СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ
METHOD OF HYDRAULIC TESTING AND DEVICE FOR HYDRAULIC TESTING

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу гидравлического испытания с использованием воды, выполняемому для проверки качества сварной трубы, например, трубы, сваренной при помощи электрической контактной сварки, или спиральной трубы, и бесшовной трубы. Если говорить более конкретно, настоящее изобретение относится к способу гидравлического испытания с использованием воды и устройству для гидравлического испытания с использованием воды, при помощи которого во внутреннем пространстве испытываемой трубы поднимают давление до заранее определенного уровня и поддерживают этот уровень, путем полного заполнения испытываемой трубы водой и последующей заливки в эту трубу воды, имеющей высокое давление, с использованием бустерного цилиндра, приводимого в действие гидравлическим маслом.
Уровень техники
На линии по производству труб, сваренных при помощи электрической контактной сварки, гидравлическое испытание с использованием воды проводят для проверки качества изготовленной трубы, в частности, качества сварной области, называемой областью шва. Это гидравлическое испытание с использованием воды проводят путем установки изготовленной трубы, сваренной при помощи электрической контактной сварки, которая имеет конкретную длину, между передней бабкой и задней бабкой, расположенными в начале и в конце испытательной линии, герметизации трубы на ее переднем и заднем концах, и заливки воды, имеющей высокое давление, в эту трубу в данном состоянии через переднюю бабку. Давление воды, имеющей высокое давление, достигает приблизительно 90% от обеспеченной прочности. Труба, сваренная при помощи электрической контактной сварки, которая выдержала это давление в течение заранее определенного времени, без разрушения сварной области и возникающего в результате разрыва трубы, считается соответствующим изделием с точки зрения механической прочности.
Далее в общих чертах описана процедура гидравлического испытания с использованием воды. Испытываемую трубу закрепляют между передней бабкой и задней бабкой и герметизируют с обоих ее противоположных концов. Воду заливают при низком давлении (учитывая собственный вес воды) в испытываемую трубу из емкости через переднюю бабку. Воздух, находящийся в испытываемой трубе, выпускают наружу трубы через заднюю бабку. Когда испытываемая труба, по существу, заполнена водой, в эту трубу принудительно подают воду, имеющую высокое давление, чтобы поднять давление внутри трубы до требуемого испытательного давления. Испытательное давление внутри трубы поддерживают в течение заранее определенного времени, после чего испытание под давлением завершается. После завершения испытания под давлением открывают клапан сброса давления, обеспеченный с задней стороны, с передней стороны или с каждой из этих сторон, чтобы сбросить давление в трубе. После чего испытываемую трубу удаляют из пространства между бабками, и воду, имеющуюся в трубе, сливают в яму. Таким образом, испытание полностью завершается.
Как описано в Патентном документе 1, в качестве системы для подачи воды, имеющей высокое давление, которая предназначена для принудительной подачи такой воды в испытываемую трубу, применяется бустерный механизм, в котором используется давление масла. Если говорить конкретно, вода, имеющая высокое давление, подается в испытываемую трубу с использованием бустерного цилиндра, приводимого в действие гидравлическим маслом. А именно, вода засасывается на выходную сторону бустерного цилиндра, приводимого в действие гидравлическим маслом, и затем для увеличения давления на входной стороне этого цилиндра подается масло под давлением. Это заставляет поршень в цилиндре выдвигаться для подачи воды, имеющей высокое давление, с выходной стороны бустерного цилиндра в переднюю бабку и, в итоге, в испытываемую трубу.
Как показано на Фиг.4, в качестве приводной системы для бустерного цилиндра, то есть, в качестве источника гидравлического масла, из которого масло под давлением подается на входную сторону бустерного цилиндра, одновременно используется множество насосов 1 для гидравлического масла, установленных параллельно. Причина этого заключается в следующем: в связи с тем, что давление воды, количество воды и схема подачи воды, имеющей высокое давление, в испытываемую трубу меняются различным образом в зависимости от размера испытываемой трубы и т.д., требуется, чтобы давление масла и количество масла под давлением при подаче на входную сторону бустерного цилиндра также можно было выбирать из широкого диапазона.
Управление гидравлическим маслом осуществляют с использованием клапана 4 пропорционального управления, установленного в качестве регулирующего клапана во вспомогательной магистрали 3, ответвляющейся от основной магистрали 2, идущей от множества насосов 1 для гидравлического масла к входной стороне бустерного цилиндра 5. Аналогично причине одновременного использования множества насосов 1 для гидравлического масла, установленных параллельно, причиной установки клапана управления гидравлическим маслом не в основной магистрали 2, а во вспомогательной магистрали 3, ответвляющейся от основной магистрали 2, является необходимость того, чтобы параметры масла, подаваемого в бустерный цилиндр 5, можно было выбирать из широкого диапазона, от низкого давления и низкого расхода до высокого давления и высокого расхода.
Множество насосов 1 для гидравлического масла представляет собой обычно используемый блок для работы с гидравлическим маслом, приводимый в действие двигателем переменного тока. В результате насосы 1 для гидравлического масла, постоянно вращаясь, непрерывно выгружают масло под давлением. Давлением выгружаемого масла управляют с использованием клапана 4 пропорционального управления, установленного в качестве регулирующего клапана во вспомогательной магистрали. А именно, если давление масла в основной магистрали 2 выше давления, заданного в клапане 4 пропорционального управления во вспомогательной магистрали 3, масло выпускают через этот клапан 4, чтобы сохранить заданное давление. В результате давление масла в основной магистрали 2 сохраняется равным заданному давлению. Как показано на Фиг.5, давление масла и количество масла в насосе 1 для гидравлического масла имеют обратно-пропорциональную связь. Давление масла и давление воды, имеющей высокое давление, связаны прямо пропорционально. Давление масла и количество воды, имеющей высокое давление, связаны прямо пропорционально.
В ходе реального гидравлического испытания с использованием воды, заданное давление масла в клапане 4 пропорционального управления увеличивают поэтапно, например, 10 МПа, 20 МПа и 30МПа, чтобы в итоге перейти к заданному поддерживаемому давлению. В ответ на это, как показано на Фиг.6, давление воды, имеющей высокое давление, поэтапно увеличивается, чтобы в итоге достичь поддерживаемого давления. С увеличением ее давления расход воды, имеющей высокое давление, уменьшается. При сохранении поддерживаемого давления этот расход, по существу, равен нулю. При этом в приводной системе бустерного цилиндра 5 большое количество масла под давлением, выгружаемого из множества насосов для гидравлического масла, выпускается из магистрали наружу через клапан 4 пропорционального управления, установленный во вспомогательной магистрали 3.
Далее описано, почему расход воды, имеющей высокое давление, которая подается в испытываемую трубу, уменьшают, в то время как давление этой воды поэтапно увеличивают. Если давление в клапане 4 пропорционального управления с самого начала задано на максимальном уровне, соответствующем поддерживаемому давлению, давление на входной стороне бустерного цилиндра увеличивается при сохранении высокого расхода. Это приводит к превышению давления воды, имеющей высокое давление, под действием силы инерции самого бустерного цилиндра (сила инерции поршня) и т.д., то есть, давление воды, имеющей высокое давление, становится больше своего верхнего предела, как показано на Фиг.7.
Поддерживаемое давление воды, имеющей высокое давление, задают на уровне между давлением, требуемым для проведения испытания, и верхним пределом давления. Чтобы предотвратить превышение давления воды, имеющей высокое давление, расход этой воды, которая подается в испытываемую трубу, уменьшают по мере поэтапного увеличения ее давления. Кроме того, с целью полного поглощения указанной выше силы инерции, заданное давление в клапане пропорционального управления устанавливают равным окончательному давлению, соответствующему поддерживаемому давлению, непосредственно перед тем, как давление воды, имеющей высокое давление, достигает этого поддерживаемого давления.
Описанная выше система подачи воды, имеющей высокое давление, в которой используются бустерный цилиндр и описанная выше приводная система для бустерного цилиндра, позволяет поддерживать в испытываемой трубе требуемое давление воды, имеющей высокое давление, в течение требуемого времени. В то же время, поэтапное увеличение давления в испытываемой трубе до требуемого уровня увеличивает так называемую продолжительность цикла. Это приводит к возникновению серьезной проблемы, заключающейся в том, что количество труб, обрабатываемых в единицу времени, увеличивается, что снижает эффективность. В дополнение к этому, насос для гидравлического масла продолжает вращаться, как в период увеличения давления в бустерном цилиндре, так и в период, когда давление в нем не увеличивается. Это также приводит к возникновению проблемы, заключающейся в существенно большой потере мощности в насосе.
