钢管水压试验机增压异常分析及处理

徐根涛, 黄 杰, 李 蒙

(宝山钢铁股份有限公司 钢管条钢事业部, 上海 201900)

引言

静水压钢管试验机(Hydrostatic Pipe Tester,HPT)是某焊管生产线上的一个重要生产工序,其目的是通过要求的水压压力试验,对前道工序如焊接质量、扩径质量进行试验检查。依据API SPEC 5L、GB/T 9711-2017等钢管制造标准的要求进行的钢管静水压试验,可达到暴露钢管隐性缺陷、释放全管体残余应力、确保钢管产品质量的目的。该钢管水压机设计能力为40 MN,钢管长度最大18300 mm;水压试验压力为5～58 MPa,可对20～56规格(Φ508～Φ1422)的直缝焊管进行水压试验,是目前世界上同等规格水压机中能力最大机组[1-2]。

该水压试验机包括钢管上料、冲洗测长、试压、空水和出料等工序。试压工序包括钢管的夹紧提升、充排水头(模具)移动、密封、充水与排气、增压与平衡和卸荷等。其中,增压与平衡是该工序的核心,也是整个水压机的核心。增压与平衡系统包括：机械系统、液压系统、水系统和电气控制系统等,结构复杂、控制精度高,涵盖了位置控制、制动位置控制、速度控制、压力控制和同步控制等,系统的维护、诊断和故障处理要求较高,难度较大。郭利中等[3]研究利用液压数字伺服控制器对水压机的增压及压力平衡进行控制。李中祥[4]对水压试验机增压原理及增压系统存在的主要故障及排查和解决方法进行了研究。陆洋[5]对钢管水压试验机在水压试验初始阶段频繁出现油水平衡系统油压无法建立的问题、油水平衡液压原理及故障产生原因进行研究分析。

本研究从压力平衡异常时的单向阀磨损、压力参数设定、增压比例阀异常、电气控制器接触异常等方面,综合分析了水压机增压异常的原因,并提出了针对性优化改进措施。

1 增压过程和压力平衡过程

钢管水压试验时,水压机增压及平衡原理如图1所示。钢管1放置在充水头2(固定式)和排水头3(位置移动式)之间,钢管内注入乳化液(或水),增压装置4使管内水压力不断升高,与排水头连接的平衡装置5对钢管内的水压进行力平衡[3-4];达到工艺要求的水压并保压合格后,管内水压通过卸荷装置6进行泄压,同样平衡装置5对钢管内的水压再进行力平衡。增压平衡和卸荷平衡过程通过控制装置7完成,压力变送器8和9分别检测钢管内水压压力和平衡装置内的液压压力。

1.钢管 2.充水头 3.排水头 4.增压装置 5.平衡装置 6.卸荷装置 7.控制装置 8、9.压力变送器

压力增加的实现：钢管水压试验时,管内液体增压的实现有多种途径,比较常见的是液压控制的增压缸增压和高压水泵直接增压的泵注水增压[6-7]。本水压机采用的是增压缸增压,即液压控制的液压缸和液压缸活塞杆连接的水系统组成。增压系统的核心元器件是两个280/200-800规格(油缸缸筒内径280 mm、油缸活塞杆直径200 mm、油缸行程800 mm)的增压缸及两套比例阀;两个增压缸连续往复动作,活塞杆接通水系统,系统中还配置有吸水单向阀和压水单向阀,试压完成后还需设有泄压阀,为了保证泄压动作的平稳,泄压阀是由比例阀所控制的液压缸来推动。

压力平衡的实现：平衡系统的动力为液压源,平衡缸是4个缸径680 mm、行程3000 mm的柱塞缸,每个柱塞缸可产生最大约10000 kN的推力,以平衡钢管试压时产生的轴向力,平衡缸是由高频响比例阀控制;在采用端面密封进行试压时,为保证钢管能压紧在密封板上,平衡系统产生的推力还应略大于水压产生的推力,最大约为2%。

钢管内压力和平衡压力的关系：

Fs=1.02×Ft

(1)

式中,Fs—— 平衡力

Ft—— 水压力

依据式(1),得出：

ps×π×d2≈pt×π×D2×fx

(2)

进一步简化后为：

ps≈pt×(D2/d2)×fx

(3)

