深海管线用超高压水压试验机的研发与应用

隋 健，李培力，刘继高，马海宽，寇永乐，王冬梅，薛菲菲

(1. 中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2. 金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032)

·专题综述·

深海管线用超高压水压试验机的研发与应用

隋 健1，2，李培力1，2，刘继高1，2，马海宽1，2，寇永乐1，2，王冬梅1，2，薛菲菲1，2

(1. 中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2. 金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032)

根据高强度深海管线的试压要求，开发研制出首台套最大试压能力达200 MPa和最大管径Φ323的钢管水压试验机。文章结合Φ323-200 MPa水压试验机的主要参数、工艺路线、设备组成和结构特点，针对集成式超高压增压系统、联合增压系统、模具和高压部件进行结构优化、对超高压水路阀控系统、超高压密封等关键技术进行了研发，以达到钢管试验要求。

超高压；水压试验机；增压系统；密封

0 前言

近年来随着国内外经济的迅猛发展，各国对能源需求急剧增长，全球范围内加大了对石油、天然气的开发与利用。油气输送管道作为石油和天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具得到了迅速发展。油气管道生产过程中水压试验是必备工序，没有经过水压测试的管道是不能够出厂应用到实际油气开采和输送工程的。因此，任何管道都必须按照API的相关要求进行水压测试。

当前，油气资源日益减少，便于开发利用的油气田几乎开采完毕，因此开采已逐步转向环境恶劣的偏远陆地以及海洋地区的深海区，油气管道工程对钢管性能也提出了高强度、高韧性、高可焊性的要求。高强度深海管线满足海洋油气管道要求，其试压压力也越来越高，甚至高达250 MPa，这就对钢管水压试验机提出了更高的要求。

为此，中国重型院油气所根据高强度深海管线的试压要求，开发研制出首台套最大试压能力达200MPa和最大管径Φ323的钢管水压试验机。该设备采用自动控制，具有调整、手动、半自动、自动功能，上位机具有工艺参数的设定、记录、储存、调阅，设备现场的运行状态图，并具有自动诊断故障等功能。

1 设备主要参数

1.1 产品规格

钢管外径/mm 114.3～323.9

钢管壁厚/mm 4～45

钢管长度/m 6～14.6

最大钢管重量/kg 4 200

钢管最大米重/kg 288

钢管最大弯曲度/mm·m-14

钢管端部 两端光管

1.2 水压试验机主要参数

水压机工作压力/MPa Max.200

试验压力精度 0～100 PSI(最大试验压力时)

压力传感器的检测精度/% 0.2

管端密封型式 径向大间隙密封

保压时间/s 可调范围5～300

保压形式 增压器连续保压

充水方式 水泵充液罐

进料方式 上部进料

最大轴向力/kN 12 000

排气端排气头移动距离/m Max.2

排气端移动小车/m 最大运动距离8

试验介质 乳化液

装机功率/kW 500

70～200MPa时，最高频次15根/h

低于70MPa时，最高频次90根/h

2 工艺路线

如图1所示，水压试验机从前端台架取料，检测到钢管后由翻料装置把钢管送入对齐测长工位-进行对齐、测长-翻料装置把钢管送入试压待料工位-试压位接料装置的接料臂上升，钢管沿接料臂的斜臂条滚入试压位，接料臂缓慢下降，将钢管放到夹紧装置上-夹紧装置将钢管夹紧至试压中心-充水头、排气头前进到管端密封位-径向预密封抱紧钢管-充水阀开启，钢管充水，直至空气排出，充水阀、排气阀关闭-高压增压器开始工作，给钢管内的水加压，达到预定压力后切换至超高压增压器-超高压增压器开始工作，给钢管内的水继续加压-达到设定压力后按需要的时间保压，超高压增压器停止或继续工作以补偿系统的泄漏，且保持一恒定准确的测试压力。小流量泄漏检测系统工作，对钢管的小流量泄漏进行诊断和报警-完成试压后，超高压增压器通过比例控制斜坡卸压，超高压增压器回退至初始状态-切换至高压增压器，高压增压器通过比例控制斜坡卸压，高压增压器回退至初始状态-当钢管内部压力达到一定安全值时，径向预密封卸压，松开钢管，排气阀打开-充水头和排气头试压头回到初始位-夹紧装置松开钢管-试压位出料装置的出料臂升到最高位置，将钢管卸出-钢管沿斜台架滚到空水工位，试压位出料装置的出料臂下降至初始位-空水工位上，钢管一端抬起，吹气空水-钢管一端落下，翻料装置将钢管送出(对试压不合格钢管发出信号)。