В дополнение к этому, в соответствии с тенденцией, причиной которой стала недавно предложенная, являющаяся прорывом, технология, позволяющая совместно использовать черновой валок (Патентный документ 2) при изготовлении труб, сваренных при помощи электрической контактной сварки, можно значительно расширить диапазон размеров труб (диаметр, толщину или длину), которые можно изготавливать на одной линии, например, 8 дюймов (203,2 мм) - 24 дюйма (609,6 мм) в диаметре или более. Однако, при проведении гидравлического испытания с использованием воды для изготовленных труб, сваренных при помощи электрической контактной сварки, эта тенденция приводит к разнице в давлении и количестве воды, под высоким давлением заливаемой в испытываемые трубы: давление воды для одной испытываемой трубы в несколько раз выше, чем для другой испытываемой трубы, и количество воды для одной испытываемой трубы практически в 20 раз больше, чем для другой испытываемой трубы. Это, в свою очередь, становится причиной различных проблем.
Во-первых, скорость увеличения давления и точка изменения скорости увеличения давления задаются для каждого конкретного размера испытываемой трубы и каждого конкретного поддерживаемого давления. Следовательно, необходимо хранить огромный объем данных, что влечет за собой значительную трудоемкость такого задания (операции настройки). Таким образом, с учетом увеличения в последние годы количества типов, изготавливаемых на одной линии, проведение гидравлического испытания с использованием воды, в котором применяется одно испытательное устройство, представляется нереальным. Это создает нерациональную ситуацию в виде необходимости наличия множества устройств для гидравлического испытания с использованием воды на одной линии.
Во-вторых, в результате наличия широкого диапазона размеров испытываемых труб, если гидравлическое испытание с использованием воды должно проводиться с применением одного испытательного устройства, насос для гидравлического масла должен соответствовать максимальному размеру. Как описано выше, насос для гидравлического масла, постоянно вращаясь, продолжает непрерывно выгружать масло под давлением. Таким образом, если размер испытываемой трубы уменьшается, выпускается больше масла под давлением. Это приводит к большой потере мощности в насосе для гидравлического масла в период испытания, а также в период, когда испытание не проводится. В-третьих, приведение насоса для гидравлического масла в соответствие с максимальным размером снижает точность управления давлением и количеством масла, когда насос для гидравлического масла используется для меньшего размера. Эти проблемы также затрудняют проведение гидравлического испытания с использованием воды при применении одного устройства для испытания.
Во время подачи в испытываемую трубу воды, имеющей низкое давление, которая предшествует подаче в эту трубу воды, имеющей высокое давление, в испытываемой трубе неизбежно остается воздух. В случае, если в испытываемой трубе во время подачи воды, имеющей низкое давление, остается воздух, после начала подачи в эту трубу воды, имеющей высокое давление, давление этой воды падает ("поглощается") за счет сжатия воздуха. Как следствие, на начальной стадии подачи воды возникает значительная задержка в увеличении давления. Это увеличивает время (продолжительность цикла), требуемое для проведения испытания. В дополнение к этому, хотя воздух остается в количестве приблизительно 1,5% в среднем, так как количество остающегося воздуха изменяется в широких пределах, это создает серьезную неопределенность. Таким образом, остаток воздуха также приводит к усложнению операции настройки.
Литература для известного уровня техники
Патентная литература
Патентный документ 1: Японский патент № 4738783
Патентный документ 2: Патент США № 4770019
Сущность изобретения
Проблема, решаемая изобретением
Задачей настоящего изобретения является предложить способ гидравлического испытания с использованием воды и устройство для гидравлического испытания с использованием воды, при помощи которых, даже если испытываемые трубы имеют широкий диапазон размеров, можно точным, эффективным и экономически выгодным образом проводить такое испытание для каждой из испытываемых труб.
Средства решения проблемы
Установка клапана управления гидравлическим маслом непосредственно в основной магистрали, идущей от источника гидравлического масла, например, насоса для гидравлического масла, к стороне низкого давления бустерного цилиндра является эффективным путем, позволяющим точно управлять гидравлическим маслом в бустерном цилиндре. Однако по этому пути трудно следовать в случае устройства для гидравлического испытания с использованием воды, для которого предназначено настоящее изобретение, так как масло под высоким давлением проходит по основной магистрали в большом количестве. Как следствие, клапан пропорционального управления обычно устанавливают во вспомогательной магистрали, ответвляющейся от основной магистрали. Однако, как описано выше, это создает различные проблемы, включая величину потери мощности.
С намерением решить различные обычные проблемы при одновременном сохранении базового принципа, заключающегося в удалении клапана управления гидравлическим маслом из основной магистрали, авторы настоящего изобретения сфокусировались на изменении самого блока для работы с гидравлическим маслом как источника гидравлического масла и изучили путем сравнения различные блоки для работы с гидравлическим маслом в качестве альтернатив обычному насосу для гидравлического масла. В результате авторы настоящего изобретения обнаружили следующие моменты.
Во-первых, в качестве приводного источника гидравлического масла для бустерного цилиндра эффективно использовать насос, приводимый в действие серводвигателем. Насос, приводимый в действие серводвигателем, может работать, вращаясь с частотой, являющейся реакцией на требуемый режим давления и требуемый режим расхода, для предотвращения возникновения непроизводительной потери мощности. Во-вторых, расход в насосе для гидравлического масла, как правило, уменьшается с увеличением давления. В отличие от этого, давление и расход для насоса, приводимого в действие серводвигателем, можно регулировать в широком диапазоне, и один насос, приводимый в действие серводвигателем, который по типу относится к насосу двойного действия, способен выполнить функции двух насосов: насоса с низким давлением и высоким расходом и насоса с высоким давлением и низким расходом. При использовании такого насоса, приводимого в действие серводвигателем, в особенности, при использовании множества таких насосов, приводимых в действие серводвигателями, которые установлены параллельно, в бустерный цилиндр подается большое количество масла под давлением, что позволяет эффективным образом увеличить давление в цилиндре, особенно на начальной стадии увеличения давления. В-третьих, на конечной стадии увеличения давления, давление можно увеличивать до поддерживаемого давления путем избирательного использования одного из множества насосов для гидравлического масла, приводимых в действие серводвигателями.
Если говорить конкретно, при использовании насоса, приводимого в действие серводвигателем, в качестве приводного источника гидравлического масла для бустерного цилиндра и при управлении приводным источником при помощи обратной связи на основе давления на выходной стороне бустерного цилиндра, даже если испытываемые трубы имеют различные размеры или толщину и т.д., требуемое увеличение давления может быть достигнуто всего лишь за счет задания поддерживаемого давления и времени поддержания, требуемых для каждой испытываемой трубы. Это устраняет трудности при настройке, связанные с заданием скорости увеличения давления и точки изменения скорости увеличения давления для каждого конкретного размера трубы и каждого конкретного поддерживаемого давления. Кроме того, насос работает только во время увеличения давления, и нет необходимости выпускать масло под давлением во время этого увеличения давления, что приводит к практическому отсутствию потери мощности.
относительная площадь приема давления
Если говорить более конкретно, предполагая, что выходное давление насоса, приводимого в действие серводвигателем, равно 20 МПа, коэффициент усиления () бустерного цилиндра равен 2, поддерживаемое давление равно 30 МПа и время поддержания составляет 10 секунд, управление насосом, приводимым в действие серводвигателем, при помощи обратной связи на основе давления воды на выходной стороне бустерного цилиндра позволяет с использованием этого насоса автоматически увеличивать давление на входной стороне бустерного цилиндра до тех пор, пока давление воды на выходной стороне бустерного цилиндра не станет равным 30 МПа (до тех пор, пока давление масла на входной стороне бустерного цилиндра не станет равным 15 МПа), и затем поддерживать увеличенное давление в течение заданного времени поддержания (10 секунд).
При этом в период низкого давления на начальной стадии увеличения давления насос, приводимый в действие серводвигателем, подает масло под относительно низким давлением на входную сторону бустерного цилиндра без остановки, чтобы ослабить влияние поглощения давления воздухом, остающимся в испытываемой трубе. В последующий период увеличения давления насос, приводимый в действие серводвигателем, непрерывно подает масло на входную сторону бустерного цилиндра под относительно высоким давлением, чтобы увеличить давление на выходной стороне. Таким образом, давление можно увеличить за короткое время. В частности, если насос, приводимый в действие серводвигателем, представляет собой насос двойного действия, то он имеет два режима, включающих режим низкого давления и высокого расхода и режим высокого давления и низкого расхода. За счет переключения между этими двумя режимами давление можно увеличивать с более высокой скоростью.
