專利名稱：一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄壁鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)及薄壁鋼管靜水壓檢測方法領(lǐng)域，特別涉及一 種檢驗(yàn)徑厚比大于20的用于輸送石油、天然氣等流體的薄壁鋼管的承壓能力的端面密封 靜水壓試驗(yàn)機(jī)以及在端面密封條件下的薄壁鋼管靜水壓檢測方法。
背景技術(shù)：
為了保證石油、天然氣管道輸送用鋼管運(yùn)行的安全可靠，輸送用鋼管在制造過程 中均要進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，以檢驗(yàn)鋼管的承壓能力及其可靠性。當(dāng)前，很多鋼管制造廠所采用 的鋼管靜水壓試驗(yàn)設(shè)備為端面密封水壓試驗(yàn)機(jī)。盡管現(xiàn)行有效的制管規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)為這種靜 水壓試驗(yàn)方法推薦了計(jì)算靜水壓試驗(yàn)壓力的公式，即目前實(shí)際采用的壓力補(bǔ)償公式，但運(yùn) 用該壓力補(bǔ)償公式計(jì)算給定規(guī)格鋼管的靜水壓試驗(yàn)壓力值時，需要首先確定出推動端面密 封試壓頭以實(shí)現(xiàn)端面密封效果的推進(jìn)油缸(以下簡稱為端面密封液壓油缸)的內(nèi)壓力大小 才行，而此時該公式中的端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力值卻是一個未知量，且其大小與靜水 壓試驗(yàn)壓力值相互關(guān)聯(lián)，因而根本無法通過該壓力補(bǔ)償公式獲得所需的鋼管靜水壓試驗(yàn)壓 力值。鋼管靜水壓試驗(yàn)是鋼管制造工藝流程中用于檢驗(yàn)鋼管承壓能力及其可靠性的重 要工序之一。為了確保鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量，要求每根鋼管均必須進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，并且在規(guī)定 的穩(wěn)壓時間內(nèi)不得出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。截止到目前，鋼管制造廠通常采用如下方法來確定端面密封靜水壓試驗(yàn)壓力值的 大小參照徑向密封水壓試驗(yàn)機(jī)的試壓頭推進(jìn)油缸的內(nèi)壓力值，先設(shè)定出端面密封水壓試 驗(yàn)機(jī)的端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力值，再將此值代入壓力補(bǔ)償公式中進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際上，這 種確定端面密封條件下的鋼管靜水壓試驗(yàn)壓力值的做法是錯誤的。導(dǎo)致這一錯誤產(chǎn)生的直 接原因就是只看到壓力補(bǔ)償公式中的數(shù)學(xué)關(guān)系，沒有理解該公式中所隱藏的物理關(guān)系。事實(shí)上，無論采用徑向密封還是端面密封，試壓鋼管的靜水壓試驗(yàn)壓力只與鋼管 規(guī)格、材質(zhì)及試驗(yàn)要求、試驗(yàn)條件有關(guān)。而對試壓頭推進(jìn)油缸的內(nèi)壓力的要求則是在保證 靜水壓試驗(yàn)壓力發(fā)生變化的整個試驗(yàn)過程中不允許發(fā)生泄漏情況的同時，還要使因其施加 于管端上的縱向壓力始終處于最低值。因此，是端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力隨靜水壓試驗(yàn) 壓力的大小而定，而不是相反。所以，雖然壓力補(bǔ)償公式反映了端面密封靜水壓試驗(yàn)壓力值 與端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力值兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，但在端面密封靜水壓試驗(yàn)壓力值與 端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力值兩者均為未知數(shù)的情況下，無視該式中的內(nèi)在物理關(guān)系，企 圖通過設(shè)定端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力大小以求出端面密封靜水壓試驗(yàn)壓力值的做法，是 不可行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供薄壁鋼管靜水壓的檢測方法，使用本檢測方法可以有效解決 端面密封條件下的薄壁鋼管靜水壓試驗(yàn)壓力檢測問題。
