德国曼内斯曼和日本山本钢管静水压试验机的比较

梁 刚

(宝鸡住金石油钢管有限公司，陕西 宝鸡 721008)

德国曼内斯曼和日本山本钢管静水压试验机的比较

梁 刚

(宝鸡住金石油钢管有限公司，陕西 宝鸡 721008)

德国曼内斯曼钢管静水压试验机和日本山本钢管静水压试验机都是目前国际上广泛应用、技术比较先进的水压机。通过对这两个品牌钢管静水压试验机的油水平衡系统、管端密封方式、钢管传送机构等方面的分析对比，得出了这两个品牌钢管静水压试验机的优缺点。两者的设计理念和性能特点可以供国内钢管静水压试验机制造厂家参考，也可以为国内钢管制造厂家选用钢管静水压试验机提供参考依据。

钢管；静水压试验机；油水平衡；管端密封；传送机构；液压伺服系统；补偿系统

0 前言

目前，德国曼内斯曼和日本山本钢管静水压试验机被国内钢管制造企业广泛使用。两者的整机技术参数大致相当，可以作为同一级别的钢管静水压试验机来进行比较。

这两个品牌钢管静水压试验机的试验工艺过程基本一致：水冲洗(钢管内壁)→焊缝对准(使焊缝朝上)→测长→定位→预密封→注水→试压→空水。

从结构来讲，两者主要由主体设备、辅助设备、液压系统、水系统和电气控制系统等组成。

虽然这两个品牌钢管静水压试验机存在着诸多类似之处，但是经过仔细对比、分析之后，发现有诸多不同之处，现将两者的主要区别对比分析如下。

1 油水平衡系统

钢管静水压试验机的油水平衡系统是指在钢管静水压试验过程中，排气端试验头推力油缸的油压要随着钢管内水压的变化而变化，推力油缸的油压始终要与钢管内的水压保持一种动态平衡。油压太大，会挤伤钢管；油压太小，则会导致推力油缸后退，管端密封失效，严重时会导致高压水喷出，对周围的设备及人身带来安全风险。

钢管静水压试验机的油水平衡系统是其核心设计理念与性能特点的反映。曼内斯曼钢管静水压试验机的油水平衡系统采用的是液压伺服原理。而山本钢管静水压试验机的油水平衡系统采用的是液压补偿原理，两者的油水平衡系统完全不同，各有优、缺点。

1.1 曼内斯曼钢管静水压试验机

德国曼内斯曼钢管静水压试验机的油水平衡系统结构如图1所示。整个油水平衡系统由增压系统和平衡系统两部分组成，油压均采用伺服控制。

图1 曼内斯曼钢管静水压试验机油水平衡系统示意图

电液伺服阀是液压伺服控制系统的心脏。它既是电液转换元件，又是功率放大元件。能够把微小的电气信号转换成大功率的液压能(流量和压力)输出。其性能的优劣对系统的影响很大，因此它是电液控制系统的核心和关键。

在完成钢管两端预密封、排出钢管内部的空气并充满水之后，增压系统给被试压钢管内的水增压到设定压力后开始计时，在设定时间内必须一直保持设定压力。

增压系统的工作原理：以传感器实测的钢管内部水压与钢管设定的试验压力进行比较，根据比较的结果，电液伺服阀1做出相应的反应，调整试压钢管内的水压，达到试验设定压力并在设定时间内保持设定压力。增压缸给被试压钢管内的水增压时，增压缸的内部为油施压于水。因为增压缸内油侧活塞面积大于水侧活塞面积，所以可以利用较低的油压产生较高的水压。

平衡系统的工作原理：以传感器实测的钢管内部的水压与传感器实测的平衡油缸的油压进行比较，根据比较的结果，电液伺服阀2做出相应的反应，调节平衡油缸的油压与钢管内的水压保持平衡，以保证排气端试验头在钢管内部的水增压及保压过程中不发生位移。

1.2 山本钢管静水压试验机

日本山本钢管静水压试验机的油水平衡系统如图2所示，主要由油泵(图中未标出)、增压缸(图中未标出)、主油缸、侧油缸、补偿油缸、密封座、补偿器滑柱、排气端试验头以及主油缸滑柱等构成。

