非金属壳体水压试验装备增压系统技术改进

洪源隆，李俊辉，寇永乐，马海宽

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；2.金属挤压与锻压国家重点实验室，陕西 西安 710018)

0 引言

非金属壳体具备高容重比、高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀等特性[1-3],目前已经广泛应用于航空航天固体发动机、石油天然气集输集采管线、海洋工程管线、全海深潜水器等领域[4]。

近年来,非金属壳体的研发已成为各个研究领域的热点,2021年全球非金属复合管市场销售额达到了102亿美元,预计2028年将达到153亿美元,年增长率为5.81%(2022年～2028年)[5-8],市场前景广阔。

中国重型机械研究院股份公司油气输送工艺与装备研究所立足于自身所长,自主研发设计了用于非金属壳体水压试验、水压爆破试验的专用设备,能够满足各领域非金属壳体的水压试验工艺要求,目前已在某地正式投入使用。针对非金属壳体水压爆破试验工艺与装备在某地试运行以来出现的部分实际问题,本文以提高水压试验、水压爆破试验质量,提升系统增压速度、保压稳压能力为目的,对非金属壳体水压试验装备增压系统的改造进行探讨。

1 非金属壳体水压试验装备增压系统工作原理

非金属壳体水压试验装备增压系统的工作介质为常温清水,主要用来对已注满水的大变形非金属壳体进行水压试验和水压爆破试验[9,10]。在水压试验时可按照系统预先设计的多级压力梯度增压、保压、泄压,在水压爆破试验时可打爆试压壳体并记录最终爆破压力值。

非金属壳体水压试验装备增压系统主要由压力控制阀、空压机、气控柜、定量柱塞泵、水箱、气控截止阀、单向控制阀、耐震压力表、压力传感器和流量计等组成,其中单向控制阀是由单向阀、气控截止阀组成的并联回路阀块,增压系统控制原理如图1所示。

1-水箱;2-定量柱塞泵;3-压力传感器;4-耐震压力表;5-单向阀;6-气控截止阀1;7-气控柜;8-气控截止阀2;9-空压机;10-流量计;11-球阀;12-非金属壳体;13-压力控制阀;14-低压水泵

水压试验时,非金属壳体前后盖板上一共焊接有3个高压接口,前盖板上的两个高压接口分别用于注水和增压,后盖板上的高压接口用于排气。增压时,定量柱塞泵启动,压力控制阀控制增压系统内部压力,系统压力经过单向控制阀、气控截止阀进入非金属壳体内部。其中,压力控制阀为隔膜式气控压力阀,气控柜通过比例阀控制气量大小调节系统压力。

当增压系统升压到目标压力后,定量柱塞泵停泵,气控截止阀关闭,非金属壳体维持在当前目标压力。当需要继续升压时,定量柱塞泵启动,压力控制阀控制系统压力升高到略高于非金属壳体内部压力时,打开气控截止阀,增压至目标压力。

当试验完成后需要泄压时,气控截止阀和单向控制阀内的气控截止阀同时打开,高压水通过压力控制阀回流至水箱。

2 增压系统存在的问题

2.1 增压速度慢

该增压系统采用的定量三缸柱塞泵排量为6 500 L/h,硬件配置上完全满足实际使用需求。增压速度慢主要是由于电气控制问题引起的,具体如下:

(1) 压力控制阀气压上升慢。增压系统的压力控制主要依靠压力控制阀,压力控制阀主要通过气控柜内给定的气压大小来调节增压系统的水压,为了防止气压增速过快导致非金属壳体内部水压超压,气控柜内的气压增速一般设定得较慢,导致增压系统水压增压慢。

(2) 系统保压后压力上升反馈慢。当增压系统需要进行多级压力梯度的增压保压流程时,增压系统在保压结束后无法保证立即升压,如图2所示。在系统设定的10 s保压结束后,增压系统并未立即升压,在保压结束9 s后压力曲线才有显著上升,压力上升反馈慢会大大增加水压试验总时长,影响非金属壳体水压试验质量。

图2 升压保压曲线

2.2 保压时存在压降

增压系统在进入保压阶段后,非金属壳体内有时会产生0.2 MPa～1 MPa的压降,压降后能够保持当前压力直到保压时间结束,如图3、图4所示。

图3 水压试验保压段压降曲线(0.2 MPa压降)

图4 水压爆破试验保压段压降曲线(0.5 MPa～1 MPa压降)