采用的技術(shù)方案是一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，使用設(shè)備是端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn) 機(jī)，所述的試驗(yàn)機(jī)包括試驗(yàn)機(jī)本體、液壓系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。試驗(yàn)機(jī)本體包括主體、主試壓頭裝置、第一組拉力柱、第二組拉力柱、后固定支架 裝置、副試壓頭裝置、托輥裝置和夾緊裝置。主體與副試壓頭裝置通過所述的兩組結(jié)構(gòu)相同 的第一組拉力柱和第二組拉力柱連接。主體通常設(shè)計(jì)為固定式，它包括前固定支架、主液壓缸(即端面密封液壓油缸)、 兩個側(cè)液壓缸及控制完成相關(guān)液壓傳動所用的一部分設(shè)施裝置。前固定支架為焊接結(jié)構(gòu)，主液壓缸、兩個側(cè)液壓缸及控制完成相關(guān)液壓傳動所用 的一部分設(shè)施裝置均安裝在前固定支架上。主液壓缸為一柱塞式液壓油缸，主液壓缸的缸體固定在前固定支架中部，主液壓 缸的柱塞的前端與主試壓頭裝置的支撐框固定連接。主液壓缸是承受試壓薄壁鋼管靜水壓 試驗(yàn)總壓力的唯一動力設(shè)備，通過油壓比例系統(tǒng)的控制，主液壓缸的內(nèi)壓力可隨試壓薄壁 鋼管內(nèi)部所儲水的壓力變化而變化，并保證其壓力與試壓薄壁鋼管內(nèi)部所儲水的壓力始終 保持一種動態(tài)平衡。所述的兩個側(cè)液壓缸分別左右對稱地水平布置在主液壓缸的兩側(cè)。兩個側(cè)液壓缸 的缸體固定在前固定支架上，兩個側(cè)液壓缸的兩個活塞桿分別與主試壓頭裝置的支撐框固 定連接，用于帶動主試壓頭裝置和主液壓缸的柱塞前后移動。主試壓頭裝置包括主壓頭行走裝置、低壓充水閥、低壓充水伸縮管、高壓充水閥、 高壓充水軟管、主壓頭座和主試壓頭本體。主壓頭行走裝置由支撐框架和第一行走輪組成，支撐框架為一焊接結(jié)構(gòu)，支撐框 架的下部裝設(shè)有第一行走輪，支撐框架的一端與主壓頭座為固定連接，支撐框架的另一端 用法蘭、螺栓分別與主液壓缸的柱塞、兩個側(cè)液壓缸的活塞桿相連接。第一行走輪為一對 或兩對。主壓頭座也是一個焊接結(jié)構(gòu)，主壓頭座的內(nèi)部分別開設(shè)有高壓水通道、低壓水通 道、連通室和第一輸水通道。在連通室內(nèi)裝設(shè)有單向閥，所述的主壓頭座的上部安裝有高壓 充水軟管，下部安裝有低壓充水伸縮管。主試壓頭本體的后部與主壓頭座為固定連接，主試壓頭本體上開設(shè)有第二輸水通 道，且第一輸水通道和第二輸水通道相互連通。在所述的主試壓頭本體的前端面上開設(shè)有 第一環(huán)形槽，在第一環(huán)形槽內(nèi)裝設(shè)有第一密封平墊。進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)時，主試壓頭裝置承擔(dān)對試壓薄壁鋼管的管端進(jìn)行端面密封、向 試壓薄壁鋼管內(nèi)充入低壓水、充入高壓水以建立試驗(yàn)壓力、在主液壓缸的作用下平衡試壓 薄壁鋼管內(nèi)所儲水的壓力等功能。當(dāng)所述的高壓水通道聯(lián)通時，向試壓薄壁鋼管內(nèi)充入高 壓水；當(dāng)?shù)蛪核ǖ缆?lián)通時，向試壓薄壁鋼管內(nèi)充入低壓水。后固定支架裝置由上橫梁和后固定支架組成，上橫梁與后固定支架均為焊接結(jié) 構(gòu)，上橫梁的兩端分別固定在前固定支架和后固定支架的頂端。兩組拉力柱為結(jié)構(gòu)相同的圓柱形截面梁，共四根，均水平裝設(shè)。所述的兩組拉力柱 的兩端分別與前固定支架和后固定支架相連接，并沿水壓試驗(yàn)機(jī)的長度方向構(gòu)成一個空間 矩形框架。所述的兩組拉力柱與前固定支架為固定連接，與后固定支架為滑動連接，以適應(yīng)兩組拉力柱在靜水壓試驗(yàn)時因受力而引起的長度變化，后固定支架對所述的兩組拉力柱 的尾部只起支撐、連接作用。上部的兩根拉力柱為第一組拉力柱，下部的兩根拉力柱為第二 組拉力柱。在第一組拉力柱和第二組拉力柱的后部均裝設(shè)有多組位置相互對應(yīng)的定位半螺 母。第一兩組拉力柱和第二組拉力柱與定位半螺母的螺紋為鋸齒形。為了防止兩組拉力柱發(fā)生大撓度的彎曲變形，使用多組吊裝柱將上方的第一組拉 力柱吊固在上橫梁上，使用多組支托架支撐下方的第二組拉力柱。副試壓頭裝置包括副試壓頭本體、放氣閥、副壓頭座、副試壓頭行走裝置、鎖緊裝 置。副試壓頭本體和副壓頭座為固定連接。在副試壓頭本體的前端面上開設(shè)有第二環(huán) 形槽，在所述的第二環(huán)形槽內(nèi)裝設(shè)有第二密封平墊；在副試壓頭本體上開設(shè)有排氣及卸壓 口，并安裝有放氣閥，用于向試壓薄壁鋼管內(nèi)充入低壓水時進(jìn)行排氣以及高壓時進(jìn)行卸荷。 副壓頭座為焊接結(jié)構(gòu)，副壓頭座的前部與副試壓頭本體連接，副壓頭座的后部用螺栓固定 在副試壓頭行走裝置的機(jī)架上。副試壓頭行走裝置由機(jī)架、行走機(jī)構(gòu)以及第二行走輪組成。機(jī)架為焊接結(jié)構(gòu)，用 于安裝副試壓頭本體和副壓頭座、鎖緊裝置、第二行走輪。行走機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)與齒輪齒條 裝置組成。液壓馬達(dá)安裝在機(jī)架下部，齒條裝置安裝在第二組拉力柱的內(nèi)側(cè)的地面上，并分 別與對應(yīng)的液壓馬達(dá)的輸出軸上的齒輪相嚙合。液壓馬達(dá)經(jīng)所述的齒輪齒條裝置傳動，實(shí) 現(xiàn)副試壓頭裝置的前后移動。第二行走輪為兩對，裝設(shè)在機(jī)架的下方。在副試壓頭行走裝置上裝設(shè)有鎖緊裝置，鎖緊裝置由兩套結(jié)構(gòu)相同的插板和定位 缸組成。插板的一端設(shè)有擋叉，擋叉的形狀與拉力柱的形狀配合，通過所述的兩套插板和多 組位置相互對應(yīng)的定位半螺母來實(shí)現(xiàn)試壓薄壁鋼管長度發(fā)生變化時的定位。