200MPa钢管水压机增压系统的设计

张晶晶，周立兵，张雯

（天津赛瑞创享科技有限公司，天津 300301）

200MPa钢管水压机增压系统的设计

张晶晶，周立兵，张雯

（天津赛瑞创享科技有限公司，天津 300301）

钢管水压试验机是钢管生产线上的关键设备，增压系统则是水压机的核心部分。针对200MPa水压机的增压系统设计，提出了内置增压器和外置增压器相联合的增压方式，并在现场中得以实践，取得了较为理想的效果。

水压试验机；增压器；内置增压器；外置增压器

钢管水压机是钢管生产线上的关键设备，用于对钢管进行水压试验，从而检测钢管质量。增压系统则是水压机的核心部分，增压系统的设计直接决定了水压机的功能能否顺利实现。现阶段的钢管水压机的试验压力可以达到130MPa，增压方式主要分为：增压器增压（内置增压器）、向钢管内注入高压水增压（外置增压器）这两种方式。前者相对来说可以达到较高的压力，但同时需要较长的增压器行程。后一种方式在试压压力升高时，对水路上的控制阀及管路要求较高，增加了设备的成本。公司新增加一条深海管线，要求钢管水压机对钢管的最大试压压力为200MPa，这就对增压系统提出了更高的要求。本文主要对此台水压机的增压系统设计进行比较详细的论述。

1 机组技术参数介绍

钢 管 外 径：φ114．3～ φ323．9mm； 钢 管 壁厚：4～45mm；钢管长度：6～14．6m；钢管最大米重：275kg；钢管最大单重：约4．2t；试验压力：Max200MPa；生产节奏：70～200 MPa时，最高频次15根/h。低于70MPa时，最高频次90根/h。

2 增压方式确定

2.1 增压原理

在现阶段钢管水压机的增压方式主要为直接增压器增压和向钢管内注入高压水增压这两种方式。无论哪种增压方式都是根据力的平衡理论，增压器活塞杆两端的面积不同，压强不同，而达到增压的目的。增压器的工作原理如图1所示。

压力油p1推动活塞杆运动，作用于右侧的液体上，根据力的平衡理论，作用在活塞杆大腔的力F1与作用在活塞杆右端的力F2相等，即：

图1 增压器增压原理

由式（1）、（2）可以推出

由于D大于d，从而实现了增压的目的，也可以由此式计算出增压比。

2.2 增压方式比较及确定

直接增压器增压，充水端集成增压器、高压缸体、充水头等，通过控制增压器，使钢管内的压力升高。因为增压器设计在充水装置内部，所以也把这种形式称之为内置增压器增压，结构见图2（以径向密封为例）所示。向钢管内注入高压水增压，则是利用管路直接向充满乳化液的钢管内，加入高压的乳化液，使得钢管内的压力升高。因为增压器与充水装置分开，单独放置，因此也称这种形式为外置增压器增压，结构见图3（以径向密封为例）。当采用外置增压器增压时，由于增压器单独放置，就需要管路将高压的乳化液输送至钢管内，这样对管路的要求较高，钢管内原有的乳化液压力很低，而且水可压缩的体积小，因此外置增压器可达到的试验压力有限。相对来说，内置增压器增压的增压方式所能达到的试验压力要高于外置增压器增压。内置增压器可以达到较高的试验压力，但由于钢管的充水及排气并不能达到理想的效果，即钢管内的空气并未完全被排空，此时对于大直径以及高试验压力，就会导致增压器的行程过长，增加了设备成本，也不方便维修。

图2 内置增压器

图3 外置增压器

考虑到以上的两种增压方式，针对最高试验压力200MPa，在设计中采用了内置增压器与外置增压器相联合的增压形式。在充水装置上增加了高压水的通路，此通路与外置增压器相连，在高压水管路上安装了单向阀及卸荷阀。单向阀共有两个，用于保证高压水不会反串回水罐和外置增压器，有效保护水管路。卸荷阀用于对高压水管路中的高压水进行卸荷。在充水通路还安装了压力传感器，通过压力传感器监测管内压力，控制增压方式的变换，保证增压过程平稳进行。此增压形式见图4。试压时，先通过充水阀向试压钢管内充水，充水结束后，对钢管内的水进行增压。当要求的试压压力低时，直接通过外置增压器增压，第二单向阀用于保证高压水不会反串回外置增压器，第一单向阀用于保证高压水不会反串回水罐，卸荷阀用于对高压水管路中的高压水进行卸荷。当要求的试压压力高时，先通过外置增压器增压，当达到一定的试压压力时，再通过内置增压器增压，从而达到较高的试验压力，这样的结构既降低了对水路系统的要求，也可以有效缩短内置增压器的行程。在生产过程中可根据试验压力的不同，选择单独增压，或选择联合增压的增压方式。

3 增压系统参数确定

3.1 增压器的容积计算

图4 内置增压器和外置增压器联合

液体具有压缩性，即作用在液体上的压强增加时，液体的体积将会减小。无论是内置增压器还是外置增压器增压都是根据液体的压缩性这一特性。增压过程中液体的体积变化量用增压器的行程来补偿。

液体体积压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量，即

式中：K——体积弹性模量；V——液体原始体积量；△V——体体积改变量；△p——液体压强必变量。

由此式可以计算出当压强变化时，一定体积的液体的体积改变量。在试压过程中所采用的试验介质为乳化液。乳化液是用质量分数95%的水和5%的防锈液混合而成的。乳化液的体积弹性模量为2×103MPa～2．2×103MPa。经计算，可得钢管外径φ273mm，壁厚45mm，长度146000mm，试验压力200 MPa时，乳化液由于压力增加后体积的改变量为最大。再考虑管路中的液体损失，少量气体的不易排出，并结合现场其他水压机设备的经验，增压器的总容积定为120L。

3.2 增压比

在实际使用中，常规的钢管试验压力为80MPa，因此，设计时按照此压力划分增压器的增压容积。外置增压器，按照增压比1：3．2设计，增压容积为85L。内置增压器，按照增压比1：7．6设计，增压容积为35L。

4 结语

本文通过对常规的两种增压方式外置增压器增压和内置增压器增压进行比较，并针对200MPa 水压机试验压力高的特点，提出了一种新的增压方式，即将外置增压器和内置增压器相联合，并在现场实际应用，取得了较为理想的效果。

由于外置增压器所提供的高压水体积较大，此增压器的体积也大，制造成本高。从降低成本的角度，也可以考虑使用双作用往复式增压器。往复式增压器的特点是，只要活塞杆动作，就可以向钢管中增压，这样只要达到增压比的要求，增压器的体积就可以相对来说小很多，降低了制造成本。

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TH137

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1671-0711（2017）10（下）-0099-03