式中,ps—— 平衡压力

pt—— 试验压力

D—— 钢管外径

d—— 平衡油缸直径

fx—— 修正系数,一般取1～1.02

考虑到试压初始充水头、排气头分别将钢管两端密封住后才开始充水,而增压系统尚未参与工作,为了平衡充水时的水压力且将密封顶紧,需要平衡油缸有一定的初始推力pb,其数值可在操作界面进行设定,大约为0.8～2 MPa。因而,依据式(3)得出试验压力和平衡压力关系式为：

ps≈pt×(D2/d2)×fx+pb

(4)

经十多年的生产使用,该水压机增压-平衡使用基本正常,控制原理和功能精度都较好地得到验证,如图2所示,水压试验效果较好。

图2 水压机增压-平衡验证

2 水压机使用过程的典型故障及处理改进

2.1 插装单向阀磨损产生的增压故障

1) 故障现象

2012年5月某日,水压机在生产1422×32.1(钢管外径1422 mm,钢管壁厚32.1 mm)规格钢管时, 发现水压机增压过程中增压慢, 增压时间长且无法到达要求的保压时间(要求：水压压力到要求的压力23.1 MPa后,须持续保压17 s, 实际只能保压14 s)。

2) 结构介绍

如图3所示,该水压机结构比较复杂,在水压试验时需要进行钢管内分步骤充水、排气、增压、卸荷和排水等过程。存在8个密封点、泄漏点：充水端1个缸控排气阀、1个比例缸控卸荷阀、充水端密封板;排气端1个缸控小排气阀、1个缸控大排气阀、排气端密封板;增压阀台内泄漏点和大充水阀内泄漏点。当有一个密封点、泄漏点存在泄漏时,增压时就会出现增压时间长、增压缓慢、压力达不到设定值和增压系统发热等问题[8-9]。

图3 水压机结构简图

3) 增压过程

如图4所示,1#比例阀控制1#增压缸,向左动作,增压缸水腔内乳化液被压出,开始增压过程(a箭头方向),此时50通径插装单向阀1受压关闭,32通径插装单向阀2受压打开,增压缸内高压乳化液到钢管中;与1#增压缸开始动作的同时,2#比例阀控制2#增压缸开始返回(向右动作,b箭头方向),此时50通径插装单向阀3受负压打开,水系统的乳化液被吸入到增压缸的水腔中,32通径插装单向阀4受压关闭。2个比例阀和2个带磁尺的增压缸按照控制程序循环往复,高压乳化液被连续打到钢管中,到达设定水压压力,完成增压过程,也就是常说的“双打气筒”增压装置。

图4 增压原理图

当2个增压比例阀、增压油缸出现故障如比例阀动作慢、增压缸泄漏、4个增压单向插装阀泄漏或者卡死时,也同样会出现增压时间长、增压缓慢、达不到设定值和增压系统发热等问题。当增压进水系统的控制阀故障、过滤器堵塞时,供向增压缸的水流量不足也会出现增压压力故障。

4) 故障处理经过

(1) 相关点检及技术人员检查操作画面及控制程序后未发现问题;

(2) 检查增压过程中相关八处水系统可能泄漏点,其中六处相关点无明显渗漏,另两处泄漏点因在设备内部,无法目视检查;

(3) 检查增压阀台2个比例阀给定反馈曲线均正常;

(4) 检查水系统的阀门、水压力均正常;

(5) 修改充水时间设定,为避免排气不足,延长充水时间20 s,无效果;

(6) 水压设定降低到20 MPa进行试验,试验2根钢管,1根可以保压到17 s,1根无法保压到17 s,说明试压压力越高,泄漏越大;

(7) 检查另两处无法目视的水相关泄漏点,大充水阀无外泄漏,内泄漏无手段检查;

(8) 水压增压时检查增压阀台4个插装单向阀前的压力表数值,发现水压试验时,该压力表压力异常,约为3.5～4.0 MPa,正常压力应为0.5～0.6 MPa。

据此初步判断增压阀台处的4个插装单向阀存在内泄漏,增压时高压反串到低压腔,导致增压缓慢。当缓慢增压到设定压力时,为防止超压,程序控制此时增压要缓慢进行,而单向阀内泄漏导致保压时间达不到设定要求或者根本无法达到设定压力。