插板的另一端 與定位缸的活塞桿連接，定位缸固定在副試壓頭行走裝置的機(jī)架上。在進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)時，副試壓頭裝置在主液壓缸的作用下，副試壓頭裝置的后端 面緊貼鎖緊裝置的插板，通過插板靠緊裝設(shè)在第一組拉力柱和第二組拉力柱上的定位半螺 母來承受試驗(yàn)壓力。當(dāng)靜水壓試驗(yàn)完畢，松開鎖緊裝置的插板，副試壓頭行走裝置后退，可 使試壓薄壁鋼管與副試壓頭本體脫離。托輥裝置由提升液壓缸、V形輥、滑動座、機(jī)架、兩根提升導(dǎo)向桿組成?；瑒幼喜?安裝有V形輥，下部與提升液壓缸的活塞桿相連接，并能在機(jī)架內(nèi)自由滑動，通過提升液壓 缸驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)V形輥的升降?；瑒幼c機(jī)架均為焊接結(jié)構(gòu)。托輥裝置為兩套，裝設(shè)在主試 壓頭裝置和副試壓頭裝置之間。夾緊裝置由上夾頭和下夾頭組成，呈V形，上下對稱使用，分別由上抱緊缸和下抱 緊缸驅(qū)動。上抱緊缸安裝在上橫梁上，下抱緊缸安裝在下底座上，下底座由地腳螺栓固定在 地基上。正常試壓時，可不必啟用夾緊裝置，僅當(dāng)試壓薄壁鋼管的端部由于切割不齊而導(dǎo) 致主試壓頭本體和副試壓頭本體不能從試壓薄壁鋼管的端部自由退出時，才用夾緊裝置抱 緊試壓薄壁鋼管，以便于拔出主試壓頭本體和副試壓頭本體。使用夾緊裝置可以完成對試 壓薄壁鋼管的夾緊。液壓系統(tǒng)主要由油壓系統(tǒng)和油壓比例系統(tǒng)組成。油壓系統(tǒng)主要由一臺主油泵、油箱、液壓閥組以及液壓管路組成。油箱上裝有液位液溫計(jì)、液位控制器、電加熱器、油冷卻器、回油過濾器、空氣濾清器等元件，用來觀測油溫、 控制油位、對液壓油加熱、冷卻以及過慮雜質(zhì)。所述的油壓系統(tǒng)主要用來完成兩個側(cè)液壓缸 對主試壓頭裝置的前后移動、高壓水泵卸荷閥的開啟與關(guān)閉、托輥裝置的提升液壓缸的升 降動作、夾緊裝置的上抱緊缸和下抱緊缸的上下夾緊動作、鎖緊裝置的定位缸的插入定位 與退回、安裝在副試壓頭裝置上的液壓馬達(dá)所執(zhí)行的前進(jìn)與后退等動作。此為已知技術(shù)， 故不重復(fù)敘述。油壓比例系統(tǒng)主要由一臺同步系統(tǒng)油泵以及主油箱、充液箱、比例溢流閥、油壓力 傳感器、水壓力傳感器、液壓閥組以及液壓管路組成。主油箱上裝有液位液溫計(jì)、液位控制 器、電加熱器、油冷卻器、空氣濾清器等元件，用來觀測油溫、控制油位、對液壓油加熱、冷 卻。充液箱上裝有液位液溫計(jì)、液位控制器、空氣濾清器等元件，用來觀測油溫、控制油位； 充液箱安裝在前固定支架上，目的是加快主液壓缸向前運(yùn)動時快速吸油。安裝在壓力油管 路上的壓油過濾器可保證比例溢流閥入口處油液的清潔。在進(jìn)入主液壓缸的油管路上裝有 一個油壓力傳感器，通過數(shù)顯裝置，可以對主液壓缸的壓力實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。所述的油壓比例系統(tǒng) 主要用來完成向主液壓缸加壓，并根據(jù)安裝在排氣及卸壓口上的水壓力傳感器所采集的水 壓信號，通過相應(yīng)的電控系統(tǒng)操縱比例溢流閥，使主液壓缸的壓力與試壓薄壁鋼管內(nèi)的水 壓按一定比例同步變化，以達(dá)到控制試壓過程中的油水壓力平衡之目的。油壓比例系統(tǒng)用 于實(shí)現(xiàn)主液壓缸的內(nèi)壓力與試壓薄壁鋼管內(nèi)部所儲水的壓力保持適時動態(tài)平衡。此為已知 技術(shù)，故不重復(fù)敘述。水壓系統(tǒng)主要由低壓充水泵裝置、高壓充水泵裝置、高位水箱、過濾器以及水閥、 水管路等設(shè)備組成，用于完成向試壓薄壁鋼管內(nèi)進(jìn)行低壓充水、高壓充水等動作。其中，低 壓充水泵與高壓充水泵各為三臺，低壓充水泵主要用來向試壓薄壁鋼管內(nèi)充入低壓水，在 泵的出口處裝有節(jié)流閥以調(diào)節(jié)水泵的流量-壓力特性。高壓充水泵是用來向試壓薄壁鋼管 內(nèi)充入高壓水，水泵上裝有溢流閥用來調(diào)整水泵的出口壓力。高位水箱為一個，用來向高壓 水泵供水，所述的高位水箱采用自來水源或經(jīng)過濾的純凈水源，其出口處裝有過濾器。此為 已知技術(shù)，故不重復(fù)敘述。電控系統(tǒng)主要由供油控制系統(tǒng)、供水控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)系統(tǒng)等幾部 分組成。供油控制系統(tǒng)由為使液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其基本動作功能而配置的電氣設(shè)施及其相應(yīng) 的控制技術(shù)組成，此為已知技術(shù)，故不重復(fù)敘述。供水控制系統(tǒng)由為使水壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其基本動作功能而配置的電氣設(shè)施及其相應(yīng) 的控制技術(shù)組成，此為已知技術(shù)，故不重復(fù)敘述。