CN102042935B - 一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法 - Google Patents

Abstract

一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，使用设备是端面密封钢管静水压试验机：包括试验机本体、液压系统、水压系统、电控系统。一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法包括：1)进管预夹紧：使用主试压头本体和副试压头本体上的两个密封平垫分别将试压薄壁钢管的两个管口密封。2)充水：向试压薄壁钢管内充入低压水进行排气后，关闭低压进水阀和排气及卸压口。3)加压：向试压薄壁钢管内补水加压，主液压缸同步加压，用计算公式：

确定测试压力值。4)稳压：当试压薄壁钢管内水的压力达到规定试验压力值后，稳压到试验规定的时间。(5)卸压、排水、出管。本检测方法克服了现有制管规范的不足，计算过程简便可靠。

Description

一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法

技术领域

本发明涉及薄壁钢管静水压试验机及薄壁钢管静水压检测方法领域，特别涉及一种检验径厚比大于20的用于输送石油、天然气等流体的薄壁钢管的承压能力的端面密封静水压试验机以及在端面密封条件下的薄壁钢管静水压检测方法。

背景技术

为了保证石油、天然气管道输送用钢管运行的安全可靠，输送用钢管在制造过程中均要进行静水压试验，以检验钢管的承压能力及其可靠性。当前，很多钢管制造厂所采用的钢管静水压试验设备为端面密封水压试验机。尽管现行有效的制管规范或标准为这种静水压试验方法推荐了计算静水压试验压力的公式，即目前实际采用的压力补偿公式，但运用该压力补偿公式计算给定规格钢管的静水压试验压力值时，需要首先确定出推动端面密封试压头以实现端面密封效果的推进油缸(以下简称为端面密封液压油缸)的内压力大小才行，而此时该公式中的端面密封液压油缸的内压力值却是一个未知量，且其大小与静水压试验压力值相互关联，因而根本无法通过该压力补偿公式获得所需的钢管静水压试验压力值。

钢管静水压试验是钢管制造工艺流程中用于检验钢管承压能力及其可靠性的重要工序之一。为了确保钢管产品的质量，要求每根钢管均必须进行静水压试验，并且在规定的稳压时间内不得出现渗漏现象。

截止到目前，钢管制造厂通常采用如下方法来确定端面密封静水压试验压力值的大小：参照径向密封水压试验机的试压头推进油缸的内压力值，先设定出端面密封水压试验机的端面密封液压油缸的内压力值，再将此值代入压力补偿公式中进行计算。实际上，这种确定端面密封条件下的钢管静水压试验压力值的做法是错误的。导致这一错误产生的直接原因就是：只看到压力补偿公式中的数学关系，没有理解该公式中所隐藏的物理关系。

事实上，无论采用径向密封还是端面密封，试压钢管的静水压试验压力只与钢管规格、材质及试验要求、试验条件有关。而对试压头推进油缸的内压力的要求则是：在保证静水压试验压力发生变化的整个试验过程中不允许发生泄漏情况的同时，还要使因其施加于管端上的纵向压力始终处于最低值。因此，是端面密封液压油缸的内压力随静水压试验压力的大小而定，而不是相反。所以，虽然压力补偿公式反映了端面密封静水压试验压力值与端面密封液压油缸的内压力值两者之间的数学关系，但在端面密封静水压试验压力值与端面密封液压油缸的内压力值两者均为未知数的情况下，无视该式中的内在物理关系，企图通过设定端面密封液压油缸的内压力大小以求出端面密封静水压试验压力值的做法，是不可行的。

发明内容

本发明的目的是提供薄壁钢管静水压的检测方法，使用本检测方法可以有效解决端面密封条件下的薄壁钢管静水压试验压力检测问题。

采用的技术方案是：

一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，使用设备是端面密封钢管静水压试验机，所述的试验机包括试验机本体、液压系统、水压系统和电控系统。

试验机本体包括主体、主试压头装置、第一组拉力柱、第二组拉力柱、后固定支架装置、副试压头装置、托辊装置和夹紧装置。主体与副试压头装置通过所述的两组结构相同的第一组拉力柱和第二组拉力柱连接。

主体通常设计为固定式，它包括：前固定支架、主液压缸(即端面密封液压油缸)、两个侧液压缸及控制完成相关液压传动所用的一部分设施装置。

前固定支架为焊接结构，主液压缸、两个侧液压缸及控制完成相关液压传动所用的一部分设施装置均安装在前固定支架上。

主液压缸为一柱塞式液压油缸，主液压缸的缸体固定在前固定支架中部，主液压缸的柱塞的前端与主试压头装置的支撑框固定连接。主液压缸是承受试压薄壁钢管静水压试验总压力的唯一动力设备，通过油压比例系统的控制，主液压缸的内压力可随试压薄壁钢管内部所储水的压力变化而变化，并保证其压力与试压薄壁钢管内部所储水的压力始终保持一种动态平衡。

