馮 瑤，于 賓，李忠凱，翁 文，倪舒亞，楊艷濱

（南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061）

鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)（簡稱水壓機(jī)）是廣泛應(yīng)用于鋼管行業(yè)的大型自動(dòng)化檢測設(shè)備，靜水壓試驗(yàn)的目的是檢測鋼管管體密封性、檢驗(yàn)鋼管焊接質(zhì)量、消除鋼管殘余應(yīng)力[1-7]。3000 t 水壓機(jī)作為南京巨龍鋼管有限公司檢驗(yàn)螺旋縫埋弧焊管質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一，可根據(jù)API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》、GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》等鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行鋼管靜水壓試驗(yàn)，達(dá)到暴露鋼管隱性缺陷、釋放全管體殘余應(yīng)力的目的[8-14]。

3000 t 水壓機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由以下四個(gè)部分組成：固定機(jī)架、拉力梁框架、托輥裝置和移動(dòng)機(jī)架。

圖1 3000 t 水壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意

螺旋縫埋弧焊管靜水壓試驗(yàn)過程可概括為充水、加壓、穩(wěn)壓、泄壓四個(gè)步驟。待鋼管注滿水后采用增壓系統(tǒng)向鋼管內(nèi)加注高壓水，使鋼管內(nèi)部水壓值達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力值，隨后進(jìn)入穩(wěn)壓階段，穩(wěn)壓階段一般會(huì)維持10～15 s，穩(wěn)壓結(jié)束后水壓機(jī)控制系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行泄壓操作。上述過程均需要圖1 所示水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架牢固鎖定，否則無法實(shí)現(xiàn)水壓機(jī)密封盤對(duì)鋼管管端的可靠密封。因此，水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)的使用狀態(tài)直接影響著鋼管水壓試驗(yàn)的完成效果。

1 水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)工作原理

水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架是通過插銷裝置實(shí)現(xiàn)鎖定定位的，如圖2 所示，該裝置安裝于移動(dòng)機(jī)架的背面（裝有密封盤的一側(cè)為移動(dòng)機(jī)架正面），背面結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架插銷裝置示意

圖3 水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架背面結(jié)構(gòu)示意

由圖3 可以看出，移動(dòng)機(jī)架在如圖1 所示的機(jī)架驅(qū)動(dòng)油缸作用下，移動(dòng)至適合水壓試驗(yàn)管長位置后（如孔5 位置），位于移動(dòng)機(jī)架背面的上下兩套插銷裝置動(dòng)作，使上下兩套插銷裝置中的4 個(gè)銷軸分別插入上下拉力梁框架對(duì)應(yīng)插銷孔中（孔5），移動(dòng)機(jī)架可靠固定于拉力梁框架上，即借助拉力梁框架實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)架的鎖定定位，同時(shí)通過安裝于移動(dòng)機(jī)架上的主平衡油缸來補(bǔ)償800 mm 左右的管長差異，待該類管長規(guī)格鋼管水壓試驗(yàn)結(jié)束后，4 個(gè)銷軸分別從拉力梁插銷孔（孔5）中拔出，繼續(xù)發(fā)揮移動(dòng)機(jī)架的移動(dòng)功能，為適應(yīng)其他規(guī)格水壓試驗(yàn)管長做準(zhǔn)備。這里值得注意的是：為了使直徑為190 mm 的銷軸能夠在水壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)上的插銷孔順暢完成插拔動(dòng)作，位于水壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)上的插銷孔采用的是直徑為200 mm 和直徑為190 mm 的圓孔結(jié)合體，插銷裝置需要插拔時(shí)，銷軸從大孔側(cè)插入或拔出，移動(dòng)機(jī)架頂住鋼管端面試壓時(shí)，銷軸移至小孔側(cè)，在打壓過程中4 個(gè)銷軸需承受鋼管水壓試驗(yàn)過程產(chǎn)生的作用于移動(dòng)機(jī)架上的水平力。

2 水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)的運(yùn)行問題

截至目前，南京巨龍鋼管有限公司水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)已服役10 余年，自2021 年初開始，該部位在運(yùn)行過程中極易發(fā)生卡滯現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水壓機(jī)過管效率，據(jù)統(tǒng)計(jì)2021 年水壓機(jī)總故障時(shí)間為1986 min，其中移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)故障時(shí)間為1205 min，占水壓機(jī)總故障時(shí)間的60.7%，因此消除移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)故障是有效降低水壓機(jī)故障率的關(guān)鍵。

經(jīng)分析，導(dǎo)致水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)卡滯故障頻發(fā)的主要原因如下：

（1） 構(gòu)成移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)的核心部件——插銷裝置在長期使用中已出現(xiàn)較大磨損量（圖2 所示銷軸與導(dǎo)向座間的磨損以及推桿與油缸連接件間的磨損）；

（2） 上述磨損量的出現(xiàn)使插銷裝置運(yùn)行平穩(wěn)性變差，難以保證驅(qū)動(dòng)油缸的驅(qū)動(dòng)軌跡與銷軸運(yùn)行軌跡始終平行，從而使油缸桿受到偏離運(yùn)行軌跡方向上的非正常外力，該外力直接造成插銷動(dòng)作不暢，甚至發(fā)生卡滯；

（3） 另外，發(fā)生卡滯時(shí)，維修人員往往采用提高液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行解決，但較高的工作壓力又會(huì)導(dǎo)致圖2 所示插銷裝置中驅(qū)動(dòng)油缸的油缸桿（直徑為45 mm）發(fā)生變形，變形的油缸桿又會(huì)引發(fā)油缸密封件損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)泄，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無法正常建立工作壓力，此時(shí)出現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)卡滯故障僅能通過更換油缸密封件、重新建立系統(tǒng)壓力予以消除，但僅僅依靠更換油缸密封件是無法從根本上消除卡滯故障的，只能短時(shí)間恢復(fù)水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架的鎖定定位功能。