PLC控制系統(tǒng)由可編程控制器結(jié)合CC-Link總線技術(shù)、電液比例控制技術(shù)、變頻器 節(jié)能技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)以及計(jì)算機(jī)實(shí)時監(jiān)控技術(shù)組成，用于使完成靜水壓試驗(yàn)整道工序 所需的這些基本工步動作按自動程序?qū)崿F(xiàn)。此為已知技術(shù)，故不重復(fù)敘述。工控機(jī)系統(tǒng)通過采用工控機(jī)電腦可實(shí)現(xiàn)對試壓薄壁鋼管進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、靜水 壓試驗(yàn)壓力顯示、主液壓缸的內(nèi)壓力顯示、增壓及穩(wěn)壓過程中的壓力-時間曲線顯示、試驗(yàn) 故障信息顯示等功能，可連續(xù)記錄試壓薄壁鋼管的靜水壓試驗(yàn)壓力值和穩(wěn)壓時間曲線，有 顯示、記錄、打印輸出等功能。此為已知技術(shù)，故不重復(fù)敘述。此端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn) 機(jī)為已知設(shè)備。
一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，其技術(shù)要點(diǎn)在于一種端面密封薄壁鋼 管靜水壓檢測方法，包括下列步驟(1)進(jìn)管、預(yù)夾緊試壓薄壁鋼管進(jìn)入水壓工位后，先用托輥裝置把試壓薄壁鋼管抬升，使試壓薄壁 鋼管的中心線與水壓試驗(yàn)機(jī)的本體中心線相一致，然后由液壓馬達(dá)帶動副試壓頭裝置朝一 側(cè)管端前進(jìn)，至適當(dāng)位置后用插板、兩組拉力柱和定位半螺母實(shí)現(xiàn)鎖緊定位。這時兩個側(cè)液 壓缸的兩個活塞桿伸出，帶著主液壓缸的柱塞向前行走，同時主液壓缸快速充油，主試壓頭 本體碰到試壓薄壁鋼管的管端并頂推著試壓薄壁鋼管繼續(xù)向前行走，直至試壓薄壁鋼管的 另一管端靠緊副試壓頭本體，第一密封平墊和第二密封平墊對試壓薄壁鋼管的兩個管口端 面進(jìn)行低壓預(yù)緊密封，達(dá)到對管口密封的效果。(2)充水打開低壓充水閥，向試壓薄壁鋼管內(nèi)充入低壓水，同時打開放氣閥以排出試壓薄 壁鋼管內(nèi)的空氣。當(dāng)排氣完畢，立即關(guān)閉放氣閥，封閉排氣及卸壓口，同時關(guān)閉低壓充水閥。(3)加壓啟動高壓充水泵，開始向試壓薄壁鋼管內(nèi)補(bǔ)水加壓。與此同時，主液壓缸的內(nèi)壓力 在比例溢流閥的控制下隨試壓薄壁鋼管內(nèi)水的壓力的增加而同步加壓，以便保證試壓薄壁 鋼管兩個管口端面分別與主試壓頭本體和副試壓頭本體上的兩個密封平墊實(shí)現(xiàn)壓緊密封， 確保試壓過程中不發(fā)生泄漏現(xiàn)象。對此段試壓薄壁鋼管，采用端面密封方式進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，其靜水壓試驗(yàn)壓力計(jì) 算公式為S——+ Κ.η It式中ρ 7K-靜水壓試驗(yàn)壓力，MPa ；S-靜水壓試驗(yàn)的許用環(huán)向應(yīng)力，Mpa ；D-試壓薄壁鋼管的規(guī)定外徑，mm ；t-試壓薄壁鋼管的規(guī)定壁厚，mm ；K-密封平墊材料在操作情況下的特性值，即試壓狀態(tài)下的特性值。對橡膠等軟彈性材料，取K = 0. 5 ；η-安全系數(shù)，與密封平墊的材料性質(zhì)有關(guān)。軟密封墊時η = 1. 1 ；硬密封墊時η = 1. 2。軟密封墊可采用橡膠、聚氨酯等有軟彈性的材料，硬密封墊采用紫銅或鉛等金屬 墊片。根據(jù)試壓薄壁鋼管的規(guī)格、試驗(yàn)要求以及試驗(yàn)用密封平墊的材料性質(zhì)，將各參數(shù) 代入該計(jì)算公式，即可確定出試壓薄壁鋼管在端面密封條件下的靜水壓試驗(yàn)壓力值。當(dāng)計(jì) 算的試驗(yàn)壓力不是0. IMpa的整數(shù)倍時，計(jì)算結(jié)果應(yīng)修約或圓整到最鄰近的0. IMpa0由于按照本發(fā)明的檢測方法確定的靜水壓試驗(yàn)壓力為最低試驗(yàn)壓力，同時考慮到 穩(wěn)壓全過程中的壓力波動因素的影響，故對靜水壓試驗(yàn)壓力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值修約或圓 整時，應(yīng)遵循“只前入不后舍”，即“只入不舍”的原則。8
所取用于進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)的試壓薄壁鋼管長度，通常在8 12. 5米之間。(4)穩(wěn)壓當(dāng)試壓薄壁鋼管內(nèi)水的壓力達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力值后，關(guān)閉高壓水泵并穩(wěn)壓一定時 間，穩(wěn)壓時間要達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定要求。穩(wěn)壓時間可用時間繼電器調(diào)定。(5)卸壓、排水、出管穩(wěn)壓時間達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)要求后，打開放氣閥，接通排氣及卸壓口，開始對試壓薄壁 鋼管內(nèi)的高壓水進(jìn)行卸壓。與此同時，主液壓缸的內(nèi)壓力也通過一單向節(jié)流閥慢慢減壓。當(dāng) 試壓薄壁鋼管內(nèi)的壓力完全釋放后，主液壓缸的柱塞在兩個側(cè)液壓缸后退時帶著主壓頭行 走裝置的支撐框架回退，使主試壓頭本體與試壓薄壁鋼管的管口端面相脫離。