图2 日本山本水压机油水平衡系统示意图

两个侧油缸位于主油缸两侧，可以控制排气端试验头及台架前后移动，其油缸杆和主油缸滑柱都与排气端试验头连接在一起。钢管进入静水压试验机的试压位置并且被夹紧定位之后，两个侧油缸和两个补偿油缸前进(油缸杆伸出)，推动密封座套住管端。主油缸在此时打开液控单向阀预注油，使液压油从液压站油箱内流向主油缸。在水压试验中，液控单向阀关闭，主油缸内充满的液压油被封闭。在升压、保压时，靠主油缸来平衡钢管内的水对补偿器滑柱、排气端试验头的压力。封闭在主油缸内的油被压缩，排气端试验头及台架会随着主油缸滑柱一起后退。为防止破坏管端密封，山本静水压试验机采用补偿方式。

补偿方式是在钢管静水压试验升压和保压过程中，电液换向阀处于中位，补偿油缸活塞两侧直接相通，随着水压的上升，这时补偿器滑柱、排气端试验头和主油缸滑柱等被需要后退，补偿油缸的缸体也随之后退，但是补偿油缸的活塞和油缸杆与密封座保持静止不动。这样就能够保证钢管和EG密封圈之间不发生相对运动，确保试压过程中该端钢管的密封。

1.3 优缺点比较

曼内斯曼钢管静水压试验机油水平衡系统的优点：①排气端试验头结构简单；②采用液压伺服控制系统，实现了增压缸的油压与钢管内的水压的适时动态平衡和平衡油缸的油压与钢管内的水压的适时动态平衡。缺点：①液压伺服阀价格昂贵；②维护成本较高。液压伺服系统抗油液污染能力差，对液压油的洁净度要求很高，需要昂贵的过滤装置，以保持液压系统的油液清洁；③故障率相对较高。由于液压油污染，且液压伺服系统抗污染力差，因此液压故障相对比较多。

日本山本钢管静水压试验机油水平衡系统的优点：①液压系统比较简单；②液压故障相对较少；③维护成本较低。缺点：①排气端试验头结构复杂；②使用的油缸数量多；③机械故障相对较多。

2 管端密封方式

两种钢管静水压试验机的管端密封形式均为钢管外圆面密封，管端密封圈的结构也相同。密封胶圈一侧带一圈钢制小扇形块以增强密封胶圈的刚性，如图3所示。与早期传统的管端密封形式相比较都属于大间隙密封，可以避免钢管管端刮伤密封圈，因此密封圈使用寿命较长。

两者预密封和高压密封的原理也相同：预密封水压均采用一台预密封泵提供，增压和保压时，密封圈外腔的水压会随着钢管内部水压的上升同步上升，以保证密封圈处不泄露。

图3 管端密封圈

两款水压机管端密封的原理虽相同，但是所采用的执行元件却不一样。

2.1 曼内斯曼钢管静水压试验机

曼内斯曼钢管静水压试验机钢管两端密封水路采用的是梭阀，如图4所示。

图4 德国曼内斯曼钢管静水压试验机管端密封示意图

梭阀工作时会以高压优先为准则。在预密封时，电液换向阀左位接入油路，而梭阀左侧没有压力。因此，梭阀左侧闭，右侧畅通，来自预密封泵的低压水作用于密封圈外腔，实现预密封。

钢管内的空气在被充分排出后，会进行充水作业，在水充满管体之后，增压器开始动作并向钢管内的水加压。当钢管内部的水压比预密封压力高时，梭阀的左侧畅通，右侧关闭，钢管内侧的水通过梭阀作用于管端密封圈的外腔，保证管端密封不失效。

2.2 山本钢管静水压试验机

山本钢管静水压试验机钢管两端密封水路采用的是两个水阀，结构如图5所示。水阀1和水阀2分别由气缸1和气缸2控制。

在充水之前，水阀1左位接入水路，这样来自预密封泵的低压水就可以进入到试验头的EG密封圈外腔，压迫EG密封圈使之收缩压紧与钢管外表面之间的间隙，实现预密封。

当钢管内的空气被充分排出并充满水，增压器开始动作并向钢管内的水加压之后，水阀2左位接入水路，钢管内的高压水通过水阀2同步作用于EG密封圈外部，以保证增压和保压过程中密封圈与钢管之间的缝隙处不泄露。