所述的两个侧液压缸分别左右对称地水平布置在主液压缸的两侧。两个侧液压缸的缸体固定在前固定支架上，两个侧液压缸的两个活塞杆分别与主试压头装置的支撑框固定连接，用于带动主试压头装置和主液压缸的柱塞前后移动。

主试压头装置包括主压头行走装置、低压充水阀、低压充水伸缩管、高压充水阀、高压充水软管、主压头座和主试压头本体。

主压头行走装置由支撑框架和第一行走轮组成，支撑框架为一焊接结构，支撑框架的下部装设有第一行走轮，支撑框架的一端与主压头座为固定连接，支撑框架的另一端用法兰、螺栓分别与主液压缸的柱塞、两个侧液压缸的活塞杆相连接。第一行走轮为一对或两对。

主压头座也是一个焊接结构，主压头座的内部分别开设有高压水通道、低压水通道、连通室和第一输水通道。在连通室内装设有单向阀，所述的主压头座的上部安装有高压充水软管，下部安装有低压充水伸缩管。

主试压头本体的后部与主压头座为固定连接，主试压头本体上开设有第二输水通道，且第一输水通道和第二输水通道相互连通。在所述的主试压头本体的前端面上开设有第一环形槽，在第一环形槽内装设有第一密封平垫。

进行静水压试验时，主试压头装置承担对试压薄壁钢管的管端进行端面密封、向试压薄壁钢管内充入低压水、充入高压水以建立试验压力、在主液压缸的作用下平衡试压薄壁钢管内所储水的压力等功能。当所述的高压水通道联通时，向试压薄壁钢管内充入高压水；当低压水通道联通时，向试压薄壁钢管内充入低压水。

后固定支架装置由上横梁和后固定支架组成，上横梁与后固定支架均为焊接结构，上横梁的两端分别固定在前固定支架和后固定支架的顶端。

两组拉力柱为结构相同的圆柱形截面梁，共四根，均水平装设。所述的两组拉力柱的两端分别与前固定支架和后固定支架相连接，并沿水压试验机的长度方向构成一个空间矩形框架。所述的两组拉力柱与前固定支架为固定连接，与后固定支架为滑动连接，以适应两组拉力柱在静水压试验时因受力而引起的长度变化，后固定支架对所述的两组拉力柱的尾部只起支撑、连接作用。上部的两根拉力柱为第一组拉力柱，下部的两根拉力柱为第二组拉力柱。在第一组拉力柱和第二组拉力柱的后部均装设有多组位置相互对应的定位半螺母。第一两组拉力柱和第二组拉力柱与定位半螺母的螺纹为锯齿形。

为了防止两组拉力柱发生大挠度的弯曲变形，使用多组吊装柱将上方的第一组拉力柱吊固在上横梁上，使用多组支托架支撑下方的第二组拉力柱。

副试压头装置包括副试压头本体、放气阀、副压头座、副试压头行走装置、锁紧装置。

副试压头本体和副压头座为固定连接。在副试压头本体的前端面上开设有第二环形槽，在所述的第二环形槽内装设有第二密封平垫；在副试压头本体上开设有排气及卸压口，并安装有放气阀，用于向试压薄壁钢管内充入低压水时进行排气以及高压时进行卸荷。副压头座为焊接结构，副压头座的前部与副试压头本体连接，副压头座的后部用螺栓固定在副试压头行走装置的机架上。

副试压头行走装置由机架、行走机构以及第二行走轮组成。机架为焊接结构，用于安装副试压头本体和副压头座、锁紧装置、第二行走轮。行走机构由液压马达与齿轮齿条装置组成。液压马达安装在机架下部，齿条装置安装在第二组拉力柱的内侧的地面上，并分别与对应的液压马达的输出轴上的齿轮相啮合。液压马达经所述的齿轮齿条装置传动，实现副试压头装置的前后移动。第二行走轮为两对，装设在机架的下方。

在副试压头行走装置上装设有锁紧装置，锁紧装置由两套结构相同的插板和定位缸组成。插板的一端设有挡叉，挡叉的形状与拉力柱的形状配合，通过所述的两套插板和多组位置相互对应的定位半螺母来实现试压薄壁钢管长度发生变化时的定位。插板的另一端与定位缸的活塞杆连接，定位缸固定在副试压头行走装置的机架上。

在进行静水压试验时，副试压头装置在主液压缸的作用下，副试压头装置的后端面紧贴锁紧装置的插板，通过插板靠紧装设在第一组拉力柱和第二组拉力柱上的定位半螺母来承受试验压力。当静水压试验完毕，松开锁紧装置的插板，副试压头行走装置后退，可使试压薄壁钢管与副试压头本体脱离。

托辊装置由提升液压缸、V形辊、滑动座、机架、两根提升导向杆组成。滑动座上部安装有V形辊，下部与提升液压缸的活塞杆相连接，并能在机架内自由滑动，通过提升液压缸驱动可实现V形辊的升降。滑动座与机架均为焊接结构。托辊装置为两套，装设在主试压头装置和副试压头装置之间。