若不能脫離， 可啟用夾緊裝置抱緊試壓薄壁鋼管，以便于拔出主試壓頭本體和副試壓頭本體。松開插板， 后退副試壓頭裝置。當(dāng)主試壓頭裝置、副試壓頭裝置退回到限定位置后，啟動托輥裝置，將 試壓薄壁鋼管放置到試壓之前的原始位置，待試壓薄壁鋼管內(nèi)的水全部排盡，將已試驗(yàn)過 的薄壁鋼管送出試壓工位。公式推導(dǎo)及說明現(xiàn)行有效的制管規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，如果在鋼管靜水壓試驗(yàn)中采用了產(chǎn)生軸向壓 應(yīng)力的端面密封，即借助液壓油缸采用端面密封時，靜水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)按下式確定[1]S_PR 今⑴It Ap式中ρ 7K-靜水壓試驗(yàn)壓力，MPa ；S-靜水壓試驗(yàn)的許用環(huán)向應(yīng)力，Mpa ；ρΕ-端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力，MPa ；Ae-端面密封液壓油缸的橫截面面積，mm2 ；A1-試壓鋼管的內(nèi)徑橫截面面積，mm2 ；Ap-試壓鋼管的管壁橫截面面積，mm2 ；D-試壓鋼管的規(guī)定外徑，mm ；t-試壓鋼管的規(guī)定壁厚，mm。這就是通常所說的壓力補(bǔ)償公式。根據(jù)式⑴來計(jì)算試壓薄壁鋼管的靜水壓試驗(yàn)壓力時，由于式⑴中的Ρκ也是 一個未知量，因而無法通過該計(jì)算式獲得所需的試壓薄壁鋼管靜水壓試驗(yàn)壓力值。若想利用式(1)確定試壓薄壁鋼管的靜水壓試驗(yàn)壓力的大小，必須要先確定出 端面密封液壓油缸的內(nèi)壓力Pk的大小才行。而在式(1)中，與Pk這兩個量相互關(guān)聯(lián)，僅 以式(1)這一個式子是無法求解出與Pk這兩個未知量的。根據(jù)端面密封靜水壓試驗(yàn)機(jī)的工作原理，現(xiàn)對由主試壓頭本體與主壓頭座在試壓 薄壁鋼管試壓過程中的受力狀況進(jìn)行分析。如圖1所示，在忽略試壓薄壁鋼管靜水壓試驗(yàn)管端邊緣效應(yīng)的影響下，主液壓缸對主試壓頭本體與主壓頭座的推力除了用來平衡試壓薄壁鋼管內(nèi)所儲水的內(nèi)壓力對主試壓頭本體與主壓頭座的軸向作用之外，還要對試壓薄壁鋼管施加一定的軸向壓力(即密封力)，以便保證試壓薄壁鋼管端面與主試壓頭本體與主壓頭座實(shí)現(xiàn)壓緊密封。因此，根據(jù) 主試壓頭本體與主壓頭座的受力平衡，可以寫出下式pE · Ae-P 水· A1 = ρ 附· Ap (2)式中pB-在忽略試壓薄壁鋼管靜水壓試驗(yàn)時的管端邊緣效應(yīng)的情況下，為確保 端面密封不發(fā)生泄漏而附加在試壓薄壁鋼管管體上的軸向壓力所引起的應(yīng)力(也稱軸向壓應(yīng)力)，MPa。根據(jù)ktwaigerer對密封試驗(yàn)[2]的論證結(jié)果可知，試壓薄壁鋼管在端面密封條件 下進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)時，在不考慮管端邊緣效應(yīng)的情況下，要保證在操作狀態(tài)(即試壓狀態(tài)) 下不發(fā)生泄漏，主液壓油缸作用在主試壓頭本體與主壓頭座上的壓緊力(也稱操作情況下 的密封力)應(yīng)與試壓薄壁鋼管所儲水的壓力成線性關(guān)系變化，且ρ 附· Ap = Kp 水· Ap (3)式中K-密封平墊材料在操作情況下的特性值，即試壓狀態(tài)下的特性值。對橡膠 等軟彈性材料，取K = 0.5。[2]軟密封墊可采用橡膠、聚氨酯等有軟彈性的材料，硬密封墊可采用紫銅或鉛等金 屬墊片?；诳紤]保證密封平墊的可靠性，主液壓缸在操作情況(即試壓狀態(tài))下的實(shí)際 壓緊力通常會在此基礎(chǔ)上乘一安全系數(shù)η。因此，主液壓缸作用在主試壓頭本體與主壓頭座 上的實(shí)際壓緊力為ρ附· Ap = η(Κρ水· Ap) (4)式中η-安全系數(shù)，與密封平墊的材料性質(zhì)有關(guān)。軟密封墊時η = 1. 1 ；硬密封墊 時 η = 1. 2。軟密封墊可采用橡膠、聚氨酯等有軟彈性的材料，硬密封墊可采用紫銅或鉛等金 屬墊片。由式(4)可以看出，在忽略試壓薄壁鋼管靜水壓試驗(yàn)時的管端邊緣效應(yīng)的情況 下，此時由主液壓缸施加在試壓薄壁鋼管管壁上的壓緊力所產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力為ρ 附=ηΚ·ρ 水(5)將式(4)代入式O)中，可得主液壓缸的內(nèi)壓力Ρκ與試壓薄壁鋼管的靜水壓試驗(yàn)壓力P水之間的又一關(guān)系式。即A1+ηΚ· Ap Pr=^-J-P^(6)AR將式(6)代入式(1)中，通過整理化簡，可得P水^⑵——+ K.η It這就是在忽略管端邊緣效應(yīng)的情況下，從保證密封平墊的可靠性角度出發(fā)而得 的端面密封條件下的試壓薄壁鋼管靜水壓試驗(yàn)壓力計(jì)算公式。盡管試壓薄壁鋼管在進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)時其管體內(nèi)部環(huán)向變形受端部約束效應(yīng)的 影響很大，但靜水壓端部效應(yīng)(也稱管端邊緣效應(yīng))只存在于管端邊緣地區(qū)，且具有衰減性(在離開端部一定距離后，很快就衰減到可以忽略不計(jì))，因此，在忽略管端邊緣效應(yīng)影響 的前提下，從保證密封平墊的可靠性角度出發(fā)，依據(jù)試壓薄壁鋼管內(nèi)水的內(nèi)壓力對主試壓 頭本體與主壓頭座的軸向作用建立平衡條件以推導(dǎo)端面密封靜水壓試驗(yàn)壓力計(jì)算公式的 方法是可行的。