图1 水压试验机的断面图Fig.1 Cross-section diagram of hyperpressure hydrotester

3 设备组成和特点

水压试验机主要由试压本体、进出料及空水装置、对齐测长装置、夹紧及接出料装置、机罩、液压系统和电气系统等组成。

3.1 试压本体

试压本体(图2，图3)由充水装置、排气小车、机架、高压增压器、试压模具等组成，是水压试验机的关键部分。

图2 试压本体立面图Fig.2 Elevation diagram of hydrotester’s body

图3 试压本体平面图Fig.3 Layout diagram of hydrotester’s body

充水装置由充水头、高压缸体、超高压增压器等组成。用于密封钢管前端部，进行充水，超高压增压时的加压。充水头移动300 mm行程，充水管采用伸缩管形式，所有高压部分均采用集成式布置，减少泄漏点。高压缸体上设有安全卸荷阀，保证试压过程中突发情况时的管体压力紧急卸荷。高压缸体上同时设有高压增压与超高压增压时的压力切换阀，保证联合增压过程中的升压和卸压。超高压增压器的增压比为1∶7.6，试压最大能力达到200 MPa。

排气小车由车体、小车移动装置、排气头、排气头驱动装置及锁键定位装置等组成。排气小车由变频电机减速机驱动，用两侧齿轮齿条机构实现前后的直线移动，可根据测长数据实现钢管6～14.6 m范围内自动调整孔位，也可实现操作台人工调整；排气头驱动由液压马达驱动齿轮，通过丝杠螺母机构实现排气头的直线运动，行程最大达2 m，可满足钢管长度在±600 mm范围内时小车不需要移动，其行走前后均有机械限位保护装置；锁键定位装置将排气小车定位在机架上，通过两侧的插销将试压时的轴向力传递到机架上。

机架采用对称工字梁框架结构，试压时受力中心在工字梁的对称中心。在工字梁上设有11组调节孔位，以满足钢管从6～14.6 m的范围内变化时排气小车移动插孔的试压要求，梁上设有导轨和齿条，满足排气小车和排气头在其上运行。梁的刚性满足在最大试验压力下密封与管体间无相对移动。

高压增压器单独放置，与高压缸体连接的所有高压部分放在地面以下且不外露，确保试压过程的安全。高压增压器的增压比为1∶3.2，试压最大能力达到90 MPa。

3.2 进出料及空水装置

进出料台架由进料台架、进料翻板、出料台架、出料翻板等组成。满足钢管在各工位之间的传递。

空水装置由空水升起装置和吹气装置组成。满足钢管单边升起，吹气空水的要求。

3.3 对齐测长装置

对齐测长装置由对齐辊道、对齐挡板和测长小车组成。用于检测钢管长度，便于试压位根据管长调整移动小车位置。

3.4 夹紧及接出料装置

夹紧及接出料装置由多组夹紧装置、接料装置和出料装置组成，各部分之间用链条连接，用于钢管的夹紧和钢管进出试压工位。夹紧及接出料装置在机架上部沿钢管轴向方向上可根据管长变化自动移动。

3.5 机罩

为保证试压环境的安全，机罩将超高压试压部分整体全封闭起来。

机罩内部安装有操作维修平台和起吊装置，便于更换模具和检修维护。内部多处设有摄像头，方便清楚观察试压过程中设备的运行状况。

操作室前方安装有防弹玻璃窗户，便于直观的监控试压过程。

3.6 液压系统和电气系统

控制执行元件的动作，满足设备全自动运行所需的软硬件条件。

4 关键技术和创新点

4.1 集成式超高压增压系统

当水压试验压力达到200 MPa后，从增压器到试压单元的压力连接将不能采用传统的高压管路连接，因为传统的管路连接不仅存在管道和管路附件的耐压瓶颈，同时管路连接增大了增压容积，而且存在超高压管路裸露的安全问题。采用集成式超高压增压系统(图4)可以解决上述问题。

图4 集成式超高压增压系统结构图Fig.4 Structure drawing of compositive hyperpressure supercharging system

集成系统包含超高压增压器、高压缸体和充水头等，通过控制超高压增压器，使管道内部压力升高，实现管道水压试验，没有超高压连接管路环节。试压过程通过承压块防止充水头后退，并将轴向力传递到机架上，使整体结构受力更为合理，降低了整体强度要求，减小设备体积。超高压增压系统和充水装置集成为一体，大大减少了泄漏点，没有管路容积损耗，增压快速灵敏，提高了增压效率，降低安全隐患，结构更为简单，运行平稳可靠。