За счет соединения множества насосов, приводимых в действие серводвигателями, параллельно относительно бустерного цилиндра и одновременного задействования этих насосов можно увеличить расход. Это способствует дальнейшему снижению времени увеличения давления. Однако, если это множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, работает одновременно до того момента, когда достигается поддерживаемое давление, эти насосы не смогут работать абсолютно синхронно. Это приводит к сбою в работе из-за несовершенной синхронизации на конечной стадии увеличения давления (непосредственно перед достижением поддерживаемого давления), что затрудняет точное управление давлением. Поэтому на конечной стадии увеличения давления (непосредственно перед достижением поддерживаемого давления), эффективным подходом с точки зрения точности управления является остановка всех насосов, приводимых в действие серводвигателями, за исключением одного, и увеличение давления с использованием этого одного насоса.
Что касается бустерного цилиндра, давление до поддерживаемого давления можно увеличивать с использованием одного цилиндра, если поддерживаемое давление является низким. Однако, если поддерживаемое давление является высоким, увеличение давления до этого поддерживаемого давления с использованием одного цилиндра неизбежно предусматривает более высокий коэффициент усиления цилиндра. Если коэффициент усиления бустерного цилиндра является низким, бустерный цилиндр с высокой скоростью работает при низком давлении и высоком расходе. Однако, с увеличением коэффициента усиления, бустерный цилиндр работает при более высоком давлении и более низком расходе. Это создает проблему не только в виде увеличения размеров цилиндра, являющегося результатом увеличения хода поршня, но также и в виде увеличения продолжительности цикла, возникающего в результате снижения скорости увеличения давления. Это можно уладить эффективным образом за счет соединения множества бустерных цилиндров, имеющих разные коэффициенты усиления, параллельно относительно испытываемой трубы и использования этих бустерных цилиндров последовательно в порядке увеличения коэффициента усиления.
Если говорить более конкретно, если давление источника гидравлического масла составляет максимум 20 МПа, а поддерживаемое давление составляет максимум 75 МПа, требуется коэффициент усиления 3,75 или более. Если давление требуется увеличивать с использованием одного бустерного цилиндра, необходимо, чтобы этот бустерный цилиндр имел коэффициент усиления 3,75 или более. В ситуации, когда давление источника гидравлического масла является ограниченным, расход бустерного цилиндра со столь высоким коэффициентом усиления неизбежно становится низким из-за его высокого коэффициента усиления. Это обязательно вызывает снижение скорости увеличения давления.
В качестве ответной меры, этот бустерный цилиндр разделяется на множество цилиндров, с последовательным увеличением коэффициента усиления. Например, используются бустерный цилиндр 20 МПа и бустерный цилиндр 75 МПа. С учетом того, что максимальное давление источника гидравлического масла составляет 20 МПа, для бустерного цилиндра 20 МПа задают коэффициент усиления, равный 1, а для бустерного цилиндра 75 МПа задают коэффициент усиления, равный 3,75 или более, как первоначально и предполагалось. Таким образом, давление можно увеличивать с высокой скоростью, используя бустерный цилиндр с низким коэффициентом усиления до тех пор, пока давление на его выходной стороне не достигнет 20 МПа. Для увеличения давления до уровня выше 20 МПа, давление увеличивают с первоначально предполагаемой скоростью. Это снижает время увеличения давления в период низкого давления до достижения давления 20 МПа. В результате снижается общее время увеличения давления.
В частности, если в качестве приводного источника используется насос, приводимый в действие серводвигателем, бустерный цилиндр с более низким коэффициентом усиления, используемый на начальной стадии увеличения давления, работает, главным образом, при низком давлении и высоком расходе. Давление на входной стороне, требуемое в начале увеличения давления (давление источника гидравлического масла), падает до приблизительно 5 МПа (20/3,75). Поэтому бустерный цилиндр с более высоким коэффициентом усиления, который должен использоваться впоследствии, также работает при низком давлении и высоком расходе, по меньшей мере, в начале увеличения давления. В результате время увеличения давления снижается еще больше. В этой связи надо отметить, что в качестве источника гидравлического масла для множества бустерных цилиндров, полученных путем разделения одного бустерного цилиндра, очень эффективно использовать насос, приводимый в действие серводвигателем, у которого давление и расход можно регулировать в широком диапазоне. Более эффективным является насос двойного действия, приводимый в действие серводвигателем, который можно регулировать в особенно широком диапазоне давлений и расходов.
Если используются три бустерных цилиндра, включающих бустерный цилиндр 20 МПа, бустерный цилиндр 40 МПа и бустерный цилиндр 75 МПа, коэффициент усиления бустерного цилиндра 40 МПа равен 2. В результате снижается время увеличения давления в период среднего давления от 20 до 40 МПа, в дополнение к периоду низкого давления до достижения 20 МПа. В результате общее время увеличения давления снижается еще больше.
При применении указанного выше переключения между режимами работы для множества насосов, приводимых в действие серводвигателями, и указанного выше изменения количества работающих таких насосов, даже если испытываемые трубы имеют размеры, изменяющиеся в широких пределах, от диаметра 8 дюймов (203,2 мм) до диаметра 24 дюйма (609,6 мм) или более, давление в каждой испытываемой трубе можно увеличивать до поддерживаемого давления точным и экономически выгодным образом за короткое время, и поддерживаемое давление можно поддерживать всего лишь за счет простой операции настройки в виде задания поддерживаемого давления и времени поддержания.
Способ гидравлического испытания с использованием воды, соответствующий настоящему изобретению, был создан на основе указанной выше информации. В этом способе гидравлического испытания с использованием воды, в котором такое испытание для изготовленной металлической трубы проводят путем увеличения давления в испытываемой трубе до заранее определенного поддерживаемого давления при помощи принудительной подачи в эту трубу воды, имеющей высокое давление, из бустерного цилиндра, приводимого в действие гидравлическим маслом, в качестве приводного источника гидравлического масла для бустерного цилиндра используется множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, которые соединены параллельно. До тех пор, пока давление на выходной стороне бустерного цилиндра не достигнет давления, близкого к заранее заданному поддерживаемому давлению, упомянутое множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, работает одновременно. После того, как давление на выходной стороне достигает давления, близкого к поддерживаемому давлению, все из упомянутого множества насосов, приводимых в действие серводвигателями, за исключением одного, прекращают работать, и давление на выходной стороне бустерного цилиндра увеличивается до поддерживаемого давления за счет работы упомянутого одного насоса, приводимого в действие серводвигателем.
Согласно способу гидравлического испытания с использованием воды, соответствующему настоящему изобретению, в приводном источнике гидравлического масла для бустерного цилиндра применяется система с множеством сервонасосов, в которой используется множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, которые соединены параллельно. В результате снижается время увеличения давления. Если говорить более конкретно, до тех пор, пока давление на выходной стороне бустерного цилиндра не достигнет давления, близкого к заранее заданному поддерживаемому давлению, упомянутое множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, работает одновременно при низком давлении и высоком расходе в начале и после этого при высоком давлении и низком расходе, при этом, время от времени, обеспечивая максимально возможный выход. В результате в испытываемую трубу подается большое количество воды, имеющей высокое давление, что позволяет увеличивать давление в испытываемой трубе с высокой скоростью при одновременном ослаблении влияния остающегося в трубе воздуха. Затем, только в течение короткого конечного периода времени перед тем, как давление на выходной стороне бустерного цилиндра достигает поддерживаемого давления, работает только упомянутый один насос, приводимый в действие серводвигателем. Это предотвращает сбой при работе из-за несовершенной синхронизации, который мог бы возникнуть в системе с множеством сервонасосов. В результате давление в испытываемой трубе можно увеличивать до поддерживаемого давления с высокой скоростью, точным и устойчивым образом. Использование насоса, приводимого в действие серводвигателем, не приводит к выпуску масла под давлением, в результате чего не возникает потери мощности, как в период увеличения давления, так и в период, когда давление не увеличивается.
Способ гидравлического испытания с использованием воды на практике может быть реализован следующим образом. Задают давление точки переключения, которое на заранее определенную величину (например, 1 МПа) меньше, чем поддерживаемое давление. На выходной стороне бустерного цилиндра во время увеличения давления измеряют давление воды, имеющей высокое давление. Множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, задействуют одновременно до тех пор, пока измеренное давление воды не достигнет давления точки переключения. Когда измеренное давление воды достигает давления точки переключения, упомянутое множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, за исключением одного, останавливают. Когда измеренное давление достигает поддерживаемого давления, упомянутый один насос, приводимый в действие серводвигателем, который работает, останавливают. Таким образом, требуемой операцией настройки является всего лишь задание поддерживаемого давления и времени поддержания, что позволяет значительно упростить операцию настройки.