由式(7)可以看出，只要得知試壓薄壁鋼管的規(guī)格、靜水壓試驗(yàn)要求以及密封性 質(zhì)(指采用軟密封墊還是硬密封墊)，根據(jù)該計(jì)算式可以很方便地求解出端面密封條件下 的鋼管靜水壓試驗(yàn)壓力值的大小，從而克服了式(1)存在的缺陷。需要說明的是，由于壓力補(bǔ)償公式是根據(jù)試壓薄壁鋼管在端面密封條件下進(jìn)行水 壓試驗(yàn)，即承受內(nèi)壓作用的受力情況(試壓薄壁鋼管的管壁處在二向應(yīng)力狀態(tài)下)推導(dǎo)而 來的，因此，式(7)只適用于計(jì)算薄壁鋼管在端面密封條件下的靜水壓試驗(yàn)壓力值。參考文獻(xiàn)[1]API SPEC 5L :2007，管線鋼管規(guī)范(第 44 版)[S].[2] 丁伯民，黃正林·高壓容器[M],北京化學(xué)工業(yè)出版社，2003. 99-102.其優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明對于徑厚比大于20的薄壁鋼管在端面密封條件下的靜水壓 試驗(yàn)壓力檢測方法，只與鋼管規(guī)格、試驗(yàn)要求以及試驗(yàn)用密封平墊的材料性質(zhì)有關(guān)，而與主 液壓缸的內(nèi)壓力大小不發(fā)生關(guān)系，克服了現(xiàn)有制管規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)所推薦的壓力補(bǔ)償公式無法 推算端面密封條件下的靜水壓試驗(yàn)壓力的不足，其計(jì)算過程簡便，計(jì)算結(jié)果可靠。本發(fā)明用于加工制造、工程建設(shè)中對輸送用薄壁鋼管在端面密封條件下的靜水壓 試驗(yàn)壓力進(jìn)行控制，從而保證輸送用薄壁鋼管的致密性試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目的或符合預(yù)想要 求，同時減少試壓薄壁鋼管因靜水壓試驗(yàn)而出現(xiàn)其他質(zhì)量問題，比如管徑增大或管體發(fā)生 彎曲變形等，降低管道工程建設(shè)的成本，為國家節(jié)約資金。


圖1為端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的主試壓頭的結(jié)構(gòu)圖。 圖2為端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，使用設(shè)備是端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn) 機(jī)包括試驗(yàn)機(jī)本體、液壓系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。試驗(yàn)機(jī)本體包括主體1、主試壓頭裝置2、第一組拉力柱32、第二組拉力柱33、后 固定支架裝置3、副試壓頭裝置4、托輥裝置5和夾緊裝置6。主體1與副試壓頭裝置4通過 所述的兩組結(jié)構(gòu)相同的拉力柱32和33連接。主體1通常設(shè)計(jì)為固定式，它包括前固定支架8、主液壓缸(也稱端面密封液壓油 缸)9、兩個側(cè)液壓缸及控制完成相關(guān)液壓傳動所用的一部分設(shè)施裝置。前固定支架8為焊接結(jié)構(gòu)，主液壓缸9、兩個側(cè)液壓缸及控制完成相關(guān)液壓傳動所 用的一部分設(shè)施裝置均安裝在前固定支架8上。主液壓缸9為一柱塞式液壓油缸，缸體35固定在前固定支架8中部，主液壓缸9 的柱塞36的前端與主試壓頭裝置2的支撐框20為固定連接。兩個側(cè)液壓缸分別左右對稱地水平布置在主液壓缸9的兩側(cè)。兩個側(cè)液壓缸的缸體固定在前固定支架8上，兩個側(cè)液壓缸的活塞桿分別與主試壓頭裝置2的支撐框20固定 連接。主試壓頭裝置2包括主壓頭行走裝置、低壓充水閥14、低壓充水伸縮管15、高壓充 水閥16、高壓充水軟管17、主壓頭座18和主試壓頭本體19。主壓頭行走裝置由支撐框架20和第一行走輪21組成，支撐框架20為一焊接結(jié) 構(gòu)，支撐框架20的下部裝設(shè)有第一行走輪21。支撐框架20的一端與主壓頭座18為固定連 接，支撐框架20的另一端用法蘭、螺栓分別與主液壓缸9的柱塞36、兩個側(cè)液壓缸的活塞桿 相連接。第一行走輪21為一對或兩對。主壓頭座18也是一個焊接結(jié)構(gòu)，主壓頭座18的內(nèi)部分別開設(shè)有高壓水通道22、低 壓水通道23、連通室M和第一輸水通道25。在連通室對內(nèi)裝設(shè)有單向閥沈，所述的主壓 頭座18的上部安裝有高壓充水軟管17，下部安裝有低壓充水伸縮管15。主試壓頭本體19后部與主壓頭座18為固定連接，主試壓頭本體19上開設(shè)有第二 輸水通道27，且第一輸水通道25和第二輸水通道27相互連通。在所述的主試壓頭本體19 的前端面上開設(shè)有第一環(huán)形槽觀，在第一環(huán)形槽28內(nèi)裝設(shè)有第一密封平墊四。當(dāng)所述的高壓水通道22聯(lián)通時，向試壓薄壁鋼管11內(nèi)充入高壓水；當(dāng)?shù)蛪核ǖ?23聯(lián)通時，向試壓薄壁鋼管11內(nèi)充入低壓水。