夹紧装置由上夹头和下夹头组成，呈V形，上下对称使用，分别由上抱紧缸和下抱紧缸驱动。上抱紧缸安装在上横梁上，下抱紧缸安装在下底座上，下底座由地脚螺栓固定在地基上。

正常试压时，可不必启用夹紧装置，仅当试压薄壁钢管的端部由于切割不齐而导致主试压头本体和副试压头本体不能从试压薄壁钢管的端部自由退出时，才用夹紧装置抱紧试压薄壁钢管，以便于拔出主试压头本体和副试压头本体。使用夹紧装置可以完成对试压薄壁钢管的夹紧。

液压系统主要由油压系统和油压比例系统组成。

油压系统主要由一台主油泵、油箱、液压阀组以及液压管路组成。油箱上装有液位液温计、液位控制器、电加热器、油冷却器、回油过滤器、空气滤清器等元件，用来观测油温、控制油位、对液压油加热、冷却以及过虑杂质。所述的油压系统主要用来完成两个侧液压缸对主试压头装置的前后移动、高压水泵卸荷阀的开启与关闭、托辊装置的提升液压缸的升降动作、夹紧装置的上抱紧缸和下抱紧缸的上下夹紧动作、锁紧装置的定位缸的插入定位与退回、安装在副试压头装置上的液压马达所执行的前进与后退等动作。此为已知技术，故不重复叙述。

油压比例系统主要由一台同步系统油泵以及主油箱、充液箱、比例溢流阀、油压力传感器、水压力传感器、液压阀组以及液压管路组成。主油箱上装有液位液温计、液位控制器、电加热器、油冷却器、空气滤清器等元件，用来观测油温、控制油位、对液压油加热、冷却。充液箱上装有液位液温计、液位控制器、空气滤清器等元件，用来观测油温、控制油位；充液箱安装在前固定支架上，目的是加快主液压缸向前运动时快速吸油。安装在压力油管路上的压油过滤器可保证比例溢流阀入口处油液的清洁。在进入主液压缸的油管路上装有一个油压力传感器，通过数显装置，可以对主液压缸的压力实现监测。所述的油压比例系统主要用来完成向主液压缸加压，并根据安装在排气及卸压口上的水压力传感器所采集的水压信号，通过相应的电控系统操纵比例溢流阀，使主液压缸的压力与试压薄壁钢管内的水压按一定比例同步变化，以达到控制试压过程中的油水压力平衡之目的。油压比例系统用于实现主液压缸的内压力与试压薄壁钢管内部所储水的压力保持适时动态平衡。此为已知技术，故不重复叙述。

水压系统主要由低压充水泵装置、高压充水泵装置、高位水箱、过滤器以及水阀、水管路等设备组成，用于完成向试压薄壁钢管内进行低压充水、高压充水等动作。其中，低压充水泵与高压充水泵各为三台，低压充水泵主要用来向试压薄壁钢管内充入低压水，在泵的出口处装有节流阀以调节水泵的流量-压力特性。高压充水泵是用来向试压薄壁钢管内充入高压水，水泵上装有溢流阀用来调整水泵的出口压力。高位水箱为一个，用来向高压水泵供水，所述的高位水箱采用自来水源或经过滤的纯净水源，其出口处装有过滤器。此为已知技术，故不重复叙述。

电控系统主要由供油控制系统、供水控制系统、PLC控制系统、工控机系统等几部分组成。

供油控制系统由为使液压系统实现其基本动作功能而配置的电气设施及其相应的控制技术组成，此为已知技术，故不重复叙述。

供水控制系统由为使水压系统实现其基本动作功能而配置的电气设施及其相应的控制技术组成，此为已知技术，故不重复叙述。

PLC控制系统由可编程控制器结合CC-Link总线技术、电液比例控制技术、变频器节能技术、人机界面技术以及计算机实时监控技术组成，用于使完成静水压试验整道工序所需的这些基本工步动作按自动程序实现。此为已知技术，故不重复叙述。

工控机系统通过采用工控机电脑可实现对试压薄壁钢管进行试验参数设定、静水压试验压力显示、主液压缸的内压力显示、增压及稳压过程中的压力-时间曲线显示、试验故障信息显示等功能，可连续记录试压薄壁钢管的静水压试验压力值和稳压时间曲线，有显示、记录、打印输出等功能。此为已知技术，故不重复叙述。此端面密封钢管静水压试验机为已知设备。

一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，其技术要点在于：一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，包括下列步骤：

(1)进管、预夹紧

试压薄壁钢管进入水压工位后，先用托辊装置把试压薄壁钢管抬升，使试压薄壁钢管的中心线与水压试验机的本体中心线相一致，然后由液压马达带动副试压头装置朝一侧管口端面前进，至适当位置后用插板、两组拉力柱和定位半螺母实现锁紧定位。这时两个侧液压缸的两个活塞杆伸出，带着主液压缸的柱塞向前行走，同时主液压缸快速充油，主试压头本体碰到试压薄壁钢管的管口端面并顶推着试压薄壁钢管继续向前行走，直至试压薄壁钢管的另一管口端面靠紧副试压头本体，第一密封平垫和第二密封平垫对试压薄壁钢管的两个管口端面进行低压预紧密封，达到对管口密封的效果。

