СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ УЗЛОВ СТЕНДЕРА И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАНИЯМИ УЗЛОВ СТЕНДЕРА
BENCH FOR TESTING OF LOADING ARM NODES AND CONTROL SYSTEM FOR TESTING OF LOADING ARM NODES

Область техники
Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, в частности к стендам для испытаний узлов стендера, и может применяться для проведения полного комплекса испытаний шарнирных соединений узлов стендера, кроме аттестационных динамических испытаний.
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство для проведения испытаний шарнирного соединения на долговечность (патент US 5753799А, опубл. 19.05.1998). В изобретении раскрыт способ проведения аттестационных динамических испытаний шарнирного соединения. Устройство для испытаний содержит испытательный стенд, имеющий горизонтальную платформу, опору для испытательной компоновки на одном конце и гидравлический домкрат на втором конце платформы, систему подачи текучей среды, рычаги нагрузки (соединенные шарнирным соединением), причем первый нагрузочный рычаг неподвижен, а второй рычаг выполнен с возможностью реверсивного вращения. Недостатком этого устройства является возможность проведения только одного вида испытаний (аттестационных динамических), а также сложность конструктивного исполнения и ограниченные возможности, в частности:
- использование ручного режима, практически все манипуляции с гидравликой производятся в ручном режиме (при использовании ручных насосов и гидроцилиндров);
- наличие дополнительного шарнирного соединения, что уменьшает надежность конструкции;
- использование реверсивного двигателя, что значительно увеличивает массу и габариты конструкции.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство для испытания на производительность соединений узлов стендера и метод его осуществления, патент CN107246958A опубл. 14.04.2020. Устройство содержит рабочую платформу, систему подачи текучей жидкости и давления, реверсный электродвигатель с редуктором и цепью с возможностью подачи осевых и вращательных нагрузок.
Данное устройство позволяет реализовать большой спектр испытаний. К его недостаткам относятся ручное управление испытаниями; сложная схема крепления шарнирного соединения с испытательной компоновкой к самому стенду с помощью механизма с передаточным валом, редуктором и приводным устройством, которая снижает достоверность получаемых выходных экспериментальных данных.
Задача предлагаемого стенда для испытаний узлов стендера заключается в повышении точности полученных экспериментальных данных, упрощении проведения испытаний, повышении безопасности проведения испытаний, а также в создании более универсального устройства.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в автоматизации процесса испытания узлов стендера за счет работы системы управления испытаниями узлов стендера с гидроприводами, что позволяет значительно упростить как саму конструкцию, так и управление стендом, что влечет за собой повышение точности результатов и высокую безопасность из-за замены ручного управления автоматическим. Возможность проводить испытания для различных типоразмеров испытательных компоновок (универсальность) обеспечивается конструктивной особенностью регулировки расположения рычагов гидропривода.
Раскрытие сущности изобретения
Решение технической задачи достигается тем, что в стенде для испытаний узлов стендера, представляющем собой установку, в которую устанавливается компоновка испытательная в сборе с узлом стендера и с одной стороны фиксируется с помощью болтового соединения, с другой стороны - не зафиксирована и имеет приварное плечо, согласно изобретению, опора содержит гидропривод одностороннего действия, а сам стенд содержит систему управления с возможностью подачи флюида (в том числе криогенного), возможностью продувки газом и создания вакуума.
Для испытаний шарнирных соединений узлов стендера стенд для испытаний содержит раму с гидроприводом и вспомогательную раму с противовесом.
Стенд для испытаний узлов стендера позволяет провести полный объем испытаний в соответствии с ISO 16904:2016 («Нефтяная и газовая промышленность. Проектирование и испытание рукавов для перекачивания сжиженного природного газа на обычных береговых причалах»), за исключением, аттестационных динамических испытаний. С помощью предлагаемого стенда можно осуществить:
- испытание гидростатическим давлением (нагнетание в испытательную компоновку давления);
- испытание на частичный вакуум и утечку (вакуумирование внутренней полости испытательной компоновки с последующим нагнетанием давления до рабочего, подача давления воздуха/азота во внутреннюю полость испытательной компоновки для проверки вторичного уплотнения шарнирного соединения);
- испытание на утечку при вращении (вращение испытательной компоновки от 0 до 80 градусов благодаря раме основной, раме вспомогательной и противовесу с применением гидростатического давления в полость испытательной компоновки);
- испытание на влагозащиту (вращение производится аналогично предыдущему испытанию, но шарнирное соединение обрызгивается водой и в полость испытательной компоновки подается жидкий азот, а в полости шарнирного соединения контролируется давление азота);
- испытание на предельную нагрузку (с помощью опоры с гидроцилиндром проверяется максимальная нагрузка, которую способно выдержать соединение узла стендера).