высокого
Насос, приводимый в действие серводвигателем, работает в широком диапазоне. Таким образом, этот насос можно регулировать в широком диапазоне по давлению масла и количеству масла. В случае низкого давления, насос, приводимый в действие серводвигателем, может подавать масло под давлением на сторону низкого давления бустерного цилиндра с высоким расходом. В случае высокого давления, насос, приводимый в действие серводвигателем, может подавать масло под давлением на сторону низкого давления бустерного цилиндра с низким расходом. Если брать насос, приводимый в действие серводвигателем, по типу относящийся к насосу двойного действия, который можно регулировать в особенно широком диапазоне, то на начальной стадии увеличения давления множество таких насосов работает в режиме  давления и высокого расхода по причине низкого давления воды в испытываемой трубе. В результате в испытываемую трубу за короткое время может подаваться вода, имеющая высокое давление. Если испытываемая труба имеет небольшой размер или толщину, количество воды, подаваемой под высоким давлением, является небольшим, и поддерживаемое давление является низким. Поэтому множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, продолжает работать в режиме низкого давления и высокого расхода, чтобы обеспечить увеличение до давления, близкого к поддерживаемому давлению. Начиная с давления, близкого к поддерживаемому давлению, один насос, приводимый в действие серводвигателем, работает в режиме высокого давления и низкого расхода, чтобы окончательно увеличить давление в трубе до поддерживаемого давления с высокой точностью.
Если испытываемая труба имеет большой размер или толщину, упомянутое множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, продолжает работать в режиме низкого давления и высокого расхода даже после начальной стадии увеличения давления, чтобы продолжать подавать большое количество воды, имеющей высокое давление. Затем вода, имеющая высокое давление, подается в режиме высокого давления и низкого расхода. Начиная с давления, близкого к поддерживаемому давлению, один насос, приводимый в действие серводвигателем, работает в режиме высокого давления и низкого расхода, чтобы увеличить давление в испытываемой трубе до поддерживаемого давления. Если испытываемая труба имеет средний размер, момент времени переключения с режима низкого давления и высокого расхода в режим высокого давления и низкого расхода после начальной стадии увеличения давления изменяют различными путями.
Далее рассмотрена причина, по которой на конечной стадии увеличения давления, начиная от давления, близкого к поддерживаемому давлению, работает один насос. Множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, трудно задействовать с абсолютной синхронизацией. Как следствие, если эти насосы работают одновременно на конечной стадии увеличении давления при высоком давлении и низком расходе, несовершенная синхронизация четко проявляется при чрезвычайно низком расходе. Это вызывает вторичный неблагоприятный эффект, такой как рывки, что затрудняет обеспечение плавного и точного увеличения давления на конечной стадии. Даже в случае одного работающего насоса, давление в трубе по-прежнему оперативно увеличивается в режиме высокого давления и низкого расхода. Низкий расход имеет преимущество, которое заключается в точном управлении.
Что касается бустерного цилиндра, количество бустерных цилиндров может быть равно единице. Однако, например, если рассматривать ситуацию, когда поддерживаемое давление задается в широком диапазоне, и максимальное поддерживаемое давление является очень высоким по сравнению с давлением источника гидравлического масла, использование множества бустерных цилиндров является более желательным. Если говорить более конкретно, предпочтительно, чтобы множество бустерных цилиндров, соответствующие коэффициенты усиления которых последовательно увеличиваются, было установлено параллельно относительно испытываемой трубы, и чтобы бустерные цилиндры использовались по очереди в порядке увеличения коэффициента усиления. Использование бустерных цилиндров по очереди и последовательно в порядке увеличения коэффициента усиления позволяет увеличивать давление с более высокой скоростью на стороне низкого давления или на стороне низкого давления и стороне среднего давления, по сравнению с использованием только бустерного цилиндра с высоким коэффициентом усиления, что позволяет снизить время увеличения давления.
В устройстве для гидравлического испытания с использованием воды, соответствующем настоящему изобретению, предприняты меры по дополнительному снижению времени увеличения давления за счет объединения системы с множеством сервонасосов, в которой используется множество насосов, приводимых в действие серводвигателями, и системы с множеством цилиндров, в которой используется множество бустерных цилиндров. Если говорить более конкретно, насосы из множества насосов, приводимых в действие серводвигателями, которые используются в качестве приводного источника гидравлического масла для бустерного цилиндра, соединены параллельно относительно бустерного цилиндра. Бустерный цилиндр включает множество бустерных цилиндров, соединенных параллельно относительно испытываемой трубы. Бустерные цилиндры имеют соответствующие коэффициенты усиления, которые последовательно увеличиваются. Между источником гидравлического масла и множеством бустерных цилиндров обеспечен переключающий механизм. Переключающий механизм подает масло под давлением из источника гидравлического масла избирательно в один из множества бустерных цилиндров.
При реализации устройства для гидравлического испытания с использованием воды на практике, в магистрали на выходной стороне бустерного цилиндра желательно обеспечить датчик для гидравлический воды, применяемый для измерения давления воды, имеющей высокое давление. Устройство для гидравлического испытания с использованием воды в предпочтительном случае содержит систему управления цилиндрами, которая управляет переключающим механизмом на основе давления воды, измеренного с применением датчика для гидравлической воды, таким образом, чтобы бустерные цилиндры работали по очереди в порядке увеличения коэффициента усиления.
В предпочтительном случае, в магистрали на выходной стороне бустерного цилиндра установлен датчик для гидравлической воды, применяемый для измерения давления воды, имеющей высокое давление. Устройство для гидравлического испытания с использованием воды в предпочтительном случае содержит систему управления насосами, которая управляет множеством насосов, приводимых в действие серводвигателями, таким образом, чтобы все насосы из этого множества работали одновременно до тех пор, пока измеренное давление воды не достигнет давления точки переключения, которое на заранее определенную величину (например, 1 МПа) ниже поддерживаемого давления, и таким образом, чтобы один из насосов, приводимых в действие серводвигателями, затем работал до тех пор, пока измеренное давление не достигнет поддерживаемого давления.
В соответствии с описанными выше системами управления, масло под давлением сначала подается из множества насосов, приводимых в действие серводвигателями, в бустерный цилиндр, имеющий самый низкий коэффициент усиления. Когда измеренное давление воды достигает давления, близкого к максимальному давлению воды для этого бустерного цилиндра, масло под давлением подается в бустерный цилиндр, имеющий следующий, более высокий коэффициент усиления. Такая подача масла под давлением продолжается последовательно, для увеличения давления в испытываемой трубе до давления, близкого к поддерживаемому давлению, с использованием множества насосов, приводимых в действие серводвигателями. После чего давление в испытываемой трубе увеличивают с использованием одного насоса, приводимого в действие серводвигателем.
Преимущества от применения изобретения
Согласно способу гидравлического испытания с использованием воды, соответствующему настоящему изобретению, для приведения в действие, путем подачи гидравлического масла, бустерного цилиндра, из которого вода, имеющая высокое давление, подается в испытываемую трубу, применяется система с множеством насосов, в которой в качестве источника гидравлического масла используется множество установленных параллельно насосов, приводимых в действие серводвигателями, и количество работающих насосов изменяется подходящим образом в зависимости от стадии увеличения давления. Поэтому, даже если испытываемые трубы имеют широкий диапазон размеров, а испытательное давление и время его поддержания изменяются различным образом, давление в испытываемой трубе можно увеличивать точным образом до испытательного давления за счет простой операции настройки. Это позволяет с применением одного испытательного устройства проводить различные типы гидравлических испытаний с использованием воды, и полученная в результате рациональность испытательного устройства дает множество эффектов. Кроме того, в результате снижения продолжительности цикла увеличивается количество труб, которые испытывают в единицу времени, и полученная в результате рациональность также дает значительный эффект. В дополнение к этому, эффективным образом снижается возникающая потеря мощности, что позволяет достичь значительного снижения стоимости энергоснабжения. Таким образом, способ гидравлического испытания с использованием воды, соответствующий настоящему изобретению, позволяет очень эффективно снизить стоимость проведения гидравлического испытания с использованием воды.
В устройстве для гидравлического испытания с использованием воды в дополнение к описанной выше системе с множеством насосов применяется система с множеством цилиндров. В случае системы с множеством цилиндров, множество бустерных цилиндров, имеющих соответствующие коэффициенты усиления, которые последовательно увеличиваются, работает по очереди в порядке увеличения коэффициента усиления. Это способствует дальнейшему снижению времени испытания и более эффективным образом снижает стоимость проведения гидравлического испытания с использованием воды.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 приведена структурная схема устройства для гидравлического испытания с использованием воды, которое подходит для выполнения способа гидравлического испытания с использованием воды, соответствующего настоящему изобретению, а также показано распределение текучей среды.
На Фиг.2 приведен график, на котором показан имеющийся диапазон для насоса, приводимого в действие серводвигателем, который используется в качестве приводного источника для бустерного цилиндра в устройстве для гидравлического испытания с использованием воды, а также показана взаимосвязь между давлением выгрузки и расходом при выгрузке.
На Фиг.3 приведен график, на котором показано изменение со временем давления воды в трубе, наблюдаемое в ходе гидравлического испытания с использованием воды.