4.2 联合增压系统

试验压力从0 MPa增至200 MPa时，所需的增压容积由一台增压器完成时，增压器的体积会相对庞大，再考虑到少量气体不易排出，增压容积至少应达到110 L，设计成集成式的难度增加，同时制造成本翻倍。在实际使用中，常规的钢管试验压力在80 MPa以内，因此，设计时按照此压力划分增压器增压容积，将增压过程按照高压大流量增压器和超高压增压器联合两级增压系统来实现超高压增压(图5)。

图5 联合增压系统原理图Fig.5 Schematic diagram of combined supercharging system

高压增压器外置，按照增压比1∶3.2设计，增压容积为85 L，通过高压管路与充水装置上的高压缸体相连；超高压增压器集成在充水装置上，按照增压比1∶7.6设计，增压容积为35 L。两者在设计中均考虑了一定增压容积富余量，在增压和卸压过程中，两者之间需要增设切换阀，以保证压力的二级传送。

4.3 模具和高压部件结构优化

关键超高压部件如：模具、充水头、充水杆、高压缸体、排气头等，先进行耐高压材料的比选，选出性价比最高的高压特种材料，设计过程中进行实验研究以及计算机有限元模拟研究相结合，根据优化结果进行结构创新设计，既提高设备整体性能和使用寿命，又减少企业的设备资金投入，最大限度满足用户对于设备的要求。

4.4 超高压水路阀控系统

压力从高压上升到超高压之后，传统的水阀和阀芯结构因为结构和材料性能的局限性已不能满足超高压环境的使用，需要对充水阀、排气阀、安全卸荷阀、压力切换阀等控制超高压部分的水路阀进行重新设计，在阀口形式、密封结构、开启方式和材料选型上进行研发，通过理论计算与计算机有限元模拟相结合，达到安全使用的要求。

4.5 超高压密封

在超高压密封动态连接部分采用车氏密封，利用多级密封组合达到密封效果。在超高压平面密封上采用车氏密封，利用径向密封与平面密封相结合的自密封结构，保证密封的可靠性。

在管端密封处，试验并开发出专用的大间隙密封圈，既确保钢管进入试压模具时密封圈内径比钢管外径大10～15 mm，方便钢管进入试压模具，又能在承受200 MPa超高压力时保证模具密封圈的密封性能，同时在卸压后密封圈能够很好的回弹至原始状态。

5 结速语

Φ323-200 MPa高强度深海管线用超高压水压试验机，是在中国重型院油气所自主研发的钢管高压水压试验机的基础上进一步开发的，其机械、液压和电气系统完全具有独立的自主知识产权。超高压水压试验机达到最大试压能力200 MPa和最大管径Φ323 mm的试验能力，对高强度深海管线生产线和更高要求的无缝钢管生产线具有重要意义。

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] 中华人民共和国机械行业标准.水系统零部件[S].国家机械工业局，1999.

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[5] 王海红，刘继高，王钊，等. 双管全自动水压试验机组的开发[J].钢管，2007(05).

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[7] 马海宽，李培力，刘继高，等. 高压水压试验机车体有限元拓扑优化分析 [J].机械工程与自动化，2013 (05).

Research and application of hyperpressure hydrotester to deep-sea line pipe

SUI Jian1,2，LI Pei-li1,2，LIU Ji-gao1,2，MA Hai-kuan1,2，KOU Yong-le1,2，WANG Dong-mei1,2，XUE Fei-fei1,2

(1. China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China；2.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，Xi’an 710032，China)

According to the requirements of the high strength and deep-sea line pipe pressure test, this paper developed the first the maximum capacity sets of 200 MPa pressure testing and maximum diameterΦ323 mm steel pipe hydrotester. Combining with main parameters ofΦ323-200 MPa hydrotester, process route, equipment composition and the structure characteristics, in view of the compositive hyperpressure supercharging system, combined supercharging system, die and high pressure parts structure optimization, hyperpressure water-valve control system, such as hyperpressure seal key technology research and development, to meet the requirements of steel pipe test.

hyperpressure；hydrotester；supercharging system；sealing

2015-09-12；

2015-10-10

陕西省科技统筹创新工程计划项目 (2014ZS-06)；西安市科技计划项目-技术转移促进工程(CXY1418)；中国重型院科研项目(K1505405)

作者简介：隋健(1976-)，男，中国重型机械研究院股份公司高级工程师，主要从事冶金锻压设备的研究与应用。

TH137

A

1001-196X(2016)03-0001-05