В испытательном стенде предусмотрены проушины для проведения погрузочных работ, а также карманы для подъема вилочным погрузчиком. Предусмотрены места для крепления к (бетонному) основанию посредством анкер-болтов.
Система управления стенда для испытаний узлов стендера состоит из двух блоков: блока управления гидроцилиндрами и блока обвязки испытательной компоновки стенда для испытаний узлов стендера.
Блок управления гидроцилиндрами включает в себя гидробак, подсоединенный через фильтр к гидробаку регулируемый насос, распределители с напорной и разгрузочной магистралями для подключения к поршневым и штоковой полостям гидроцилиндров, обеспечивающих функционирование стенда для испытаний узлов стендера, предохранительные клапаны, позволяющие сбросить избыточное давление в системе обратно в гидробак, вентили и манометры. Распределители соединены с поршневыми и штоковой полостями гидроцилиндров и установлены между регулируемым насосом и гидроцилиндрами. Манометры, вентили и предохранительные клапаны подключены к общей системе и расположены на сливных магистралях.
Блок обвязки испытательной компоновки стенда для испытаний узлов стендера включает в себя следующие подсистемы, выполняющие различные функции:
а) подсистема питания испытательной компоновки криогенной жидкостью состоит из гидробака, регулируемого насоса, охладителя, обратных клапанов и вентилей, расположенных на напорной и разгрузочной магистралях. Датчики температуры располагаются на напорной и разгрузочной магистралях, манометр для контроля за давлением испытательной жидкости находится на напорной магистрали. Предохранительный клапан подключен к общей системе и расположен на сливной магистрали;
б) подсистема продувки испытательной компоновки газом состоит из аккумулятора, фильтра, компрессора, развивающего необходимое давление в напорной магистрали, расходомеров, обеспечивающих мониторинг параметров расхода, распределителей, а также датчиков температуры и манометров с вентилями, находящихся на напорной и разгрузочной магистралях. Предохранительный клапан подключен к общей системе и расположен на сливной магистрали;
в) подсистема питания компоновки испытательной жидкостью состоит из гидробака, фильтра, регулируемого насоса, обратного клапана и вентилей, которые расположены на разгрузочной и сливной магистралях. Манометр для контроля за давлением испытательной жидкости и предохранительный клапан находятся на сливной магистрали;
г) подсистема для создания вакуума состоит включает в себя гидробак из подсистемы «в», вакуумный насос, обратный клапан, вентили и вакууметр, который подключен к основной линии.
Блоки связаны между собой испытательной компоновкой и являются частью системы управления испытаниями узлов стендера. В испытательной компоновке предусмотрен датчик температуры и вентиль для выпуска испытательной среды после проведения испытаний.
Система управления стенда для испытаний узлов стендера позволяет осуществить:
- управление подачей и выпуском текучей среды из полости испытательной компоновки;
- контроль термодинамических параметров и испытательной полости, параметров вращения испытательной компоновки;
- контроль продольных, радиальных и осевых нагрузок, действующих на испытательную установку;
- подачу сигналов на систему приводов, предназначенную для испытаний узла стендера с целью обеспечения нагрузки и вращения;
- подачу сигналов на подачу текучей среды в полость испытательной компоновки и выпуск текучей среды из полости испытательной компоновки.
Одним из основных преимуществ предлагаемого изобретения является автоматизация его управлением:
- все манипуляции со стендом после его настройки автоматизированы;
- работа происходит по заданной программе, благодаря контроллеру, управляемого функциональными элементами (гидроприводами) стенда и в необходимом удалении человека от места проведения испытаний (обеспечение безопасности).
К важным преимуществам предлагаемого устройства относится и его простота (отсутствие реверсного двигателя с редуктором и дополнительного шарнира), многофункциональность (выполнение нескольких типов испытаний на одном стенде).