(2)充水

打开低压充水阀，向试压薄壁钢管内充入低压水，同时打开放气阀以排出试压薄壁钢管内的空气。当排气完毕，立即关闭放气阀，封闭排气及卸压口，同时关闭低压充水阀。

(3)加压

启动高压充水泵，开始向试压薄壁钢管内补水加压。与此同时，主液压缸的内压力在比例溢流阀的控制下随试压薄壁钢管内水的压力的增加而同步加压，以便保证试压薄壁钢管两个管口端面分别与主试压头本体和副试压头本体上的两个密封平垫实现压紧密封，确保试压过程中不发生泄漏现象。

对此段试压薄壁钢管，采用端面密封方式进行静水压试验，其静水压试验压力计算公式为：

式中：p_水-静水压试验压力，MPa；

S-静水压试验的许用环向应力，Mpa；

D-试压薄壁钢管的规定外径，mm；

t-试压薄壁钢管的规定壁厚，mm；

K-密封平垫材料在操作情况下的特性值，即试压状态下的特性值。对橡胶等软弹性材料，取K＝0.5；

n-安全系数，与密封平垫的材料性质有关。软密封平垫时n＝1.1；硬密封平垫时n＝1.2。

软密封平垫可采用橡胶、聚氨酯等有软弹性的材料，硬密封平垫采用紫铜或铅等金属垫片。

根据试压薄壁钢管的规格、试验要求以及试验用密封平垫的材料性质，将各参数代入该计算公式，即可确定出试压薄壁钢管在端面密封条件下的静水压试验压力值。当计算的试验压力不是0.1Mpa的整数倍时，计算结果应修约或圆整到最邻近的0.1Mpa。

由于按照本发明的检测方法确定的静水压试验压力为最低试验压力，同时考虑到稳压全过程中的压力波动因素的影响，故对静水压试验压力的计算结果进行数值修约或圆整时，应遵循“只前入不后舍”，即“只入不舍”的原则。

所取用于进行静水压试验的试压薄壁钢管长度，通常在8～12.5米之间。

(4)稳压

当试压薄壁钢管内水的压力达到规定试验压力值后，关闭高压水泵并稳压一定时间，稳压时间要达到试验规定要求。稳压时间可用时间继电器调定。

(5)卸压、排水、出管

稳压时间达到规定试验要求后，打开放气阀，接通排气及卸压口，开始对试压薄壁钢管内的高压水进行卸压。与此同时，主液压缸的内压力也通过一单向节流阀慢慢减压。当试压薄壁钢管内的压力完全释放后，主液压缸的柱塞在两个侧液压缸后退时带着主压头行走装置的支撑框架回退，使主试压头本体与试压薄壁钢管的管口端面相脱离。若不能脱离，可启用夹紧装置抱紧试压薄壁钢管，以便于拔出主试压头本体和副试压头本体。松开插板，后退副试压头装置。当主试压头装置、副试压头装置退回到限定位置后，启动托辊装置，将试压薄壁钢管放置到试压之前的原始位置，待试压薄壁钢管内的水全部排尽，将已试验过的薄壁钢管送出试压工位。

公式推导及说明

现行有效的制管规范或标准认为，如果在钢管静水压试验中采用了产生轴向压应力的端面密封，即借助液压油缸采用端面密封时，静水压试验压力应按下式确定^[1]：

式中：p_水-静水压试验压力，MPa；

S-静水压试验的许用环向应力，Mpa；

p_R-端面密封液压油缸的内压力，MPa；

A_R-端面密封液压油缸的横截面面积，mm²；

A_I-试压钢管的内径横截面面积，mm²；

A_P-试压钢管的管壁横截面面积，mm²；

D-试压钢管的规定外径，mm；

t-试压钢管的规定壁厚，mm。

这就是通常所说的压力补偿公式。

根据式(1)来计算试压薄壁钢管的静水压试验压力p_水时，由于式(1)中的p_R也是一个未知量，因而无法通过该计算式获得所需的试压薄壁钢管静水压试验压力值。

若想利用式(1)确定试压薄壁钢管的静水压试验压力p_水的大小，必须要先确定出端面密封液压油缸的内压力p_R的大小才行。而在式(1)中，p_水与p_R这两个量相互关联，仅以式(1)这一个式子是无法求解出p_水与p_R这两个未知量的。

