际应用中由于胶圈硬度较大及其他一些因素，往往使得这个出厂设定值处在了密封胶圈的安全压力范围之内，而此时如果压力卸掉，导致的就是保压过程的失败。

3 试压过程优化措施

分析清楚问题产生的原因，分别提出增压过程和保压过程的优化方案。

3.1 增压过程不同步解决方案

针对增压过程压力的不同步性，尝试降低高低速增压的切换次数，使增压过程尽量维持在高速增压阶段，避免因高速切换至低速带来的压力波动。由于密封胶圈硬度大，2 MPa的水压差无法满足密封要求，因此需要在保证胶圈及钢管安全的前提下，使高、低速切换次数尽可能减少。鉴于使用的径向密封胶圈承受内外压差大，重新更改增压过程参数，使单次增压过程中密封圈内增压过程完全处于高速增压过程。另外，径向密封圈选用高性能的原生胶料，以保证密封圈所需的高强度、高弹性等综合性能。目前最常用的胶料一般有橡胶和聚胺脂，可根据钢管的试验压力选择性价比高的胶料只要满足使用要求即可[9]。根据胶圈密封性能，合理设定高、低速切换范围，将高速增压范围设定在水压差3～5 MPa之间。

3.2 保压过程问题解决方案

针对保压过程经常超出极限压力的情况，可根据径向密封胶圈的性能适当提高极限压力值，使得密封圈发生的形变能够保持密封状态，同时又不至于破坏密封胶圈的弹性，通过逐渐加大常数n进行试验，最终选取n=5作为合适的打压参数。在这个参数下，由于密封胶圈内水压没有触及极限压力，从而没有触发紧急释放机制，使得密封圈内水压保持在一个安全稳定的压力值，为胶圈密封提供了可靠的压力来源。

4 优化后的试压效果

通过试验，每次增压过程密封圈内水压与钢管内水压都能保持平稳上升，漏水现象得到了有效消除。这主要基于针对密封胶圈硬度特性作出的数据修改，若不考虑密封胶圈性能，就很难找到合适的增压参数，通过摸清楚胶圈性能，才得以建立合适的增压参数。而适当提高极限压力后，保压过程中水压压力保持稳定，最终良好的保压效果如图4所示。

图4 径向密封过程优化后保压成功曲线

5 结 语

通过对径向密封的增压过程和保压过程进行优化，使得整个试压过程趋于平滑稳定，钢管一次试压成功率得到了极大提高，有力保证了生产进度。同时也得出，设备自动化过程的实现，离不开各专业的互相配合，只有在充分认知被控对象的前提下，才能实现最优的自动控制过程。

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［2］上海第二工业大学液压教研室.液压传动与控制［M］.第2版.上海：上海科学技术出版社，1970：36-37.

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［5］李必文，陶文辉，殷立洪.钢管静水压试验端部密封形式的应用探讨［J］.钢管，2008，37（02）：61-63.

［6］轧钢新技术3000问编辑委员会.轧钢新技术3000问（下）［M］.北京：中国科学技术出版社，2005：164.

［7］石绍清.大间隙密封技术［J］.润滑与密封，2000（06）：54-55.

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