Например, при проведении испытаний на вращение используется система рам и тросов с гидроприводом, роликами и противовесом. Использование данной системы позволяет исключить воздействие противовеса на испытательную компоновку, а также дает возможность использовать эту систему на другие типоразмеры шарнирного соединения путем изменения длины троса и массы противовеса. Использование гидропривода двухстороннего действия дает возможность автоматизировать процесс испытаний и гарантирует задание необходимого угла поворота и количества необходимых циклов с высокой точностью (регулирование данных параметров осуществляется изменением хода гидропривода).
Подобная система дает возможность применять ее и на другие типоразмеры шарнирных соединений узлов стендера без необходимости замены какого-либо оборудования (необходимо только удлинить/укоротить длину используемого троса).
Также к преимуществам предлагаемого испытательного стенда можно отнести его универсальность (модульность и гибкость настройки), что расширяет его возможности использования, так как на этом стенде может испытываться разрывная муфта (муфта ERC) и быстродействующая соединительная муфта (соединение QC/DC), то есть другие критические (основные) узлы стендера объемом испытаний в соответствии с ISO16904:2016.
Краткое описание чертежей.
Стенд для испытаний узлов стендера и система управления испытаниями узлов стендера поясняются следующими чертежами:
на фиг. 1 изображен общий вид стенда для испытаний узлов стендера;
на фиг. 2 представлена гидравлическая схема обвязки испытательной компоновки узла стендера;
на фиг. 3 представлена гидравлическая схема системы гидроприводов;
на фиг. 4 изображен общий вид стенда для испытаний разрывной муфты (муфты ERC);
на фиг. 5 изображен общий вид стенда для испытаний быстродействующей соединительной муфты (соединения QC/DC); Осуществление изобретения
Основной функцией испытательного стенда для испытаний узлов стендера является проведение испытаний шарнирных соединений.
Компоновка испытательная в сборе с шарнирным соединением 1 устанавливается на раму испытательного стенда 2 и фиксируется на ней, по меньшей мере, с одной стороны через опору компоновки испытательной 3 с помощью фланцевого соединения (фиг. 1). На основании стенда установлена опора с гидроприводом 4, позволяющим задавать продольные и осевые нагрузки через плечо приварное 5 компоновки испытательной.
Для проведения испытаний узлов стендера с шарнирным соединением при вращении, предлагаемый стенд комплектуется с помощью болтового соединения рамой основной 6 с гидроприводом для задания вращения. Конструкция стенда также содержит раму вспомогательную 7 с противовесом 8 и тросом (условно на показан). Компоновка испытательная располагается горизонтально.
Вспомогательная рама 7 выполняет функцию поддержания противовеса 8. Через нее проходит трос, который одним концом крепится к противовесу 8, а другим - к испытательной компоновке. Вспомогательная рама позволяет проводить операции с противовесом 8. Гидропривод в раме 6 вращает с помощью троса испытательную компоновку, тем самым поднимая противовес. После совершения перемещения испытательной компоновки и противовеса, давление в гидроприводе сбрасывается, противовес под силой тяжести опускается вниз, тем самым возвращая испытательную компоновку в начальное положение.
Для удобства транспортировки устройство стенда для испытаний узлов стендера оснащено карманами для вилочного погрузчика 9 на основании.
Работу стенда для испытаний узлов стендера и системы управления испытаниями узлов стендера следует рассматривать через схемы системы управления испытаниями узлов стендера, позволяющих проводить испытания.
1. Испытание гидростатическим давлением. На фиг. 2 показана гидравлическая схема обвязки испытательной компоновки узла стендера. Через фильтр 9, насос 10 и обратный клапан 11 по линии А из бака 12 нагнетается жидкость до достижения уровня полуторакратного расчетного давления испытываемого шарнирного соединения. Давление контролируется манометром 13, соединенным с линией А через вентиль 14. Вентиль 15 необходим для стравливания воздуха во время заполнения внутренней полости испытательной компоновки. При росте давления выше запланированного для испытаний уровня срабатывает предохранительный клапан 16 на линии А, который сбрасывает давление обратно в бак 12. Через вентиль 17 осуществляется сброс жидкости в бак 12 после проведения испытания.