根据端面密封静水压试验机的工作原理，现对由主试压头本体与主压头座在试压薄壁钢管试压过程中的受力状况进行分析。

如图1所示，在忽略试压薄壁钢管静水压试验管端边缘效应的影响下，主液压缸对主试压头本体与主压头座的推力除了用来平衡试压薄壁钢管内所储水的内压力p_水对主试压头本体与主压头座的轴向作用之外，还要对试压薄壁钢管施加一定的轴向压力(即密封力)，以便保证试压薄壁钢管端面与主试压头本体与主压头座实现压紧密封。因此，根据主试压头本体与主压头座的受力平衡，可以写出下式：

p_R·A_R-p_水·A_I＝p_附·A_P                (2)

式中：p_附-在忽略试压薄壁钢管静水压试验时的管端边缘效应的情况下，为确保端面密封不发生泄漏而附加在试压薄壁钢管管体上的轴向压力所引起的应力(也称轴向压应力)，MPa。

根据Schwaigerer对密封试验^[2]的论证结果可知，试压薄壁钢管在端面密封条件下进行静水压试验时，在不考虑管端边缘效应的情况下，要保证在操作状态(即试压状态)下不发生泄漏，主液压油缸作用在主试压头本体与主压头座上的压紧力(也称操作情况下的密封力)应与试压薄壁钢管所储水的压力成线性关系变化，且

p_附·A_P＝Kp_水·A_P        (3)

式中：K-密封平垫材料在操作情况下的特性值，即试压状态下的特性值。对橡胶等软弹性材料，取K＝0.5。^[2]

软密封平垫可采用橡胶、聚氨酯等有软弹性的材料，硬密封平垫可采用紫铜或铅等金属垫片。

基于考虑保证密封平垫的可靠性，主液压缸在操作情况(即试压状态)下的实际压紧力通常会在此基础上乘一安全系数n。因此，主液压缸作用在主试压头本体与主压头座上的实际压紧力为

p_附·A_P＝n(Kp_水·A_P)            (4)

式中：n-安全系数，与密封平垫的材料性质有关。软密封平垫时n＝1.1；硬密封平垫时n＝1.2。^[2]

软密封平垫可采用橡胶、聚氨酯等有软弹性的材料，硬密封平垫可采用紫铜或铅等金属垫片。

由式(4)可以看出，在忽略试压薄壁钢管静水压试验时的管端边缘效应的情况下，此时由主液压缸施加在试压薄壁钢管管壁上的压紧力所产生的轴向压应力为

p_附＝nK·p_水                (5)

将式(4)代入式(2)中，可得主液压缸的内压力p_R与试压薄壁钢管的静水压试验压力p_水之间的又一关系式。即

将式(6)代入式(1)中，通过整理化简，可得

这就是在忽略管端边缘效应的情况下，从保证密封平垫的可靠性角度出发而得的端面密封条件下的试压薄壁钢管静水压试验压力计算公式。

尽管试压薄壁钢管在进行静水压试验时其管体内部环向变形受端部约束效应的影响很大，但静水压端部效应(也称管端边缘效应)只存在于管端边缘地区，且具有衰减性(在离开端部一定距离后，很快就衰减到可以忽略不计)，因此，在忽略管端边缘效应影响的前提下，从保证密封平垫的可靠性角度出发，依据试压薄壁钢管内水的内压力对主试压头本体与主压头座的轴向作用建立平衡条件以推导端面密封静水压试验压力计算公式的方法是可行的。

由式(7)可以看出，只要得知试压薄壁钢管的规格、静水压试验要求以及密封性质(指采用软密封垫还是硬密封垫)，根据该计算式可以很方便地求解出端面密封条件下的钢管静水压试验压力值p_水的大小，从而克服了式(1)存在的缺陷。

需要说明的是，由于压力补偿公式是根据试压薄壁钢管在端面密封条件下进行水压试验，即承受内压作用的受力情况(试压薄壁钢管的管壁处在二向应力状态下)推导而来的，因此，式(7)只适用于计算薄壁钢管在端面密封条件下的静水压试验压力值。

参考文献：

[1]API SPEC 5L：2007，管线钢管规范(第44版)[S].

[2]丁伯民，黄正林.高压容器[M].北京：化学工业出版社，2003.99-102.

其优点在于：本发明对于径厚比大于20的薄壁钢管在端面密封条件下的静水压试验压力检测方法，只与钢管规格、试验要求以及试验用密封平垫的材料性质有关，而与主液压缸的内压力大小不发生关系，克服了现有制管规范或标准所推荐的压力补偿公式无法推算端面密封条件下的静水压试验压力的不足，其计算过程简便，计算结果可靠。

本发明用于加工制造、工程建设中对输送用薄壁钢管在端面密封条件下的静水压试验压力进行控制，从而保证输送用薄壁钢管的致密性试验达到预期目的或符合预想要求，同时减少试压薄壁钢管因静水压试验而出现其他质量问题，比如管径增大或管体发生弯曲变形等，降低管道工程建设的成本，为国家节约资金。

附图说明

图1为端面密封钢管静水压试验机的主试压头的结构图。

图2为端面密封钢管静水压试验机的结构图。

具体实施方式

一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，使用设备是端面密封钢管静水压

试验机：包括试验机本体、液压系统、水压系统和电控系统。

试验机本体包括主体1、主试压头装置2、第一组拉力柱32、第二组拉力柱33、后固定支架装置3、副试压头装置4、托辊装置5和夹紧装置6。主体1与副试压头装置4通过所述的两组结构相同的拉力柱32和33连接。