通过现场观察发现,试验过程中容易发生两种压降情况:①水压试验时增压系统在刚进入保压段时偶尔出现0.2 MPa左右的压降,如图3所示;②水压爆破试验时增压系统在保压段开始时连续出现0.5 MPa～1 MPa左右的压降,压降后可保持当前压力值,直到保压结束,如图4所示。

导致保压段发生压降的原因主要有以下两个方面:

(1) 压力损耗。由于考虑到水压爆破时人员和设备的安全性,非金属壳体一般放置在能够承受爆破冲击的地坑内,而压力传感器和压力表等仪器仪表不允许安装在地坑内,一般安装在增压系统的高压出口处,由于增压系统高压出口距离非金属壳体8 m～10 m,且通过高压软管连接,存在一定的压力损耗,特别是设置的增压速率较快时,容易出现增压系统高压出口的压力达到目标压力后,非金属壳体内部压力尚未达到目标压力,此时截止阀关闭后,非金属壳体发生0.5 MPa～1 MPa压降后保持当前压力。

(2) 单向阀失效。增压系统在进入保压阶段前,定量柱塞泵停泵瞬间,增压系统主要依靠单向控制阀块中的单向阀实现保压(参考图1),随后气控截止阀关闭增压回路,由于气控截止阀信号控制需要一定的反应时间,如果系统内部进入杂质会使单向阀发生卡堵,导致保压瞬间发生0.2 MPa左右压降,气控截止阀关闭后又能保持在当前压力。

3 技术改进

3.1 增压速度慢的技术改进

针对系统增压慢的问题,做出如下改进:

(1) 针对压力控制阀升压速度慢的问题,在保证保压精度的前提下(非金属壳体不允许有超过目标压力的情况发生),提高了工作气压升压反应速度,在升压开端设定气压以v1的速度高速增压,当非金属壳体内压力达到目标压力2/3时气压减速至v2缓慢增压,在保证增压系统压力精度的同时提高了增压速度。

(2) 针对保压结束后的压力反馈速度慢的问题,设定系统在保压时将保压前的工作气压值记录下来,在保压即将结束前,压力控制阀气压直接在保压前工作气压值的基础上增加,节约了控制气压升压时间,保证系统在保压结束后就能立即升压。反映到压力曲线上就是当保压结束后,压力曲线立即上升,不会延长保压段时间。

3.2 保压时存在压降的技术改进

针对保压段产生压降的问题,做出如下改进:

(1) 针对增压系统高压出口软管到地坑中放置的非金属壳体线路过长、存在压力损耗的问题,首先将增压系统高压出口软管更换为硬管连接,同时,在非金属壳体前盖板上增加一高压接口,在高压接口处连接高压硬管(见图5),将非金属壳体在增压时的内部压力引到地面上,通过在硬管末端安装压力表和压力传感器,采集非金属壳体工作压力,增压系统目标压力采集以此处采集的压力为准。

图5 新增压力检测管路

(2) 针对单向阀失效导致0.2 MPa左右压降的问题,在增压系统压力出口处新增了过滤器,可避免泄压时非金属壳体内部残留的杂质通过高压回路进入增压系统内。

4 改进效果

中国重型机械研究院股份公司研发的非金属壳体水压爆破试验工艺与装备于2022年在某公司成功投产,利用改造后的增压系统对试样壳体进行的水压试验、水压爆破试验均取得了圆满成功。水压试验装备主要参数如表1所示,水压试验曲线如图6所示,水压爆破试验曲线如图7所示。

表1 水压试验装备主要参数

图6 改造完成后的水压试验曲线

图7 改造完成后的水压爆破试验曲线

针对某同型号的非金属壳体,改造后的增压系统按照设定的水压试验工艺,完成一次试验需要168 s,升压速度与改造前相比提升了20%,全过程保压精度均在±0.1 MPa以内,增压过程中无压降现象发生。

5 结语

中国重型机械研究院股份公司自主研制的非金属壳体水压试验装备增压系统改进后,不仅优化了原有设备在硬件方面的不足,弥补了因复杂的工作环境带来的压降问题,还进一步完善了电气控制方面的不足,改进后的增压系统在升压速度、升压稳定性、稳压精度方面大大提高。改进后的增压系统能够满足容积0.005 m3～25 m3、压力0 MPa～150 MPa的非金属壳体的水压试验与水压爆破试验,最大试压精度可达±0.1 MPa。

该项目的成功实施丰富了高性能非金属壳体应用评价体系,提高了国内高性能非金属壳体检测评价研究能力,为打造全过程一体化的非金属壳体试验研发平台提供了强有力支撑。