2. Испытание на частичный вакуум и утечку. После проведения испытаний гидростатическим давлением в блоке гидравлической схемы обвязки испытательной компоновки узла стендера во внутренней полости испытательной компоновки по линии Д вакуумным насосом 18 через вентиль 19 и обратный клапан 20 создается вакуум 50 кПа. Вакуумметр 21, соединенный с линией Д через вентиль 22, контролирует давление разряжения по линии Д. После окончания вакуумирования, можно выровнять давление во внутренней полости испытательной компоновки с помощью открытия вентиля 15 на линии А.
После вакуумирования необходимо нагнетать давление во внутренней полости испытательной компоновки до расчетного давления (методика аналогична испытаниям гидростатическим давлением).
После дренажа необходимо подать давление азота не менее 0,3 МПа из аккумулятора 23 компрессором 24 через фильтр 25, находящихся на линии Б. Распределитель 26 должен находиться в положении открытой линии В и закрытой линии Б (как показано на фиг.2). Давление в линии В контролируется манометром 27, соединенным с линией через вентиль 28. Вентиль 29 должен находиться в положении открыто. После проведения этого этапа испытания можно сбросить давление азота через вентиль 30 и распределитель 31 (должен находиться в открытом положении), расположенные на линии Б, обратно в аккумулятор 23. При росте давления выше запланированного для испытаний уровня срабатывает предохранительный клапан 32 на линии В, который сбрасывает давление обратно в аккумулятор 23 по линии Б (распределитель 31 должен быть закрыт, как показано на фиг. 2).
3. Испытание при вращении. Для создания вращения шарнирного соединения узла стендера вокруг своей оси в блоке гидравлической схемы системы гидроприводов (фиг. 3) используется гидроцилиндр двухстороннего действия 33, который в свою очередь приводится в движение давлением, создаваемым насосом 34 через фильтр 35, распределитель 36 (должен находиться в положении работы гидроцилиндра 33) и 37 (должен находиться в положении, как показано на фиг. 2). При необходимости смены направления движения гидроцилиндра 33 распределитель 37 меняет свое положение. При росте давления выше запланированного для испытаний уровня срабатывает предохранительный клапан 38, который сбрасывает давление обратно в бак 39. Давление контролируется манометром 40, соединенным с основной линией через вентиль 41. Во время вращения необходимо нагнетать давление во внутренней полости испытательной компоновки до 1 МПа или расчетного давления в зависимости от того, что окажется выше (методика аналогична испытаниям гидростатическим давлением).
4. Испытание на влагозащиту. Для проведения испытания в блоке гидравлической схемы обвязки испытательной компоновки узла стендера (фиг. 2) по линии Г из бака 42 насосом 43 через охладитель 44, обратный клапан 45 и вентиль 46 во внутреннюю полость испытательной компоновки подается жидкий азот. На входе в компоновку температура контролируется датчиком 47, а давление - манометром 48, соединенным с линией Г через вентиль 49. Для контроля температуры в полости самой испытательной компоновки предусмотрен датчик температуры 50. На выходе температура флюида, проходящего через вентиль 51 и обратный клапан 52 в бак 42, контролируется датчиком 53. При возможном росте давления срабатывает предохранительный клапан 54, который сбрасывает давление обратно в бак 42, а обратный клапан 52 предотвращает попадание флюида обратно в полость испытательной компоновки. Слив флюида после проведения испытания можно осуществить с помощью вентиля 15 на линии А.
В это же время во внутреннюю камеру с шариками шарнирного соединения необходимо подавать сухой азот компрессором 24 в линию Б через распределитель 26 (должен находиться в положении открытой линии Б). На вход во внутреннюю камеру с шариками шарнирного соединения сухой азот поступает через вентиль 55 и расходомер 56, а температура и давление контролируются датчиком 57 и манометром 58, соединенным с линией Б через вентиль 59. На выходе расход газа контролируется расходомерами 60, 61 и 62, а температура и давление контролируются датчиком 63 и манометром 64, соединенным с линией Б через вентиль 65, после чего газ поступает в аккумулятор 23 через вентиль 30 и распределитель 31 (должен находиться в положении открыто). При возможном росте давления на линии Б срабатывает предохранительный клапан 66, который сбрасывает давление обратно в аккумулятор 23.