解体2个32通径插装单向阀,发现2个阀芯密封面磨损严重、1个阀芯复位弹簧断裂,如图5所示,导致高压水反串到低压进水。

图5 解体后的32通径插装单向阀

更换2个插装单向阀整体备件(包括阀芯、阀套、复位弹簧及密封等)后试车,增压异常的故障消除,恢复正常生产。此时增压阀台4个插装单向阀前的压力表数值约为0.5～0.6 MPa。

正常水压曲线[10]和故障时的曲线相比较,如图6所示：

图6 水压压力曲线

(1) 增压时间由约215 s降低到66 s,降低了149 s;

(2) 增压压力由达不到23.1 MPa或23.1 MPa只能保压14 s,提高到23.1 MPa保压21 s;

(3) 压力曲线由抛物线升压改善为线性升压,增压过程由原来的压力越高增压越慢变为增压过程基本保持一致。

5) 反思及优化改进

(1) 故障后对乳化液进行了检测,发现两个问题：浓度偏低和PH值偏低。乳化液[11-12]按技术要求稀释后浓度在2%～4%,但实际检测不到2%;PH值稀释后约9.5,实际检测为6.8～7.2(怀疑和乳化液中进入部分铁屑有关);

(2) 插装单向阀密封面损坏原因是乳化液较脏、浓度过低、PH值异常导致插装阀锈蚀,最终导致该起突发故障;

(3) 在图4的增压阀台压力表接口上并联增加1个压力传感器,操作画面显示及报警(报警压力初步设为1.2 MPa),只用于快速排查故障,不参与系统控制,如图7所示。

图7 加装反串压力传感器

2.2 水压压力参数设定产生的增压和压力平衡故障

1) 故障现象

2018年1月某日,水压机切换1016×13规格(钢管外径1016 mm,钢管壁厚13 mm)后,自动打压过程中,操作台上3#,4#平衡泵(为平衡油缸提供液压动力源)准备信号灯(A61-H701)突闪,导致增压自动中断,水压机无法实现自动增压。在切换成半自动增压后,每根钢管第一次增压均异常：升压慢、且保压期间水压有波动;但如果同一根钢管进行第二次增压,则一切正常。PLC监控记录的同一根钢管两次增压曲线如图8所示。

图8 同一根钢管两次打压曲线记录

图8中“实际增压值”即为控制装置给出的水压曲线,第一次增压时,1#增压缸工作了4次、2#增压缸工作了4.5次后增压完成;而第二次增压时,2个增压缸均只需工作2.5次就可以完成增压。如同第一次增压给第二次增压做“铺垫”。

2) 故障处理经过

接报修,设备点检人员及技术人员现场进行检查处理：

(1) 首先怀疑由于此规格的水压设定值很低(7.9 MPa),和液压系统增压时主泵压力不匹配引起了平衡泵压力波动,导致自动增压过程中断,故电气人员修改PLC控制程序,将增压时主泵压力给定值从90%降至70%,增压时异常现象依旧;再次将主泵压力给定值降至50%,异常照旧;判断不是主泵压力给定问题;

(2) 分析PLC记录的打压波形,如图8所示,发现在增压过程中,平衡泵压力会从30 MPa左右跌到9 MPa 左右,并持续约20 s,正是这个波动导致了自动增压中断;另外在升压过程后期,控制装置发给平衡油缸比例阀(A53-Y301)的给定值异常升高至8317 mV左右(正常情况下约2500 mV),怀疑比例阀故障,更换比例阀后,异常现象依旧;

(3) 对控制装置实施停电重启,异常现象还是依旧;

(4) 重新对程序记录数据进行分析,发现排水头设定值为6000 mm,而实际值为5934.3 mm,较常规设定值和实际值的偏差(一般为20～25 mm左右)偏大,进而怀疑水压增压过程中,和平衡油缸连接在一起的排水头有异常移动,移动方向是充水头方向,进而怀疑水压增压过程中,钢管变短了;

(5) 立刻对已经过试压的钢管进行检测,发现钢管两端各500 mm长度内,管径由1016 mm增大到了1055 mm,试压后的钢管,管径变大,管长变短,判断水压试验压力值超出了原材料的屈服强度[13];

(6) 通知生产工艺技术人员重新计算该规格钢管水压试验压力值,收到水压值降到7.5 MPa的指令后,操作工修改HMI画面设定值,水压机恢复自动增压,增压曲线见如图9所示。

图9 修改水压实验值后压力压曲线记录

3) 反思及优化改进

(1) 引起本次水压机增压异常原因是产品设计参数错误,原先下发的“工艺通知单”水压设定值过大,导致作用在钢管内的水压压力超出了原材料的屈服强度;