На Фиг.4 приведена принципиальная гидравлическая схема в части, относящейся к гидравлическому маслу, на которой показан приводной источник для бустерного цилиндра в устройстве гидравлического испытания с использованием воды, примененном при выполнении обычного способа гидравлического испытания с использованием воды.
На Фиг.5 приведен график, на котором показан имеющийся диапазон для насоса для гидравлического масла, используемого в качестве приводного источника для бустерного цилиндра, показанного на Фиг.4, а также показана взаимосвязь между давлением выгрузки и расходом при выгрузке.
На Фиг.6 приведен график, на котором показано изменение со временем давления воды в трубе, наблюдаемое в ходе обычного гидравлического испытания с использованием воды.
На Фиг.7 приведен график, на котором показано изменение со временем давления воды в трубе, наблюдаемое в ходе обычного гидравлического испытания с использованием воды.
Подробное описание вариантов реализации
Ниже описан вариант реализации настоящего изобретения. Способ гидравлического испытания с использованием воды и устройство для гидравлического испытания с использованием воды, соответствующие этому варианту, применяются для проведения гидравлического испытания с использованием воды для трубы, сваренной при помощи электрической контактной сварки, которая изготовлена на линии по производству таких труб.
Как показано на Фиг.1, устройство для гидравлического испытания с использованием воды, соответствующее этому варианту, применяется для проверки качества трубы 10, сваренной при помощи электрической контактной сварки (далее называемой "испытываемой трубой 10"), которая подвергается такому испытанию в ее сварной области (области шва) и т.п., путем установки испытываемой трубы 10 между блоком 20А передней бабки, выступающим в качестве неподвижной бабки, и блоком 20В задней бабки, выступающим в качестве подвижной бабки, заливки воды в трубу до ее полного заполнения этой водой и последующей подачи в трубу воды, имеющей высокое давление. Устройство для гидравлического испытания с использованием воды включает систему 30 подачи воды, имеющей низкое давление, которая заливает большое количество воды в состоянии не под давлением (при обычном давлении) или под низким давлением в испытываемую трубу 10, и систему 40 подачи воды, имеющей высокое давление, которая принудительно подает воду, имеющую высокое давление, в испытываемую трубу 10 после того, как эта труба 10 заполнилась водой, не имеющей давления или имеющей низкое давление.
Система 30 подачи воды, имеющей низкое давление, предназначена для безостановочной заливки в испытываемую трубу 10 воды, находящейся в емкости 31 для воды, установленной выше того уровня, на котором установлена эта труба 10, за счет собственного веса воды или под низким давлением, составляющим 1 МПа или менее (например, приблизительно 0,8 МПа). Если говорить более конкретно, после проведения испытания вода, вышедшая из испытываемой трубы 10, некоторое время хранится в бассейне 32, находящемся ниже этой трубы 10, и пересылается в отстойник, на чертежах не показанный. После чего отстоявшаяся вода хранится в водосборнике 33. Вода, находящаяся в водосборнике 33, отбирается насосом 34 через фильтр в емкость 31, расположенную выше по уровню, и затем заливается в испытываемую трубу 10 через переднюю бабку 20А. При этом воздух, находящийся в испытываемой трубе 10, выпускается через клапан 21 удаления воздуха, обеспеченный в задней бабке 20В. В магистрали Е, идущей от емкости 31 для воды к передней бабке 20А, установлен двухпозиционный клапан 35 цилиндрического типа.
Система 40 подачи воды, имеющей высокое давление, предназначена для принудительной подачи воды под высоким давлением, составляющим максимум 75 МПа, в заполненную водой испытываемую трубу 10 с использованием бустерного цилиндра 41А и бустерного цилиндра 41В системы для работы с гидравлическим маслом. Бустерные цилиндры 41А и 41В системы для работы с гидравлическим маслом установлены параллельно относительно испытываемой трубы 10 и избирательно приводятся в действие при помощи приводной системы 42. Чтобы избирательно приводить в действие бустерные цилиндры 41А и 41В, между бустерным цилиндром 41А и приводной системой 42 и между бустерным цилиндром 41В и приводной системой 42, соответственно, установлены электромагнитный клапан 43А и электромагнитный клапан 43В, которые образуют переключающий механизм 43.
Первый бустерный цилиндр 41А представляет собой цилиндр низкого давления, создающий давление максимум 21 МПа. Второй бустерный цилиндр 41В представляет собой цилиндр высокого давления, создающий давление максимум 75 МПа. Каждый из этих цилиндров имеет поршень, перемещение которого вперед-назад вызывается подачей масла под давлением из приводной системы 42. Если вызвано убирание поршня, на выходную сторону из емкости 31 по магистрали А засасывается вода. Если вызвано выдвижение поршня, давление засосанной воды поднимается, и она подается по магистрали В в переднюю бабку 20А, что приводит к принудительной подаче воды, имеющей высокое давление, в испытываемую трубу 10, заполненную водой.
Приводная система 42 для бустерных цилиндров 41А и 41В включает множество насосов 44, приводимых в действие серводвигателями, которые установлены параллельно в качестве главных компонентов. Один из множества насосов 44, приводимых в действие серводвигателями, является основным насосом, а оставшиеся насосы являются вспомогательными насосами. Все эти насосы 44, приводимые в действие серводвигателями, представляют собой насосы двойного действия. Эти насосы 44, приводимые в действие серводвигателями, задействуются одновременно, и затем отдельно задействуется основной насос для автоматического увеличения давления воды на выходной стороне каждого из бустерных цилиндров 41А и 41В до целевой величины. С целью такого автоматического увеличения давления, давление воды на выходной стороне каждого из бустерных цилиндров 41А и 41В (магистраль В) измеряют с использованием датчика 47 для гидравлической воды, и измеренное давление воды передается в контроллер 48, работающий как система управления цилиндрами и как система управления насосами. Таким образом выполняется управление переключением переключающего механизма 43, а также управление выпуском и управление переключением насосов 44, приводимых в действие серводвигателями.
Управление переключением переключающего механизма 43 включает управление включением-выключением бустерных цилиндров 41А и 41В и управление переключением "вперед-назад" для цилиндра во включенном состоянии. Управление включением-выключением бустерных цилиндров 41А и 41В предназначено для перевода одного из электромагнитных клапанов 43А и 43В, образующих переключающий механизм 43, в открытое состояние, и другого - в закрытое состояние, что позволяет подать масло под давлением из приводной системы 42 в один из бустерных цилиндров 41А и 41В и заставить цилиндр, в который подается масло под давлением, выполнять перемещение поршня вперед или назад. Управление переключением "вперед-назад" предназначено для осуществления переключения между перемещением поршня вперед и перемещением назад в одном из бустерных цилиндров 41А и 41В в работающем состоянии. Управление переключением "вперед-назад" описано далее.
Насосы 44, приводимые в действие серводвигателями, задействуют, чтобы поднять давление масла в маслосборнике 45 и выгрузить масло под давлением. Выгруженное масло, находящееся под давлением, проходит через один из электромагнитных клапанов 43А и 43В, находящийся в открытом состоянии (направление "вперед") и затем подается из магистрали С на входную сторону (впуск) одного из бустерных цилиндров 41А и 41В. Как результат, это заставляет поршень в одном из бустерных цилиндров 41А и 41В выдвигаться для выгрузки воды, имеющей высокое давление, с его выходной стороны. Как описано выше, эта вода, имеющая высокое давление, подается в переднюю бабку 20А. По мере принудительного выдвижения поршня, с входной стороны (выпуск) выходит масло. Это масло протекает от одного из электромагнитных клапанов 43А и 43В, проходит по магистрали D и затем возвращается в маслосборник 45.
Способ гидравлического испытания с использованием воды, соответствующий этому варианту, выполняют с применением описанного выше устройства для гидравлического испытания с использованием воды. Далее описаны работа устройства для гидравлического испытания с использованием воды, соответствующего этому варианту, и способ гидравлического испытания с использованием воды, соответствующий этому варианту.
Насос 44, приводимый в действие серводвигателем, который формирует главную часть приводной системы 42, включает модель одинарного действия и модель двойного действия. Здесь используется насос двойного действия. В модели двойного действия, как показано на Фиг.2, емкость насоса с переменной производительностью изменяют, чтобы переключиться из режима М1 низкого давления и высокого расхода в режим М2 высокого давления и низкого расхода и из режима М2 высокого давления и низкого расхода в режим М1 низкого давления и высокого расхода. Это позволяет насосу 44, приводимому в действие серводвигателем, регулировать взаимосвязь между давлением и расходом в значительно более широком диапазоне, от низкого давления и высокого расхода до высокого давления и низкого расхода, по сравнению с обычным насосом для гидравлического масла, приводимым в действие двигателем переменного тока (Фиг.5).