5. Испытание на максимальную нагрузку. Для проведения испытания в блоке гидравлической схемы системы гидроприводов (фиг. 3) используется гидроцилиндр одностороннего действия 67, который в свою очередь приводится в движение давлением, создаваемым насосом 34 через распределитель 36 (должен находиться в положении, как показано на фиг. 3). При росте давления выше запланированного для испытаний уровня срабатывает предохранительный клапан 68, который сбрасывает давление обратно в бак 39. Давление контролируется манометром 69, соединенным с основной линией через вентиль 70.
Кроме испытаний шарнирных соединений, стенд для испытаний узлов стендера позволяет проводить испытания других узлов стендера, широко используемых в оборудовании для перекачки жидкостей в нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности. Например, испытания разрывной муфты (муфты ERC) и быстродействующей соединительной муфты (соединения QC/DC) согласно ISO 16904:2016. При этом испытательный стенд будет отличаться изменением длины опоры для гидропривода 4 и расположением опоры для компоновки испытательной 3.
В этом случае муфта ERC устанавливается вертикально с оснасткой (фиг.4). Гидропривод опоры 4 подает нагрузку на компоновку испытательную через плечо приварное 5, которая имитирует эквивалентные нагрузки (продольные и осевые нагрузки) в рабочей среде.
Испытания муфты ERC, которые позволяет провести предлагаемый стенда для испытаний улов стендера и система управления испытаниями узлов стендера (в соответствии с ISO 16904:2016):
- испытание гидростатическим давлением (в испытательную компоновку нагнетается полуторакратное рабочее давление);
- испытание давлением сжатого воздуха (в испытательную компоновку нагнетается воздух/азот с давлением 0,6 МПа);
- испытание на прочность (испытание проводится при наихудшей комбинации нагрузок на муфту при температуре окружающей среды и при минус 160°С);
- эксплуатационное испытание клапана (проверяется работа клапана муфты ERC при температуре минус 160°С, максимальной расчетной эквивалентной нагрузке и расчетном давлении);
- эксплуатационные испытания на отсоединение (проверяется возможность отсоединения одной части муфты ERC от другой при температуре минус 160°С, максимальной расчетной эквивалентной нагрузке
и при наличии корки льда толщиной до 25 мм) (при этом очень важна автоматизация (=безопасность) процесса);
- низкотемпературное испытание на утечку (проверка герметичности верхнего клапана муфты ERC при температуре минус 160°С).
Испытания быстродействующей соединительной муфты (соединения QC/DC), которые позволяет провести стенд для испытаний узлов стендера и система управления испытаниями узлов стендера (в соответствии с ISO 16904:2016):
- испытание гидростатическим давлением (в испытательную компоновку нагнетается полуторакратное рабочее давление);
- испытание давлением сжатого воздуха (в испытательную компоновку нагнетается воздух/азот с давлением 0,6 МПа);
- испытание на прочность (испытание проводится при наихудшей комбинации нагрузок на муфту при температуре окружающей среды и при минус 160°С);
- испытание на аварийную утечку (проверяется возникновение аварийной утечки при неисправности как минимум одного зажима, при рабочем давлении (как минимум), при максимальной расчетной эквивалентной нагрузке); эксплуатационные испытания на расцепление проводятся только для гидравлического соединения QC/DC (при температуре окружающей среды и при температуре ниже минус 160°С; при температуре ниже минус 160°С создается корка льда толщиной не менее 25 мм).
Таким образом, сравнивая предлагаемое изобретение с прототипом, можно отметить следующие преимущества первого:
- использование системы рам с роликами, тросами и гидроприводом упрощает и удешевляет конструкцию (нет необходимости использовать реверсный электродвигатель с редуктором и цепью, а также отсутствует необходимость в дополнительном шарнирном соединении, снижающим надежность устройства);
- автоматизация, независимость от человеческого фактора и безопасность испытаний;
- прогнозируемость (режимов) испытаний;
- возможность проведения необходимого (полного) цикла испытаний других узлов стендера (например, муфты ERC и соединения QCDC).
Несмотря на раскрытый в описании вариант выполнения объекта изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что система управления испытаниями шарнирного соединения с использованием гидроприводов может быть также реализована с помощью пневмо- или электроприводов.