(2) 这是典型的压力平衡故障：钢管在第一次增压过程中,管内水压压力超出钢管材料的屈服强度,钢管发生变形,外径变大[13-14],钢管截面变大导致管内压力下降,引起平衡油缸向前微动,平衡缸内压力下降;控制装置为了保持压力平衡,不断加大平衡油缸比例阀的给定值,导致了平衡泵瞬间供油跟不上,压力下跌,平衡泵“已准备好”的信号丢失,无法实现自动增压。同时由于平衡油缸压力无法快速跟上正常水压上升速度,反过来影响了水压升压和保压,使得增压机增压出现异常;

(3) 同一根钢管在第二次增压时,由于管形已经胀大,形变强化速度大于外径胀大导致的应力增大速度,同样的水压设定值不会再出现增压过程中钢管继续胀大的现象,故第二次打压正常;

(4) 以后生产中再遇到同样的现象(平衡泵准备灯闪、半自动升压速度慢、波形异常),应重点查看PLC波形记录中的排水头设定值和实际值偏差是否异常,查看平衡油缸比例阀给定值和实际值是否异常升高,平衡油缸压力是否存在轻微的下降。通过这些检查能够快速锁定故障点,减少产线停机时间。

2.3 增压比例阀异常引起的增压故障

1) 故障现象

2020年8月某日,水压机操作人员报在生产1016×17.5(钢管外径1016 mm,钢管壁厚17.5 mm)规格钢管时异常,无法连续生产,有时可正常增压,有时无法增压,有时无法保压。设备机电维护人员现场查看HMI画面,无任何报警信息,随对该问题进行排查分析。

2) 故障处理经过

(1) 检查操作画面及控制程序后未发现任何报警信息,检查增压过程中无明显水系统、液压系统有外泄漏点;

(2) 查看PLC内部控制数据,发现增压阀台1#增压缸比例阀给定反馈跟随不同步;

(3) 更换1#增压缸比例阀(修复件),更换后故障依旧,并显示新更换的比例阀给定9 V;

(4) 对将新换的比例阀及刚下机的比例阀送修复单位试验台进行测试,测试结果未发现明显异常;

(5) 再次更换最初的1#增压缸比例阀,试车正常生产7根后再次出现无法保压,显示1#增压缸比例阀给定反馈跟随不同步[15];

(6) 检查1#比例阀上各插头,发现该比例阀的先导阀和主阀的接线插头固定螺丝松,如图10中线圈1,插头可轻微再插下,按紧该插头后,可连续生产5根,用扎带扎紧后正常生产20根后,又出现不增压现象。查看1#增压缸比例阀给定反馈跟随不同步,数值相差较大给定9 V,反馈5～6 V,同时发现比例阀上的叠加换向阀插头有瞬间“闪灭”;

图10 1#增压比例阀接线插头异常

(7) 解体该插头,图10中线圈2,发现插头内部有异常,内部有油污、塑料件老化碎裂、接线裸露等。更换该插头及插头到端子箱的控制线,试车后生产正常,1#增压缸比例阀给定反馈跟随同步。

由图4的增压原理图及图11的增压控制简图可知1#,2#增压缸采用相同控制系统,其中比例阀型号为4WRTE 32 600L-4X/6EG24K31/A1 W-B15M, 该阀为外控外泄先导式高频响比例换向阀,在该比例阀的先导阀和主阀之间,有一个叠加换向阀,其作用是主阀对中,当正常生产时处于常得电状态;如果异常闪断,主阀芯跟随中断,阀芯反馈就滞后,监控程序中比例阀的给定和反馈差异较大。而该比例阀的先导阀和主阀的接线插头接触不良,会出现阀不受控现象[16]。这也解释了为什么增压系统有时正常,有时异常;解释了更换下来的比例阀在专业检测试验台上测试正常,而安装到位后偶尔出现异常的原因。

1.增压缸 2.比例阀主阀 3.比例阀先导阀 4.叠加换向阀 5.增压安全阀

3) 反思及优化改进

(1) 增压阀台增压过程有一定的振动,比例阀自带插头或外部控制插头存在松动可能,松动导致的接触不良而产生的设备故障排查有一定难度。而且该增压比例阀插头水平安装,更易松动,故障排查和判断时间较长;