3 水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)

通過分析故障原因可知，導(dǎo)致水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)卡滯故障頻發(fā)的根本原因在于該部位機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損量已累積超過允許磨損量，經(jīng)測繪圖2所示驅(qū)動(dòng)油缸與推桿間的銷軸連接處，其最大磨損量為5.2 mm，超出允許磨損量3.2 mm，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)油缸的推力無法通過推桿水平傳遞至銷軸，最終使銷軸在導(dǎo)向座中頻頻發(fā)生卡滯。因此減少或者消除磨損量是有效解決該部位卡滯故障的關(guān)鍵，但倘若只是選擇對(duì)該部位機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新加工制作與裝配，并不能有效提升水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)的使用壽命，僅是簡單的以新?lián)Q舊，不久后還會(huì)面臨相同的故障問題，沒有任何技術(shù)性能方面的提升。拋開“以新?lián)Q舊”這種簡單的維修模式，要想減少或者消除磨損量，可以通過省去產(chǎn)生磨損的環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，于是根據(jù)水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)的工作原理及原插銷裝置支架7（圖2 所示）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了圖4 所示的集成式液壓缸裝置。該集成式液壓缸裝置與移動(dòng)機(jī)架的連接方式與原插銷裝置與移動(dòng)機(jī)架的連接方式相同，通過圖4 所示的油缸連接支架3 與移動(dòng)機(jī)架實(shí)現(xiàn)連接，油缸支架3 的連接尺寸與原插銷裝置中的支架7（圖2 所示）完全一致。該集成式液壓缸裝置除具備圖2 所示插銷裝置中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸和的功能外，還簡化了原插銷裝置的結(jié)構(gòu)。集成式液壓缸裝置與移動(dòng)機(jī)架背面連接結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 集成式液壓缸裝置

圖5 集成式液壓缸裝置與移動(dòng)機(jī)架背面連接結(jié)構(gòu)示意

改進(jìn)后的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定定位功能方面具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 在圖2 所示銷軸與導(dǎo)向座保留不變的前提下，采用集成式液壓缸裝置取代原插銷裝置后，原插銷裝置后中的推桿機(jī)構(gòu)被簡化，即圖2 所示推桿及其相關(guān)連接件被省去，消除了該處產(chǎn)生磨損量的可能性，使易產(chǎn)生磨損量的部位由原來的2 個(gè)減少為1 個(gè)；

（2） 采用集成式液壓缸裝置取代原插銷裝置后，驅(qū)動(dòng)油缸的油缸桿與銷軸之間實(shí)現(xiàn)了直連（由于水壓試驗(yàn)過程銷軸受力不會(huì)傳遞到集成式液壓缸裝置的活塞桿上，所以銷軸與活塞桿采用了最簡單的剛性連接結(jié)構(gòu)），銷軸所受驅(qū)動(dòng)力的方向基本與導(dǎo)向座所導(dǎo)方向共線，受力方向與運(yùn)動(dòng)方向難以產(chǎn)生夾角，自然消除了銷軸因受其他方向外力而造成的卡滯現(xiàn)象。而在原插銷結(jié)構(gòu)中油缸桿通過推桿與銷軸連接，一旦推桿機(jī)構(gòu)出現(xiàn)磨損晃動(dòng)，銷軸極易在其他方向的外力下發(fā)生卡滯。因此，改進(jìn)后的水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定結(jié)構(gòu)更加簡化，動(dòng)作更加平穩(wěn)，故障率自然得到了有效控制。

3.2 相關(guān)液壓控制系統(tǒng)方面的改進(jìn)

水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)原理如圖6 所示。

圖6 水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)原理

由圖6（a）可知，原水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)中的4 個(gè)插銷油缸由同一個(gè)電磁換向閥6 控制。該控制方式的缺點(diǎn)是：當(dāng)4 個(gè)插銷油缸中的任意一個(gè)發(fā)生內(nèi)泄，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)無法正常建立壓力，其余3 個(gè)插銷油缸也會(huì)因此無法正常動(dòng)作。該控制方式也不利于快速、準(zhǔn)確地找到發(fā)生內(nèi)泄的油缸。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)生油缸內(nèi)泄故障時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確找出內(nèi)泄油缸，在改進(jìn)移動(dòng)機(jī)架鎖定機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)也進(jìn)行了適當(dāng)優(yōu)化，即在原來的基礎(chǔ)上增加一組電磁換向閥組，分別對(duì)上下兩個(gè)集成式液壓缸裝置進(jìn)行控制，但在實(shí)際操作中，這兩組電磁換向閥仍靠原來的操作按鈕控制通電與斷電，優(yōu)化后的液壓控制系統(tǒng)原理如圖6（b）所示。由圖6（b）可知，上下兩個(gè)集成式液壓缸裝置分別靠兩個(gè)電磁換向閥控制后，當(dāng)其中一個(gè)集成式液壓缸裝置發(fā)生內(nèi)泄，就可以根據(jù)動(dòng)作執(zhí)行情況迅速找出內(nèi)泄油缸，可大大縮短故障判斷時(shí)間。

4 結(jié) 語

改進(jìn)后的水壓機(jī)移動(dòng)機(jī)架鎖定系統(tǒng)，使用效果突出，成功解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)了全年鋼管靜水壓試驗(yàn)過程環(huán)節(jié)零故障，有效提升了水壓機(jī)全年運(yùn)轉(zhuǎn)效率，與此同時(shí)也大大降低了維修人員的檢維修作業(yè)強(qiáng)度與水壓機(jī)設(shè)備的全年維修成本。