图5 日本山本钢管静水压试验机管端密封示意图

2.3 优缺点比较

曼内斯曼钢管静水压试验机管端密封方式的优点：采用梭阀，结构简单、可靠，故障少。缺点：梭阀阀芯动作是否到位没有显示，排查故障时需要凭借经验去判定。

山本钢管静水压试验机管端密封方式相对缺点较多：①结构相对复杂；②水阀1和水阀2分别由气缸1和气缸2控制，要求气压比较稳定。

3 传送机构

3.1 曼内斯曼钢管静水压试验机

曼内斯曼钢管静水压试验机的传送机构由步进装置和提升台架两部分组成，如图6所示。从钢管进入静水压试验机直到被送出，钢管所有的移动都是由步进机构来完成的。

在试压工位，提升台架从步进机构V形座上将钢管举起之后，抱夹夹紧钢管并定位，两端试验头伸出之后开始试压，试压完毕，两端试验头退回，抱夹打开，提升台架落下将钢管放回到步进机构V形座上。

图6 德国曼内斯曼钢管静水压试验机传送机构示意图

3.2 山本钢管静水压试验机

山本钢管静水压试验机传送机构由进料装置、中间装置和出料装置3部分组成，结构如图7所示。

进料装置包括：进料工位、管端对齐工位和水冲洗工位；中间装置包括：测长工位、试压工位；出料装置包括：两个空水工位和出料工位。

图7 日本山本钢管静水压试验机传送机构示意图

从钢管进入试验机直到被送出，钢管传送是通过一系列挡管器、拨料器和接入器等协调动作，钢管间断滚动来完成的。

在水冲洗工位，一边旋转钢管，一边向钢管内喷射冲洗水来清理钢管内表面，同时进行焊缝对准，将直缝焊管的焊缝位置旋转到最上部的12点位置。

在试压工位，拨出器(兼挡管器)下降，钢管滚入接管器，接管器托着钢管下降到位后，钢管被抱夹夹紧并定位，两端试验头伸出之后开始试压，试压完毕，抱夹打开，接管器上升，拨出器(兼挡管器)随之上升使试压完毕的钢管滚出中间装置，接着再挡住下一根滚过来将要试压的钢管。此时该工位的一个动作周期结束，如此循环往复。

3.3 优缺点比较

曼内斯曼钢管静水压试验机传送机构的优点：①传送动作比较平稳。②步进装置的整体同步性好，只有几个提升台架的同步需要调节。③传送机构的电气控制系统相对比较简单。缺点：①在钢管试压时，升起的提升台架上的钢管定位机构的重心高，刚性差；②将水冲洗钢管内壁工位前置并且独立，在水冲洗钢管内壁时，钢管不能旋转，水冲洗效果相对较差。

日本山本钢管静水压试验机的传送机构的优点：①在钢管试压时，钢管的定位机构重心低，刚性好；②在水冲洗钢管内表面的过程中，钢管有旋转动作，这样能够将钢管的内表面冲洗地更干净。缺点：①多组挡管器、拨料器和接管器的同步调节比较麻烦；②由于钢管间断滚动，对传送机构及台架冲击比较大，噪音大；③由于挡管器、拨料器和接管器等较多，彼此动作要协调，因此传送机构的电气控制系统相对比较复杂。

4 结论

这两种钢管静水压试验机的生产效率大致相当且比较高，性能也比较稳定。这表明两种钢管静水压试验机都是比较先进的，没有明显的设计缺陷。目前国内钢管静水压试验机专业制造水平与德国曼内斯曼、日本山本等国外钢管静水压试验机还存在一定差距，因此我们要虚心学习国外的先进技术，以提升国产钢管静水压试验机制造技术。

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Hydrostatic Testing Machine Comparison Between Germany Mannesmann and Japan Yamamoto

LIANG Gang
(Baoji-SMI Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

The hydrostatic testing machine of Germany Mannesmann and Japan Yamamoto is now widely used in the world,and its technology is more advanced.Through analysis and comparison several aspects of above two companies’hydrostatic testing machine,including oil and water balance system,pipe end sealing mode,steel pipe transport mechanism and so on,the advantages and disadvantages of hydrostatic testing machine were obtained.The design concept and performance characteristics of above two companies’can provide reference for China domestic steel pipe hydrostatic testing machine manufacturer,also can provide reference basis of chooseing steel pipe hydrostatic testing machine for domestic steel pipe manufacturer.

steel pipe;steel pipe hydrostatic testing machine;oil and water balance;pipe end sealing;transport mechanism;hydraulic servo system;compensation system

TG115.6

B

1001-3938(2015)02-0046-05

梁刚(1968—)，男，工程师，长期从事机械设备的保养与维护工作。

2014-08-02

张 歌