На первой стадии гидравлического испытания с использованием воды, выполняемого для испытываемой трубы 10 как изготовленной трубы, сваренной при помощи электрической контактной сварки, испытываемую трубу 10 помещают на испытательную линию и устанавливают между передней бабкой 20А и задней бабкой 20В. На второй стадии, в то время как емкость 31 для воды в системе 30 подачи воды, имеющей низкое давление, заполняется водой, двухпозиционный клапан 35 цилиндрического типа в магистрали Е переключают из закрытого состояния в открытое состояние. В результате вода, находящаяся в емкости 30, без остановки заливается в испытываемую трубу 10 по магистрали Е за счет собственного веса воды или под низким давлением, составляющим 1 МПа или менее. После того, как испытываемая труба 10 заполнилась водой в результате заливки в нее воды из емкости 31 для воды, на третьей стадии в испытываемую трубу 10 под высоким давлением, составляющим максимум 75 МПа, подается вода из системы 40 подачи воды, имеющей высокое давление. Это увеличивает давление в испытываемой трубе 10 до давления воды при испытании, которое требуется для проведения гидравлического испытания с использованием воды. Это давление воды при испытании поддерживается в течение времени поддержания, требуемого для проведения гидравлического испытания с использованием воды. Эти операции различаются в зависимости от испытательного давления, требующегося для испытываемой трубы 10. Испытательное давление соответствует поддерживаемому давлению, поэтому эти давления имеют один и тот же смысл.
относительная площадь приема давления
относительная площадь приема давления
Далее описаны операция подачи воды, имеющей высокое давление, системой 40 подачи воды, имеющей высокое давление, и операция увеличения давления в испытываемой трубе 10 за счет выполнения операции подачи воды, имеющей высокое давление. Эти операции описаны для каждого испытательного давления. Используется три насоса 44, приводимых в действие серводвигателями. Один из насосов 44, приводимых в действие серводвигателями, является основным, и другие два являются вспомогательными насосами. Все эти насосы создают давление максимум 21 МПа. Бустерный цилиндр 41А низкого давления создает давление максимум 21 МПа и имеет коэффициент усиления (), равный 1. Бустерный цилиндр 41В высокого давления создает давление максимум 75 МПа и имеет коэффициент усиления (), равный 3,57.
Если испытательное давление (поддерживаемое давление) составляет 21 МПа или менее, при задании испытательного давления (поддерживаемого давления) и времени поддержания в контроллере 48, приводная система 42 задействуется на первой стадии таким образом, чтобы вызвать убирание поршня в бустерном цилиндре 41А низкого давления. Если говорить более конкретно, когда электромагнитный клапан 43А, соответствующий бустерному цилиндру 41А, открыт в обратном направлении, а электромагнитный клапан 43В, соответствующий бустерному цилиндру 41В, закрыт, три насоса 44, приводимых в действие серводвигателями, в приводной системе 42 работают одновременно с максимальным выходом или выходом, близким к максимальному. В ответ на убирание поршня в бустерном цилиндре 41А, на входную сторону этого цилиндра 41А из емкости 31 для воды засасывается вода. Затем, на второй стадии, электромагнитный клапан 43А переключают с обратного направления на прямое направление, чтобы заставить бустерный цилиндр 41А начать выдвижение поршня.
В начале выдвижения поршня в бустерном цилиндре 41А, давление масла на его входной стороне является низким. Поэтому насосы 44, приводимые в действие серводвигателями, работают в режиме низкого давления и высокого расхода, чтобы принудительно подавать большое количество масла под давлением за короткое время на входную сторону бустерного цилиндра 41А. В результате с выходной стороны бустерного цилиндра 41А в испытываемую трубу 10, заполненную водой, по магистрали В и затем через переднюю бабку 20А подается большое количество воды под давлением. В итоге принудительной подачи масла под давлением на входную сторону бустерного цилиндра 41А и результирующей подачи воды под давлением в испытываемую трубу 10, давление воды на выходной стороне бустерного цилиндра 41А увеличивается, что приводит к дополнительному увеличению давления масла на входной стороне бустерного цилиндра 41А. Затем насосы 44 двойного действия, приводимые в действие серводвигателями, переводят из режима низкого давления и высокого расхода в режим высокого давления и низкого расхода для продолжения подачи масла под давлением на входную сторону бустерного цилиндра 41А с одновременным увеличением давления этого масла. В результате вода под давлением подается с выходной стороны бустерного цилиндра 41А в испытываемую трубу 10 с одновременным увеличением ее давления.
Как показано на Фиг.3, в результате подачи воды под давлением в испытываемую трубу 10, давление в этой трубе 10 увеличивается. Внутреннее давление в испытываемой трубе 10 отслеживают с использованием датчика 47 для гидравлической воды, обеспеченного на выходных сторонах бустерных цилиндров 41А и 41В (в магистрали В). Если это внутреннее давление достигает давления точки переключения, которое ниже давления начала поддержания и ниже заданного поддерживаемого давления на ΔР (ΔР является фиксированной величиной и здесь равно 1 МПа), вспомогательные насосы из трех насосов 44, приводимых в действие серводвигателями, останавливают и работать продолжает только основной насос. Основной насос продолжает работать в режиме М2 высокого давления и низкого расхода (см. Фиг.2) для увеличения внутреннего давления в испытываемой трубе 10 до заданного поддерживаемого давления.
Когда давление в испытываемой трубе 10 достигает заданного поддерживаемого давления, это давление поддерживается в течение заранее определенного времени, и испытание завершается. Затем клапан сброса давления, обеспеченный на передней бабке 20А, задней бабке 20В или каждой из этих бабок 20А и 20В, открывается для сброса давления в трубе. После завершения сброса давления заднюю бабку 20В снимают с испытываемой трубы 10, и затем испытываемую трубу 10 снимают с передней бабки 20А. После этого испытываемую трубу 10 наклоняют, чтобы полностью выгрузить воду, находящуюся в трубе, в бассейн 32, расположенный ниже этой трубы. Как описано выше, часть выгруженной воды повторно используется для следующего испытания.
Если испытательное давление (поддерживаемое давление) превышает 21 МПа и не превышает 75 МПа, это испытательное давление (поддерживаемое давление) и время поддержания задают в контроллере 48. После этого, на первой стадии, задействуют приводную систему 42, чтобы вызвать убирание поршней в бустерном цилиндре 41А низкого давления и бустерном цилиндре 41В высокого давления. Если говорить более конкретно, когда электромагнитные клапаны 43А и 43В, соответствующие бустерным цилиндрам 41А и 41В, открыты в обратном направлении, три насоса 44, приводимые в действие серводвигателями, в приводной системе 42 работают одновременно с максимальным выходом или выходом, близким к максимальному. В ответ на убирание поршней в бустерных цилиндрах 41А и 41В, вода засасывается на соответствующие выходные стороны этих цилиндров 41А и 41В из емкости 31 для воды. Затем, на второй стадии, электромагнитный клапан 43А переключают с обратного направления на прямое направление, а электромагнитный клапан 43В переводят из состояния, открытого в обратном направлении, в закрытое состояние. В результате только бустерный цилиндр 41А начинает выдвижение поршня.
В начале выдвижения поршня в бустерном цилиндре 41А давление масла на его входной стороне является низким. Таким образом, насосы 44 двойного действия, приводимые в действие серводвигателями, работают в режиме низкого давления и высокого расхода, чтобы принудительно подать большое количество масла под давлением за короткое время на входную сторону бустерного цилиндра 41А. В результате с выходной стороны бустерного цилиндра 41А в испытываемую трубу 10, заполненную водой, по магистрали В и через переднюю бабку 20А принудительно подается большое количество воды под давлением. В итоге принудительной подачи масла под давлением на входную сторону бустерного цилиндра 41А и результирующей подачи воды под давлением в испытываемую трубу 10, давление воды на выходной стороне бустерного цилиндра 41А увеличивается, что приводит к дополнительному увеличению давления масла на входной стороне бустерного цилиндра 41А. Затем насосы 44 двойного действия, приводимые в действие серводвигателями, переводят из режима низкого давления и высокого расхода в режим высокого давления и низкого расхода для продолжения подачи масла под давлением на входную сторону бустерного цилиндра 41А с одновременным увеличением давления этого масла. В результате вода под давлением подается с выходной стороны бустерного цилиндра 41А в испытываемую трубу 10 с одновременным увеличением ее давления.
В ответ на подачу воды под давлением в испытываемую трубу 10, давление в этой трубе 10 увеличивается. Давление в испытываемой трубе 10 отслеживают с использованием датчика 47 для гидравлической воды, обеспеченного на выходных сторонах бустерных цилиндров 41А и 41В (в магистрали В). Когда давление в испытываемой трубе 10 достигает 21 МПа, электромагнитный клапан 43А переводят из состояния, открытого в прямом направлении, в закрытое состояние, в то же время, электромагнитный клапан 43В переводят из закрытого состояния в состояние, открытое в прямом направлении. В ответ на это бустерный цилиндр 41А низкого давления прекращает выдвижение поршня, и бустерный цилиндр 41В высокого давления, в свою очередь, начинает выдвижение поршня.