后固定支架裝置3由上橫梁30和后固定支架31組成。上橫梁30與后固定支架 31均為焊接結(jié)構(gòu)，上橫梁30的兩端分別固定在前固定支架8和后固定支架31的頂端。所述的兩組拉力柱32和33為結(jié)構(gòu)相同的圓柱形截面梁，共四根，均水平裝設(shè)，兩 組拉力柱32和33的兩端分別與前固定支架8和后固定支架31相連接，并沿水壓試驗(yàn)機(jī) 的長度方向構(gòu)成一個空間矩形框架。所述的兩組拉力柱32和33與前固定支架8為固定連 接，與后固定支架31為滑動連接，后固定支架31對所述的兩組拉力柱32和33的尾部只起 支撐、連接作用。上部的兩根拉力柱為第一組拉力柱32，下部的兩根拉力柱為第二組拉力柱 33。在第一組拉力柱32和第二組拉力柱33的后部均裝設(shè)有多組位置相互對應(yīng)的定位半螺 母34。第一組拉力柱32和第二組拉力柱33與定位半螺母34的螺紋為鋸齒形。為了防止兩組拉力柱發(fā)生大撓度的彎曲變形，使用多組吊裝柱38將上方第一組 拉力柱32吊固在上橫梁30上，使用多組支托架39支撐下方的第二組拉力柱33。副試壓頭裝置4包括副試壓頭本體40、放氣閥41、副壓頭座42、副試壓頭行走裝置 43和鎖緊裝置。副試壓頭本體40和副壓頭座42為固定連接。在副試壓頭本體40的前端面上開設(shè) 有第二環(huán)形槽45，在所述的第二環(huán)形槽45內(nèi)裝設(shè)有第二密封平墊46 ；在副試壓頭本體40 上開設(shè)有排氣及卸壓口 47，并安裝有放氣閥41，用于向試壓薄壁鋼管11內(nèi)充入低壓水時進(jìn) 行排氣以及高壓時進(jìn)行卸荷。副壓頭座42為焊接結(jié)構(gòu)，副壓頭座42的前部與副試壓頭本 體40連接，副壓頭座42的后部用螺栓固定在副試壓頭行走裝置43的機(jī)架48上。副試壓頭行走裝置43由機(jī)架48、行走機(jī)構(gòu)以及第二行走輪7組成。機(jī)架48為焊 接結(jié)構(gòu)，用于安裝副試壓頭本體40和副壓頭座42、鎖緊裝置、第二行走輪7。行走機(jī)構(gòu)由液 壓馬達(dá)13與齒輪齒條裝置51組成。液壓馬達(dá)13安裝在機(jī)架48下部，齒條裝置49安裝在 第二組拉力柱33的內(nèi)側(cè)的地面上，并分別與對應(yīng)的液壓馬達(dá)13的輸出軸上的齒輪相嚙合。 液壓馬達(dá)13經(jīng)所述的齒輪齒條裝置51傳動，實(shí)現(xiàn)副試壓頭裝置4的前后移動。第二行走輪7為兩對，裝設(shè)在機(jī)架48的下方。在副試壓頭行走裝置43上裝設(shè)有鎖緊裝置，鎖緊裝置由兩套結(jié)構(gòu)相同的插板10 和定位缸12組成。插板10的一端設(shè)有擋叉，擋叉的形狀與拉力柱的形狀配合，通過所述的 兩套插板10和多組位置相互對應(yīng)的定位半螺母34來實(shí)現(xiàn)試壓薄壁鋼管11長度發(fā)生變化 時的定位。插板10的另一端與定位缸12的活塞桿50連接，定位缸12固定在副試壓頭行 走裝置43的機(jī)架48上。托輥裝置5由提升液壓缸、V形輥44、滑動座、機(jī)架、兩根提升導(dǎo)向桿組成?；瑒幼?上部安裝有V形輥44，下部與提升液壓缸的活塞桿相連接，并能在機(jī)架內(nèi)自由滑動，通過提 升液壓缸驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)V形輥44的升降?；瑒幼c機(jī)架均為焊接結(jié)構(gòu)。托輥裝置為兩套， 裝設(shè)在主試壓頭裝置2和副試壓頭裝置4之間。夾緊裝置6由上夾頭37和下夾頭12組成，呈V形，上下對稱使用，分別由上抱緊 缸和下抱緊缸驅(qū)動。液壓系統(tǒng)主要由油壓系統(tǒng)和油壓比例系統(tǒng)組成。油壓系統(tǒng)主要由一臺主油泵、油箱、液壓閥組以及液壓管路組成。油壓比例系統(tǒng)主 要由一臺同步系統(tǒng)油泵以及主油箱、充液箱、比例溢流閥、油壓力傳感器、水壓力傳感器、液 壓閥組以及液壓管路組成。水壓系統(tǒng)主要由低壓充水泵裝置、高壓充水泵裝置、高位水箱、過濾器以及水閥、 水管路等設(shè)備組成。電控系統(tǒng)主要由供油控制系統(tǒng)、供水控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)系統(tǒng)等幾部 分組成。此端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)為已知設(shè)備。一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，包括下列步驟(1)進(jìn)管、預(yù)夾緊試壓薄壁鋼管11進(jìn)入水壓工位后，先用托輥裝置5把試壓薄壁鋼管11抬升，使 試壓薄壁鋼管11的中心線與水壓試驗(yàn)機(jī)本體的中心線相一致，然后由液壓馬達(dá)13帶動副 試壓頭裝置4朝一側(cè)管端前進(jìn)，至適當(dāng)位置后用插板10、第一組拉力柱32和第二組拉力柱 33、定位半螺母34實(shí)現(xiàn)鎖緊定位。這時主體1的兩個側(cè)液壓缸的活塞桿伸出，帶著主液壓 缸9的柱塞36向前行走，同時主液壓缸9快速充油，主試壓頭本體19碰到試壓薄壁鋼管11 的管端并頂推著試壓薄壁鋼管11繼續(xù)向前行走，直至試壓薄壁鋼管11的另一管端靠緊副 試壓頭本體40，第一密封平墊四和第二密封平墊46對試壓薄壁鋼管11的兩個管口端面進(jìn) 行低壓預(yù)緊密封，達(dá)到對管口密封的效果。(2)充水打開低壓充水閥14，向試壓薄壁鋼管11內(nèi)充入低壓水，同時打開放氣閥41以排出 試壓薄壁鋼管11內(nèi)的空氣。當(dāng)排氣完畢，立即關(guān)閉放氣閥41，封閉排氣及卸壓口 47，同時 關(guān)閉低壓充水閥14。(3)加壓啟動高壓充水泵，開始向試壓薄壁鋼管11內(nèi)補(bǔ)水加壓。與此同時，主液壓缸9的 內(nèi)壓力在比例溢流閥的控制下隨試壓薄壁鋼管11內(nèi)水的壓力的增加而同步加壓，以便保 證試壓薄壁鋼管11兩個管口端面分別與主試壓頭本體19和副試壓頭本體40上的第一密 封平墊四和第二密封平墊46實(shí)現(xiàn)壓緊密封，以確保試壓過程中不發(fā)生泄漏現(xiàn)象。13