主体1通常设计为固定式，它包括前固定支架8、主液压缸(也称端面密封液压油缸)9、两个侧液压缸及控制完成相关液压传动所用的一部分设施装置。

前固定支架8为焊接结构，主液压缸9、两个侧液压缸及控制完成相关液压传动所用的一部分设施装置均安装在前固定支架8上。

主液压缸9为一柱塞式液压油缸，缸体35固定在前固定支架8中部，主液压缸9的柱塞36的前端与主试压头装置2的支撑框20为固定连接。

两个侧液压缸分别左右对称地水平布置在主液压缸9的两侧。两个侧液压缸的缸体固定在前固定支架8上，两个侧液压缸的活塞杆分别与主试压头装置2的支撑框20固定连接。

主试压头装置2包括主压头行走装置、低压充水阀14、低压充水伸缩管15、高压充水阀16、高压充水软管17、主压头座18和主试压头本体19。

主压头行走装置由支撑框架20和第一行走轮21组成，支撑框架20为一焊接结构，支撑框架20的下部装设有第一行走轮21。支撑框架20的一端与主压头座18为固定连接，支撑框架20的另一端用法兰、螺栓分别与主液压缸9的柱塞36、两个侧液压缸的活塞杆相连接。第一行走轮21为一对或两对。

主压头座18也是一个焊接结构，主压头座18的内部分别开设有高压水通道22、低压水通道23、连通室24和第一输水通道25。在连通室24内装设有单向阀26，所述的主压头座18的上部安装有高压充水软管17，下部安装有低压充水伸缩管15。

主试压头本体19后部与主压头座18为固定连接，主试压头本体19上开设有第二输水通道27，且第一输水通道25和第二输水通道27相互连通。在所述的主试压头本体19的前端面上开设有第一环形槽28，在第一环形槽28内装设有第一密封平垫29。

当所述的高压水通道22联通时，向试压薄壁钢管11内充入高压水；当低压水通道23联通时，向试压薄壁钢管11内充入低压水。

后固定支架装置3由上横梁30和后固定支架31组成。上横梁30与后固定支架31均为焊接结构，上横梁30的两端分别固定在前固定支架8和后固定支架31的顶端。

所述的两组拉力柱32和33为结构相同的圆柱形截面梁，共四根，均水平装设，两组拉力柱32和33的两端分别与前固定支架8和后固定支架31相连接，并沿水压试验机的长度方向构成一个空间矩形框架。所述的两组拉力柱32和33与前固定支架8为固定连接，与后固定支架31为滑动连接，后固定支架31对所述的两组拉力柱32和33的尾部只起支撑、连接作用。上部的两根拉力柱为第一组拉力柱32，下部的两根拉力柱为第二组拉力柱33。在第一组拉力柱32和第二组拉力柱33的后部均装设有多组位置相互对应的定位半螺母34。第一组拉力柱32和第二组拉力柱33与定位半螺母34的螺纹为锯齿形。

为了防止两组拉力柱发生大挠度的弯曲变形，使用多组吊装柱38将上方第一组拉力柱32吊固在上横梁30上，使用多组支托架39支撑下方的第二组拉力柱33。

副试压头装置4包括副试压头本体40、放气阀41、副压头座42、副试压头行走装置43和锁紧装置。

副试压头本体40和副压头座42为固定连接。在副试压头本体40的前端面上开设有第二环形槽45，在所述的第二环形槽45内装设有第二密封平垫46；在副试压头本体40上开设有排气及卸压口47，并安装有放气阀41，用于向试压薄壁钢管11内充入低压水时进行排气以及高压时进行卸荷。副压头座42为焊接结构，副压头座42的前部与副试压头本体40连接，副压头座42的后部用螺栓固定在副试压头行走装置43的机架48上。

副试压头行走装置43由机架48、行走机构以及第二行走轮7组成。机架48为焊接结构，用于安装副试压头本体40和副压头座42、锁紧装置、第二行走轮7。行走机构由液压马达13与齿轮齿条装置51组成。液压马达13安装在机架48下部，齿条装置49安装在第二组拉力柱33的内侧的地面上，并分别与对应的液压马达13的输出轴上的齿轮相啮合。液压马达13经所述的齿轮齿条装置51传动，实现副试压头装置4的前后移动。第二行走轮7为两对，装设在机架48的下方。

在副试压头行走装置43上装设有锁紧装置，锁紧装置由两套结构相同的插板10和定位缸12组成。插板10的一端设有挡叉，挡叉的形状与拉力柱的形状配合，通过所述的两套插板10和多组位置相互对应的定位半螺母34来实现试压薄壁钢管11长度发生变化时的定位。插板10的另一端与定位缸12的活塞杆50连接，定位缸12固定在副试压头行走装置43的机架48上。