Бустерный цилиндр 41В высокого давления имеет коэффициент усиления, равный 3,57. Таким образом, при том, что насосы 44, приводимые в действие серводвигателями, создают давление максимум 21 МПа, давление воды на выходной стороне может быть увеличено до 75 МПа. В момент переключения на бустерный цилиндр 41В высокого давления, давление воды на выходной стороне повысилось до 21 МПа. Таким образом, насосы 44, приводимые в действие серводвигателями, по существу, должны обеспечить увеличение давления от 5,9 МПа (21/3,57). В случае такого низкого давления, насосы 44, приводимые в действие серводвигателями, снова начинают работать в режиме М1 низкого давления и высокого расхода. В ответ на это, на входную сторону бустерного цилиндра 41В снова начинает подаваться большое количество масла под давлением. Бустерный цилиндр 41В имеет высокий коэффициент усиления, равный 3,57, который приводит, соответственно, к низкому расходу на его выходной стороне. В то же время, высокий расход на его входной стороне способствует расходу на стороне высокого давления. Таким образом, хотя расход на выходной стороне бустерного цилиндра 41В ниже, чем расход на выходной стороне бустерного цилиндра 41А, разница между этими расходами является небольшой. В результате с выходной стороны бустерного цилиндра 41В в испытываемую трубу 10 по магистрали В и через переднюю бабку 20А принудительно подается большое количество воды под давлением, что позволяет дальше увеличивать давление в испытываемой трубе 10.
В итоге принудительной подачи масла под давлением на входную сторону бустерного цилиндра 41В и результирующей подачи воды под давлением в испытываемую трубу 10, давление воды на выходной стороне бустерного цилиндра 41А увеличивается, что приводит к дополнительному увеличению давления масла на входной стороне бустерного цилиндра 41А. Затем насосы 44 двойного действия, приводимые в действие серводвигателями, переводят из режима низкого давления и высокого расхода в режим высокого давления и низкого расхода для продолжения подачи масла под давлением на входную сторону бустерного цилиндра 41В с одновременным дальнейшим увеличением давления этого масла. В результате вода под давлением подается с выходной стороны бустерного цилиндра 41В в испытываемую трубу 10 с одновременным дальнейшим увеличением давления подаваемой воды, что приводит к дальнейшему увеличению давления в испытываемой трубе 10.
Когда давление в испытываемой трубе 10 достигает заданного поддерживаемого давления, заданное поддерживаемое давление поддерживается в течение заранее определенного времени, и испытание завершается. Затем клапан сброса давления, обеспеченный на передней бабке 20А, задней бабке 20В или каждой из этих бабок 20А и 20В, открывается для сброса давления в трубе 10. После завершения сброса давления заднюю бабку 20В снимают с испытываемой трубы 10, и затем испытываемую трубу 10 снимают с передней бабки 20А. После этого испытываемую трубу 10 наклоняют, чтобы полностью выгрузить воду, находящуюся в трубе, в бассейн 32, расположенный ниже этой трубы. Как описано выше, часть выгруженной воды повторно используется для следующего испытания.
В соответствии с описанным выше способом гидравлического испытания с использованием воды, в частности, способом увеличения давления в испытываемой трубе 10, после того, как в контроллере 48 заданы поддерживаемое давление и время поддержания, контроллер 48 выполняет управление автоматически, в зависимости от давления воды на выходных сторонах бустерных цилиндров 41А и 41В. Таким образом, даже если испытываемые трубы 10 имеют разные размеры или толщину, испытываемые трубы 10 всех размеров можно испытывать с использованием одного испытательного устройства.
Для проведения испытания для испытываемых труб 10 разных типов с использованием одного устройства необходимо уменьшить время, требуемое для испытания одной испытываемой трубы 10 (продолжительность цикла). Такое уменьшение времени может быть достигнуто при помощи способа гидравлического испытания с использованием воды, соответствующего этому варианту. Если говорить конкретно, согласно способу гидравлического испытания с использованием воды, соответствующему этому варианту, давление в испытываемой трубе 10 увеличивают до давления, близкого к заданному поддерживаемому давлению, с использованием множества блоков для работы с гидравлическим маслом. Это позволяет подавать в испытываемую трубу 10 большое количество воды, имеющей высокое давление, за короткое время. В дополнение к этому, эти блоки для работы с гидравлическим маслом представляют собой насосы 44 двойного действия, приводимые в действие серводвигателями, которые имеют как режим М1 низкого давления и высокого расхода, так и режим М2 высокого давления и низкого расхода. Таким образом, даже если испытываемые трубы 10 имеют разные размеры или толщину, включая толстую испытываемую трубу 10 с чрезвычайно большим диаметром, превышающим 24 дюйма (609,6 мм), поглощение давления, вызванное сжатием остающегося воздуха на начальной стадии увеличения давления, можно компенсировать в любой испытываемой трубе 10. В результате давление можно увеличивать до давления, близкого к заданному поддерживаемому давлению, за минимально возможное время.
В дополнение к этому, с целью увеличения давления от близкого к заданному поддерживаемому давлению до этого заданного поддерживаемого давления, в режиме М2 высокого давления и низкого расхода задействуется только один из множества насосов 44, приводимых в действие серводвигателями, для приближения к заданному поддерживаемому давлению при низком расходе. Это устраняет риск превышения давления. Кроме того, не возникает проблемы рывков из-за несовершенной синхронизации. В результате приближение к заданному поддерживаемому давлению может проводиться с высокой точностью.
В течение всего времени испытания и в течение всего времени, когда испытание не проводится, на сторону низкого давления в бустерном цилиндре 41 подается только необходимое количество воды под давлением, и, по существу, не выпускается масло под давлением. Таким образом, в блоке для работы с гидравлическим маслом практически не возникает потери мощности.
Как описано выше, согласно способу гидравлического испытания с использованием воды, соответствующему этому варианту, испытываемые трубы 10 в диапазоне от трубы с небольшим диаметром до трубы с большим диаметром можно подвергать испытанию с применением одного устройства для гидравлического испытания с использованием воды. Кроме того, уменьшается время, требующееся для каждого испытания, что позволяет увеличить количество труб, испытываемых в единицу времени, и уменьшить потерю мощности, возникающую в блоке для работы с гидравлическим маслом. Это приводит к значительному снижению стоимости испытания.
Если давление воды на выходной стороне достигает давления точки переключения, в то время, когда множество насосов 44, приводимых в действие серводвигателями, продолжает работать в режиме низкого давления и высокого расхода во время подачи воды, имеющей высокое давление, переключение из режима низкого давления и высокого расхода в режим высокого давления и низкого расхода не выполняется. Когда после этого, до тех пор, пока не будет достигнуто поддерживаемое давление, отдельно работает один насос 44, приводимый в действие серводвигателем, этот насос 44 продолжает работать в режиме низкого давления и высокого расхода.
Примеры
При помощи описанного выше способа гидравлического испытания с использованием воды в реальных условиях были испытаны стальные трубы, сваренные при помощи электрической контактной сварки, которые имели наружные диаметры (OD) от 203 мм до 21 дюйма (533,4 мм), и здесь описаны результаты этих испытаний. Использованные стальные трубы, сваренные при помощи электрической контактной сварки, соответствуют стандарту API-X80. Что касается толщины (WT), за исключением трубы с наружным диаметром 203 мм, для каждого наружного диаметра было изготовлены трубы с двумя толщинами, 5,0 мм и 12,7 мм. Труба с наружным диаметром 203 мм имеет одну толщину 12,7 мм. Все трубы имеют длину (L) 1372 см (13,72 м). Предел YS текучести был задан на уровне 562 МПа, между минимумом в 555 МПа и максимумом в 705 МПа. Испытательное давление Р определялось с использованием предела YS текучести и спецификаций стальных труб. Испытательное давление Р было вычислено с использованием следующей Формулы 1:
Р=(2 × коэффициент f × YSmin × толщина t)/наружный диаметр D
В Таблице 1 приведены спецификация и испытательное давление Р для каждой испытываемой трубы, а также требуемое количество воды для каждой испытываемой трубы, вычисленное на основе спецификации и испытательного давления Р. Приведены два типа требуемых количеств воды, которые включают количество подаваемой воды, имеющей низкое давление, и количество подаваемой воды, имеющей высокое давление. Количество подаваемой воды, имеющей высокое давление, приведенное в Таблице 1, включает количество воды, требующееся для компенсации сжатия остающегося воздуха, количество воды, требующееся для компенсации расширения стальной трубы, количество воды, требующееся для увеличения давления до 21 МПа, количество воды, требующееся для увеличения давления от 21 МПа до испытательного давления, и сумму этих количеств воды. Суммарное количество воды разделяется на количество воды, которое должно подаваться бустерным цилиндром низкого давления, и количество воды, которое должно подаваться бустерным цилиндром высокого давления. Если испытательное давление не превышает 21 МПа, количество воды, требующееся для увеличения давления до 21 МПа, означает количество воды, требующееся для увеличения давления до испытательного давления, и количество воды, требующееся для увеличения давления от 21 МПа до испытательного давления, равно нулю.