對此段試壓薄壁鋼管11，采用端面密封方式進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，靜水壓試驗(yàn)壓力計(jì) 算公式為
權(quán)利要求
1. 一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，使用設(shè)備是端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī) 包括試驗(yàn)機(jī)本體、液壓系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)；一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，其特征包括下列步驟(1)進(jìn)管、預(yù)夾緊試壓薄壁鋼管(11)進(jìn)入水壓工位后，先用托輥裝置( 把試壓薄壁鋼管(11)抬升，使 試壓薄壁鋼管(11)的中心線與水壓試驗(yàn)機(jī)本體的中心線相一致，然后由液壓馬達(dá)(13)帶 動副試壓頭裝置(4)朝一側(cè)管端前進(jìn)，至適當(dāng)位置后用插板(10)、第一組拉力柱(3 和第 二組拉力柱(33)、定位半螺母(34)實(shí)現(xiàn)鎖緊定位；這時主體(1)的兩個側(cè)液壓缸的活塞桿 伸出，帶著主液壓缸(9)的柱塞(36)向前行走，同時主液壓缸(9)快速充油，主試壓頭本 體(19)碰到試壓薄壁鋼管(11)的管端并頂推著試壓薄壁鋼管(11)繼續(xù)向前行走，直至試 壓薄壁鋼管(11)的另一管端靠緊副試壓頭本體(40)，第一密封平墊09)和第二密封平墊(46)對試壓薄壁鋼管(11)的兩個管口端面進(jìn)行低壓預(yù)緊密封，達(dá)到對管口密封的效果；(2)充水打開低壓充水閥(14)，向試壓薄壁鋼管(11)內(nèi)充入低壓水，同時打開放氣閥Gl)以 排出試壓薄壁鋼管(11)內(nèi)的空氣；當(dāng)排氣完畢，立即關(guān)閉放氣閥(41)，封閉排氣及卸壓口(47)，同時關(guān)閉低壓充水閥(14)；(3)加壓啟動高壓充水泵，開始向試壓薄壁鋼管(11)內(nèi)補(bǔ)水加壓；與此同時，主液壓缸(9)的內(nèi) 壓力在比例溢流閥的控制下隨試壓薄壁鋼管(11)內(nèi)水的壓力的增加而同步加壓，以便保 證試壓薄壁鋼管(11)兩個管口端面分別與主試壓頭本體(19)和副試壓頭本體00)上的 第一密封平墊09)和第二密封平墊06)實(shí)現(xiàn)壓緊密封，以確保試壓過程中不發(fā)生泄漏現(xiàn) 象；對此段試壓薄壁鋼管(11)，采用端面密封方式進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，靜水壓試驗(yàn)壓力計(jì)算 公式為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，其特征在于所述 的硬密封墊采用紫銅或鉛，所述的軟密封墊采用橡膠或聚氨酯材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，其特征在于所述 的試壓薄壁鋼管(11)的長度為8 12. 5米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，其特征在于所述 的試壓薄壁鋼管(11)的徑厚比應(yīng)大于20。
全文摘要
一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法，使用設(shè)備是端面密封鋼管靜水壓試驗(yàn)機(jī)包括試驗(yàn)機(jī)本體、液壓系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。一種端面密封薄壁鋼管靜水壓檢測方法包括1)進(jìn)管預(yù)夾緊。使用主試壓頭本體和副試壓頭本體上的兩個密封平墊分別將試壓薄壁鋼管的兩個管口密封。2)充水。向試壓薄壁鋼管內(nèi)充入低壓水進(jìn)行排氣后，關(guān)閉低壓進(jìn)水閥和排氣及卸壓口。3)加壓。向試壓薄壁鋼管內(nèi)補(bǔ)水加壓，主液壓缸同步加壓，用計(jì)算公式確定測試壓力值。4)穩(wěn)壓。當(dāng)試壓薄壁鋼管內(nèi)水的壓力達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力值后，穩(wěn)壓到試驗(yàn)規(guī)定的時間。5)卸壓、排水、出管。本檢測方法克服了現(xiàn)有制管規(guī)范的不足，計(jì)算過程簡便可靠。
文檔編號G01N3/12GK102042935SQ20101052489
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者馬利芳 申請人:馬利芳