后试验头退出, 钢管和前后试验头脱开。

供水装置：供水装置主要由水泵和阀门组成, 为了避免水泵频繁启、停, 在整个试压期间都处于开动状态, 对钢管的低压供水在一个试压周期内只要开启和关闭有关的阀门就行了, 这种阀门一般有两个, 一个是用来对试压床身上待试钢管进行冲洗, 将钢管内的焊渣、尘土及其它脏物冲洗干净, 我们称它为冲洗阀, 另一个阀则用来对试压钢管预充以低压水, 我们称之为充水阀。为了便于可靠地实现自动化, 冲洗阀和充水阀一般都用气动执行机构, 它们的启闭用气压传动来实现。 排气机构：排气机构的主要作用是在钢管预充水时将试压钢管内的空气排出, 它还有另外一个作用是在试压完毕后将排气阀打开使试压管卸压。排气机构是安装在后试验头上的一个排气阀,它的执行机构也是一个气缸, 在充水时将排气阀打开, 进行排气; 在增压时关闭; 试压完成后又打开, 使钢管卸压。

增压装置的作用是向试压钢管内提供达到一定试验压力的高压水。

2.2 水压试验机控制系统的基本构成

水压试验机的制控制系统由硬件系统、软件系统组成。 2.2.1 硬件系统组成

水压机的结构如下图：

图2.2 水压机系统结构图

在以往的控制系统中，由于采用的继电器和接触器控制方式存在很多问题，比如其控制元件体积大，在动作频繁时，响应速度较低，尤其在水气潮湿，尘埃较多的恶劣环境下工作时常发生电气故障，对生产影响很大。因此这里采用一种PLC的控制系统。

几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能己无法满足与适应工业控制的要求和展，与PLC相比较，存在着质的差别。

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图2.3 控制系统结构图

在硬件系统中上位机还作为数据服务器使用，存储试验数据，下位机由一台西门子S7-300 PLC担任，它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理，同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作，从而实现系统整体自动协调动作，完成钢管的静水压试验。人机接口包括键盘、鼠标和操作台。利用键盘、鼠标，通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作。操作台完成外围辅助设备的动作，包括钢管传送、油泵和水泵的起停、管端封头的移动等。现场传感器有水压传感器和油压传感器，它们负责实时检测水路系统和油路系统的压力，将它们转换为电信号传送到PLC，等待进一步处理。可执行元件包括电液比例阀、电磁换向阀、电机和信号指示灯，它们负责实现机械的各个具体动作和相关信号指示。

在硬件系统中，还包括有稳压系统。为了满足API 标准对钢管水压试验的要求,钢管水压试验机在系统设计时必须考虑稳压问题,系统稳压性能的好坏是衡量钢管水压试验机性能的重要指标。系统稳压性能的好坏是衡量钢管水压试验机性能的重要指标。稳压系统主要分两种：

1）允许补压的稳压系统。允许补压的稳压系统的设计一般基于这样的设计思路:由于系统泄漏无法避免,需采取补压措施,但必须设法保证稳压时压力波动在API 标准规定的范围内。

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图2.4 允许补压的稳压系统

这种回路采取了补压措施,增加了高压蓄能罐,若无蓄能罐,稳压时高压往复泵或增压器一直处于工作状态;水阀6 ,7 (见图2) 不仅在充水阶段起排气作用,在稳压结束后还肩负着试管卸荷的作用。排气过程要求迅速,所以水阀6 ,7 通径较大,卸荷时系统处于高压状态,这时要打开水阀6 ,7 的阀芯,势必液压系统控制压力高,可以想象放气阀体积相当庞大;水阀1 稳压时接通大容积高压蓄能罐,稳压时间到后要关闭,所以通径也大、控制压力高;水阀3 ,4 ,5 和径向密封水路相连,径向密封所需的流量较小,所以通经也小。1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 水阀的结构基本相同 ,这种阀中间部分为水腔, 两侧为控制腔。上下控制活塞和水阀阀芯的同轴问题只能靠机加工来保证,加工误差和实际使用时磨损产生的偏差难以消除,所以同轴度差,这是水阀阀口关不住的主要原因;从控制腔的密封环境看,水中的污染物易损坏控制部分活塞杆处密封,进而损坏控制活塞密封圈,造成控制腔里的液压油窜入水腔,系统里的水窜入控制油腔,这是钢管水压试验机“吃油”现象的根本原因,使维护难度增大,生产成本增高。

2）不采用任何方式补压的稳压系统。API 标准对稳压过程是否可以补压没有明确规定,而在西气东输工程<1 016 mm ×14. 6 mm钢管生产中,要求钢管水压试验机在静水压试验过程中不应采取任何方式进行补压。为了满足用户的要求,我公司对钢管水压试验机稳压回路进行了改进。这种改进是根据钢管在试压过程中不同阶段的特点,合理设计高性能水阀,使系统泄漏量减少到最低限度,从而实现不采取任何措施对系统进行补压。不需补压的稳压系统示意如图3.2 ,现计对该系统做以分析。

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图2.5 不需补压的稳压回路

系统在低压充水过程中,要求水阀6 ,7 能迅速排气,所以要求通经大。同时低压充水时试管内水压较低,因而在这阶段只需较低的控制压力就能控制水阀6 ,7 的开启或关闭;在增压、稳压阶段,要求水阀6 ,7 能可靠关闭。保压时间到后,试管卸压时实际需要的水量很小,所以水阀5的通径较小,因而所需的控制压力也较低这种水阀设计时不宜利用试管内高压水密封阀口,原因是控制系统出现故障时,阀芯若打不开可能酿成安全事故。为了安全,设计时应考虑在控制部分出现故障时,利用试管内的高压水自动抬起阀芯,卸掉高压水。在增压过程中水阀2 的作用是向径向密封处接通高压水,水阀3 的作用是卸去密封压力。水阀4 的开启或关闭,接通或断开密封蓄能器,虽然多数时间处于高压状态,但水量均不大,通径小,可参考水阀5 的设计结构。水阀1 可借鉴先导式液压阀的原理来设计,避免直动式结构体积庞大、控制压力高的缺点。控制部分的驱动力只需克服试管内的高压水作用在水阀1 导阀部分的力即可,导阀芯直径较小,所以仍可选用活塞直径较小的双作用标准油缸。主阀芯阀口设计成面接触,同时利用试管内的高压作用在主阀芯上部,这样稳压阶段阀口密封更可靠。控制油缸和导阀部分采用球接手连接,有利于保证主阀芯和阀体之间的同轴精度。水阀1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 静密封选用O 型密封圈,动密封选用夹织物V 型组合密封圈,这样在水质较差的情况下,也能使用较长时间。 2.2.2 软件系统组成

软件系统包括：监控组态软件、历史数据管理软件、PLC运行开发软(STEP-Mi

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