Бустерный цилиндр низкого давления имеет максимальную емкость 95 л, а бустерный цилиндр высокого давления имеет максимальную емкость 40 л. Были использованы три насоса, приводимые в действие серводвигателями, по 15 кВт. Здесь предполагается, что в испытываемой трубе остается воздух в количестве 1,5%. Однако, как описано выше, это количество неизбежно изменяется в широких пределах. Таким образом, вычисленные здесь требующиеся количества воды являются грубыми показателями. Как описано выше, влияния этого изменения можно избежать путем отслеживания давления воды на выходной стороне бустерного цилиндра во время реального испытания.
Таблица 1
Дюймы
OD, мм
L, см
WT, мм
Коэфф. f
Х80, МПа
Испыта- тельное давление P, МПа
P/S, кН
Количество подаваемой воды, имеющей низкое давление, л
Количество подаваемой воды, имеющей высокое давление, л
Количество, подаваемое бустером низкого давления (Max 21 МПа), л
Количество, подаваемое бустером высокого давления (Max 75 МПа), л
Суммар-ное количество воды, л
1,5% остающегося воздуха
0,5%- расширение стальной трубы
Сжатое количество (21 МПа)
Сжатое количество (Max P)
203,0
1372
12,7
1,0
562,0
70,3
228
444
7
2,2
4,66
10,95
11,32
13,17
24,5
8
219,1
1372
5,0
1,0
562,0
25,7
97
517
8
2,6
4,19
1,20
11,95
3,79
15,7
8
219,1
1372
12,7
1,0
562,0
65,2
246
517
8
2,6
5,43
11,42
13,19
14,01
27,2
9-5/8
244,5
1372
5,0
1,0
562,0
23,0
108
644
10
3,2
5,22
0,64
14,88
3,86
18,7
9-5/8
244,5
1372
12,7
1,0
562,0
58,4
274
644
10
3,2
6,76
12,04
16,43
15,26
31,7
10-3/4
273,1
1372
5,0
1,0
562,0
20,6
121
804
12
4,0
8,44
0,00
24,51
0,00
24,5
10-3/4
273,1
1372
12,7
1,0
562,0
52,3
306
804
12
4,0
8,44
12,57
20,49
16,58
37,1
12
323,8
1372
5,0
1,0
562,0
17,4
143
1130
17
5,6
11,86
0,00
34,46
0,00
34,5
12
323,8
1372
12,7
1,0
562,0
44,1
363
1130
17
5,6
11,86
13,04
28,81
18,69
47,5
14
355,6
1372
5,0
1,0
562,0
15,8
157
1363
20
6,8
14,31
0,00
41,56
0,00
41,6
14
355,6
1372
12,7
1,0
562,0
40,1
399
1363
20
6,8
14,31
13,04
34,75
19,85
54,6
377,0
1372
5,0
1,0
562,0
14,9
166
1532
23
7,7
16,08
0,00
46,71
0,00
46,7
377,0
1372
12,7
1,0
562,0
37,9
423
1532
23
7,7
16,08
12,91
39,05
20,57
59,6
16
406,4
1372
5,0
1,0
562,0
13,8
179
1780
27
8,9
18,69
0,00
54,28
0,00
54,3
16
406,4
1372
12,7
1,0
562,0
35,1
456
1780
27
8,9
18,69
12,57
45,38
21,47
66,9
426,0
1372
5,0
1,0
562,0
13,2
188
1956
29
9,8
20,53
0,00
59,64
0,00
59,6
426,0
1372
12,7
1,0
562,0
33,5
478
1956
29
9,8
20,53
12,23
49,87
22,01
71,9
20
508,0
1372
5,0
1,0
562,0
11,1
224
2781
42
13,9
29,20
0,00
84,81
0,00
84,8
20
508,0
1372
12,7
1,0
562,0
28,1
570
2781
42
13,9
29,20
9,87
70,91
23,78
94,7
21
530,0
1372
5,0
1,0
562,0
10,6
234
3027
45
15,1
31,78
0,00
92,32
0,00
92,3
21
530,0
1372
12,7
0,8
562,0
20,2
446
3027
45
15,1
31,78
0,00
92,32
0,00
92,3
Далее приведен пример продолжительности цикла, требующейся для одного испытания: 6,0 секунд для загрузки и выгрузки испытываемой трубы; 1,0 секунды для центрирования испытываемой трубы; 4,0 секунды для выдвижения задней бабки; 6,0-9,5 секунд для подачи воды без давления; 0,5 секунды для работы клапана удаления воздуха; 3,5-10 секунд для принудительной подачи воды под давлением с достижением испытательного давления; 10 секунд в качестве времени поддержания; 0,5 секунд для сброса давления; 3,0 секунды для отведения задней бабки; 1,0 секунды для снятия трубы; и 1,5-3,0 секунды в качестве времени ожидания. В результате продолжительность цикла находилась в пределах диапазона от 37,0 до 47,5 секунд. Время упомянутой принудительной подачи воды под давлением менялось по причине различия испытательных давлений. Время упомянутой принудительной подачи воды под давлением значительно сокращается при применении способа гидравлического испытания с использованием воды, соответствующего этому варианту. Обычный способ гидравлического испытания с использованием воды по своей природе не позволяет проводить испытание как таковое с применением одного устройства для испытываемых труб настолько различающихся типов.
Когда применяется два или более насосов 44, приводимых в действие серводвигателями, которые образуют главную часть приводной системы 42, количество этих насосов 44 определяется подходящим образом в зависимости от производительности каждого насоса 44 и требуемых для каждого из них характеристик.
На конце испытываемой трубы, прошедшей описанное выше гидравлическое испытание с использование воды, нарезается резьба для соединения c муфтой на последующем этапе. После нарезания резьбы на испытываемой трубе, ее подвергают такому же гидравлическому испытанию с использованием воды с муфтой, прикрепленной к одному или обоим ее противоположным концам. Если испытываемая труба подвергается гидравлическому испытанию с использованием воды с муфтой, прикрепленной только к одному ее концу, вода, имеющая высокое давление, подается в специальную заглушку, включающую заглушку для герметизации конца испытываемой трубы и составляющую с ней единое целое заглушку для герметизации открытой стороны муфты, чтобы проверить утечку воды из резьбовой части. Таким образом, это испытание проводится с использованием меньшего количества воды, имеющей высокое давление, чем в испытании, проводимом с полным заполнением водой внутреннего пространства трубы. Однако это испытание проводят при таком же высоком давлении, что и в Примерах, поэтому увеличение давления по-прежнему занимает время. Таким образом, способ гидравлического испытания с использованием воды и устройство для гидравлического испытания с использованием воды, соответствующие Примерам, по-прежнему работают чрезвычайно эффективно при проведении гидравлического испытания с использованием воды для такого конца трубы, что позволяет обеспечить значительное снижение времени испытания.
В приведенном выше описании в качестве объекта испытания приведена труба, сваренная при помощи электрической контактной сварки. При этом настоящее изобретение также применимо к гидравлическому испытанию с использованием воды для бесшовной трубы. Гидравлическое испытание с использованием воды для бесшовной трубы включает применение испытательного давления, например, на 160 МПа выше, чем при испытании трубы, сваренной при помощи электрической контактной сварки. Таким образом, желательно, чтобы использовалось три или более бустерных цилиндров. Кроме того, требуется восемь или девять насосов, приводимых в действие серводвигателями, если выходная мощность такого насоса составляет 15 кВт. Гидравлическое испытание с использованием воды для трубы, сваренной при помощи электрической контактной сварки, также можно проводить с применением трех или более бустерных цилиндров.
Список ссылочных обозначений
10 - Испытываемая труба
20А - Блок передней бабки
20В - Блок задней бабки
21 - Клапан удаления воздуха
30 - Система подачи воды, имеющей низкое давление
31 - Емкость для воды
32 - Бассейн
33 - Водосборник
34 - Насос
35 - Двухпозиционный клапан
40 - Система подачи воды, имеющей высокое давление
41 - Бустерный цилиндр
42 - Приводная система для бустерного цилиндра 41
43 - Переключающий механизм (электромагнитный клапан)
44 - Насос, приводимый в действие серводвигателем
45 - Маслосборник
47 - Датчик для гидравлической воды
48 - Система управления