(2) 水压机设备控制阀插头、信号接头等长期在乳化液的水汽环境中运行,插头内部老化、腐蚀较严重,接头内部可能存在短路。后续对水压机等有水区域类似控制阀插头进行全部更换,所有重要比例阀全部增加反馈信号到控制系统,以快速判断比例阀是否异常,缩短停机时间;

(3) 更换异常的比例阀元件后,仍出现无规律的设备异常,可考虑从比例阀的外部控制系统中排查分析。

2.4 接触器接触不良产生的增压异常故障

1) 故障现象

2018年1月某日,水压机生产1016×15.3规格钢管(钢管外径1016 mm,钢管壁厚15.3 mm),钢管快速充水注满后突然不增压,水压机操作人员报无法增压,HMI操作画面无任何报警信息。设备机电维护人员现场查看监控波形(如图12所示),发现两个增压缸都有增压动作,但检测钢管内水压压力的压力变送器(图4中件号8)压力值始终为0.3 MPa,检测平衡油缸内液压压力的压力变送器(图4中件号9)压力值为2.2 MPa,为排查是水压压力信号导致的液压压力不跟随,还是液压压力信号导致的压力不平衡,机电维护人员进行了详细分析。

图12 不增压故障时的波形图

2) 故障处理经过

(1) 按照以前的经验,首先检查水系统、液压系统有无外泄漏,目测均无明显外泄漏;

(2) 检查增压油缸比例阀给定和反馈值,确定增压比例阀及增压缸动作正常;

(3) 检查平衡油缸平衡比例阀给定和反馈值,均正常跟随;

(4) 检查图13中增压进水阀线圈,通电正常;

图13 增压进水阀

(5) 更换增压进水阀后的水过滤器滤芯,当更换完毕送电试车时,机电维护人员未听到增压进水阀通电打开时的水流撞击声,但增压进水阀的线圈指示灯常亮。拆开水过滤器出口连接法兰,线圈指示灯亮状态下无水流出;

(6) 机电维护人员排查该进水电磁阀PLC输出状态A185.2常“1”且A52-K902继电器得电(状态灯亮),进一步检查：A52-K902继电器(如图14所示)通电后其常开触点接触不良未闭合[17],导致进水电磁阀处于关闭状态,没有低压水进入增压系统中。因无增压介质进入,虽然两个增压缸在循环动作,但都是管道存水及空气抽吸压缩,无法完成增压;

图14 继电器未闭合

(7) 更换该接触器后,恢复正常水压生产。圧力曲线如图15所示。

图15 正常生产时的波形图

3) 反思及优化改进

(1) 该故障是电气接触不良导致的增压异常故障,在故障判断初期,较难确定是增压水系统的原因还是液压跟随的原因。但图7的优化改进“加装反串压力传感器”后,可以快速判断：增压进水阀到增压阀台后, 进入增压插装阀前的压力一般为0.5～0.6 MPa,当压力低于0.2 MPa时,一般为过滤器堵塞;当压力为0时,一般为增压进水阀未打开;当压力高于0.8～1.2 MPa 时,一般为增压插装阀内泄漏,高压水反串;

(2) 2021年1月也曾发生过图16中充水头1到压力变送器8之间的管道内乳化液冰冻住后,压力变送器8的数值不变化而引起无法增压故障,故障根本原因也是水压值不变化而引起压力平衡不跟随。故障的分析和判断排查也耗费了一定时间。采取的对应措施除该管道用防冻保护外,也要求零下低温天气,水压机待料期间,持续充水增压保证乳化液流动不冻结。

图16 冻结水管

3 结论

该钢管水压机设备投用已15年, 设备结构和控制较复杂,且常年处于有油、有水、高压和振动环境中,设备出现磨损、老化、锈蚀等, 设备异常及故障也容易发生。但无论是机械液压、电气元件、工艺参数设定,还是异常天气引起的故障,我们依据设备增压、压力平衡关系、设备原理图、监控波形图进行分析,都最终得到了解决;并针对性的在增压阀台增加一个高压水反串压力传感器以快速准确判断水系统增压故障;所有重要比例阀全部增加反馈信号以准确判断液压系统增压故障;增加监控波形如位置、电流等波形图,对重要水系统(乳化液)管路防冻结等优化措施,以快速锁定故障点;以上优化改进措施都达到了减少故障处理时间,保障产线顺行的目的。