托辊装置5由提升液压缸、V形辊44、滑动座、机架、两根提升导向杆组成。滑动座上部安装有V形辊44，下部与提升液压缸的活塞杆相连接，并能在机架内自由滑动，通过提升液压缸驱动可实现V形辊44的升降。滑动座与机架均为焊接结构。托辊装置为两套，装设在主试压头装置2和副试压头装置4之间。

夹紧装置6由上夹头37和下夹头12组成，呈V形，上下对称使用，分别由上抱紧缸和下抱紧缸驱动。

液压系统主要由油压系统和油压比例系统组成。

油压系统主要由一台主油泵、油箱、液压阀组以及液压管路组成。油压比例系统主要由一台同步系统油泵以及主油箱、充液箱、比例溢流阀、油压力传感器、水压力传感器、液压阀组以及液压管路组成。

水压系统主要由低压充水泵装置、高压充水泵装置、高位水箱、过滤器以及水阀、水管路等设备组成。

电控系统主要由供油控制系统、供水控制系统、PLC控制系统、工控机系统等几部分组成。此端面密封钢管静水压试验机为已知设备。

一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，包括下列步骤：

(1)进管、预夹紧

试压薄壁钢管11进入水压工位后，先用托辊装置5把试压薄壁钢管11抬升，使试压薄壁钢管11的中心线与水压试验机本体的中心线相一致，然后由液压马达13带动副试压头装置4朝一侧管口端面前进，至适当位置后用插板10、第一组拉力柱32和第二组拉力柱33、定位半螺母34实现锁紧定位。这时主体1的两个侧液压缸的活塞杆伸出，带着主液压缸9的柱塞36向前行走，同时主液压缸9快速充油，主试压头本体19碰到试压薄壁钢管11的管口端面并顶推着试压薄壁钢管11继续向前行走，直至试压薄壁钢管11的另一管口端面靠紧副试压头本体40，第一密封平垫29和第二密封平垫46对试压薄壁钢管11的两个管口端面进行低压预紧密封，达到对管口密封的效果。

(2)充水

打开低压充水阀14，向试压薄壁钢管11内充入低压水，同时打开放气阀41以排出试压薄壁钢管11内的空气。当排气完毕，立即关闭放气阀41，封闭排气及卸压口47，同时关闭低压充水阀14。

(3)加压

启动高压充水泵，开始向试压薄壁钢管11内补水加压。与此同时，主液压缸9的内压力在比例溢流阀的控制下随试压薄壁钢管11内水的压力的增加而同步加压，以便保证试压薄壁钢管11两个管口端面分别与主试压头本体19和副试压头本体40上的第一密封平垫29和第二密封平垫46实现压紧密封，以确保试压过程中不发生泄漏现象。

对此段试压薄壁钢管11，采用端面密封方式进行静水压试验，静水压试验压力计算公式为：

式中：p_水-静水压试验压力，MPa；

S-静水压试验的许用环向应力，Mpa；

D-试压薄壁钢管的规定外径，mm；

t-试压薄壁钢管的规定壁厚，mm；

K-密封平垫材料在操作情况下的特性值，即试压状态下的特性值。对橡胶等软弹性材料，取K＝0.5；

n-安全系数，与密封平垫的材料性质有关。软密封平垫时n＝1.1；硬密封平垫时n＝1.2。

软密封平垫采用橡胶、聚氨酯等材料，硬密封平垫采用紫铜或铅等金属垫片。

根据试压薄壁钢管11的规格、试验要求以及试验用第一密封平垫29和第二密封平垫46的材料性质，将各参数代入该计算公式，即可确定出试压薄壁钢管11在端面密封条件下的静水压试验压力值。当计算的试验压力不是0.1Mpa的整数倍时，计算结果应修约或圆整到最邻近的0.1Mpa。

对静水压试验压力的计算结果进行数值修约或圆整时，应遵循“只前入不后舍”，即“只入不舍”的原则。

试压薄壁钢管11的长度，通常在8～12.5米之间。

(4)稳压

当试压薄壁钢管11内水的压力达到规定试验压力值后，关闭高压水泵并稳压一定时间，稳压时间要达到试验规定要求。稳压时间可用时间继电器调定。

(5)卸压、排水、出管

稳压时间达到规定试验要求后，打开放气阀41，接通排气及卸压口47，开始对试压薄壁钢管11内的高压水进行卸压。与此同时，主液压缸9的内压力也通过一单向节流阀慢慢减压。当试压薄壁钢管11内的压力完全释放后，主液压缸9的柱塞36在两个侧液压缸后退时带着主压头行走装置的支撑框架20回退，使主试压头本体19与试压薄壁钢管11的管口端面相脱离。若不能脱离，可启用夹紧装置6抱紧试压薄壁钢管11，以便于拔出主试压头本体19和副试压头本体40。松开插板10，后退副试压头装置4。当主试压头装置2、副试压头装置4退回到限定位置后，启动托辊装置5，将试压薄壁钢管11放置到试压之前的原始位置，待试压薄壁钢管11内的水全部排尽，将已试验过的薄壁钢管11送出试压工位。

Claims (4)

1.一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，使用设备是端面密封钢管静水压试验机：包括试验机本体、液压系统、水压系统和电控系统；

一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，其特征包括下列步骤：

(1)进管、预夹紧

试压薄壁钢管(11)进入水压工位后，先用托辊装置(5)把试压薄壁钢管(11)抬升，使试压薄壁钢管(11)的中心线与试验机本体的中心线相一致，然后由液压马达(13)带动副试压头装置(4)朝一侧管口端面前进，至适当位置后用插板(10)、第一组拉力柱(32)和第二组拉力柱(33)、定位半螺母(34)实现锁紧定位；这时主体(1)的两个侧液压缸的活塞杆伸出，带着主液压缸(9)的柱塞(36)向前行走，同时主液压缸(9)快速充油，主试压头本体(19)碰到试压薄壁钢管(11)的管口端面并顶推着试压薄壁钢管(11)继续向前行走，直至试压薄壁钢管(11)的另一管口端面靠紧副试压头本体(40)，第一密封平垫(29)和第二密封平垫(46)对试压薄壁钢管(11)的两个管口端面进行低压预紧密封，达到对管口密封的效果；

(2)充水

打开低压充水阀(14)，向试压薄壁钢管(11)内充入低压水，同时打开放气阀(41)以排出试压薄壁钢管(11)内的空气；当排气完毕，立即关闭放气阀(41)，封闭排气及卸压口(47)，同时关闭低压充水阀(14)；

(3)加压

启动高压充水泵，开始向试压薄壁钢管(11)内补水加压；与此同时，主液压缸(9)的内压力在比例溢流阀的控制下随试压薄壁钢管(11)内水的压力的增加而同步加压，以便保证试压薄壁钢管(11)两个管口端面分别与主试压头本体(19)和副试压头本体(40)上的第一密封平垫(29)和第二密封平垫(46)实现压紧密封，以确保试压过程中不发生泄漏现象；

对此段试压薄壁钢管(11)，采用端面密封方式进行静水压试验，静水压试验压力计算公式为：

式中：p_水-静水压试验压力，MPa；

S-静水压试验的许用环向应力，Mpa；

D-试压薄壁钢管的规定外径，mm；

t-试压薄壁钢管的规定壁厚，mm；

K-密封平垫材料在操作情况下的特性值，即试压状态下的特性值；对橡胶软弹性材料，取K＝0.5；

n-安全系数，与密封平垫的材料性质有关；软密封平垫时n＝1.1；硬密封平垫时n＝1.2；

软密封平垫采用软弹性材料，硬密封平垫采用金属垫片；

根据试压薄壁钢管(11)的规格、试验要求以及试验用第一密封平垫(29)和第二密封平垫(46)的材料性质，将各参数代入该计算公式，即可确定出试压薄壁钢管(11)在端面密封条件下的静水压试验压力值；当计算的试验压力不是0.1Mpa的整数倍时，计算结果应修约或圆整到最邻近的0.1Mpa；

对静水压试验压力的计算结果进行数值修约或圆整时，应遵循“只前入不后舍”，即“只入不舍”的原则；

(4)稳压

当试压薄壁钢管(11)内水的压力达到规定试验压力值后，关闭高压充水泵并稳压一定时间，稳压时间要达到试验规定要求；稳压时间用时间继电器调定；

(5)卸压、排水、出管

稳压时间达到试验规定要求后，打开放气阀(41)，接通排气及卸压口(47)，开始对试压薄壁钢管(11)内的高压水进行卸压；与此同时，主液压缸(9)的内压力也通过一单向节流阀慢慢减压；当试压薄壁钢管(11)内的压力完全释放后，主液压缸(9)的柱塞(36)在两个侧液压缸后退时带着主压头行走装置的支撑框架(20)回退，使主试压头本体(19)与试压薄壁钢管(11)的管口端面相脱离；若不能脱离，启用夹紧装置(6)抱紧试压薄壁钢管(11)，以便于拔出主试压头本体(19)和副试压头本体(40)；松开插板(10)，后退副试压头装置(4)；当主试压头装置(2)、副试压头装置(4)退回到限定位置后，启动托辊装置(5)，将试压薄壁钢管(11)放置到试压之前的原始位置，待试压薄壁钢管(11)内的水全部排尽，将已试验过的薄壁钢管(11)送出水压工位。

2.根据权利要求1所述的一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，其特征在于：所述的硬密封平垫采用紫铜或铅，所述的软密封平垫采用橡胶或聚氨酯材料。

3.根据权利要求1所述的一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，其特征在于：所述的试压薄壁钢管(11)的长度为8～12.5米。

4.根据权利要求1所述的一种端面密封薄壁钢管静水压检测方法，其特征在于：所述的试压薄壁钢管(11)的径厚比应大于20。

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