異型閥門檢驗夾持方法的研究

李祚，南斌，王亮，張中垚，李東東，邢金濤

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

異型閥門檢驗夾持方法的研究

李祚，南斌，王亮，張中垚，李東東，邢金濤

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

通過對所檢驗的異型閥門種類進行統計，結合其結構特點，對異型閥門的夾持難點進行分析。根據閥門共性，研究了剎車片式和活塞桿式兩種夾持方法，提出液壓系統設計方案，該設計以集成化、標準化及盡量減少發熱量和噪聲為主要目標。采用該套夾持系統后，作業人員在啟閉閥門手輪的環節節省了大量的時間，極大地提高了工作效率。

異型閥門檢驗；夾持；剎車片式；活塞桿式

閥門壓力試驗是指通過對閥門充壓來檢驗其強度和密封性，長慶油田每年入庫壓力試驗的閥門約18萬只，其中異型閥門的檢驗一直是一個難題。

1 異型閥門及其檢驗技術簡介

1.1 異型閥門簡介

異型閥門特指形狀結構奇特的小通徑閥門，主要為針形截止閥和球閥，公稱通徑為3、6、10、15、20、25、32、40mm，公稱壓力1.6～42MPa，多用于石油天然氣工藝管路上，起儀表測量、取樣、截斷等作用，有直通式、角式、異軸式、三通式等多種，連接方式主要為內螺紋、外螺紋、卡套、焊接，材料主要為不銹鋼和少量銅制[1]。

1.2 現有檢驗技術

液壓伺服系統控制機械夾具進行加持、上下頂壓對夾固定閥門，利用端面密封，由液壓管路系統充壓（泄壓）進行壓力試驗。上下對夾的方式只能解決直通式的閥門試驗，對非直通式閥門檢驗存在困難。

2 異型閥門固定的必要性分析

2.1 新的檢驗技術

為解決非直通式閥門檢驗問題，找到了一種快速螺紋連接器，解決了閥門與設備的連接問題。閥門與設備的連接如圖1所示。然而光解決連接密封問題還不夠，還需要解決異型閥門的固定問題。

圖1 壓力試驗示意圖

2.2 閥門固定的必要性

1）安全風險：試驗中不固定，閥門存在飛出傷人的風險。

2）勞動強度大，檢驗效率低下：不固定，就只能用手擰啟閉閥門[2]。由于手輪較緊，十分費勁，每天需要啟閉100余只閥門，固定后可以使用小扳手，減輕勞動強度，提高工作效率。

3 夾持技術難點

通過調查統計，導致異型閥門難以固定的原因主要有以下幾點：

1）結構復雜，異型閥門除了角式和三通式，還有異軸式、直流式、柱塞式等多種。這些奇形怪狀的閥門難以找到夾持面，也是所要解決的技術難點之一。

2）種類繁多，異型閥門其結構形狀、連接形式不同的異型閥門上百種，且每一種供貨數量懸殊，若每種都定制夾持裝置，則制作的周期過長，影響檢驗進度。

3）規格不一，公稱通徑為3、6、8、10、15、20、25、32mm多種。

4 夾持方法研究

可將夾持裝置的研制分為3個步驟：尋找共性→選擇夾持方法→設計制造。

4.1 對閥門分類，尋找共性

考慮到現有的技術單獨做出一種閥門的夾持裝置是完全可實現的，而針對不同種類的閥門，可以考慮找出其共性來設計。每年入庫質量檢驗的異型閥門約6萬只，按照形狀結構相似程度，占數量90%的閥門可分為八大類（圖2）。

圖2 閥門分類

4.2 選擇夾持方法

4.2.1 閥桿螺母端蓋處夾持

通過分析閥門結構，找到了閥門的共性之一：閥桿螺母處端蓋。大部分閥門螺母的端蓋形狀都為六方形，且尺寸相近?？蛇x擇此處，通過油缸，推動活塞桿進行夾持。然而通過進一步分析，由于端蓋較薄，夾持此處容易導致端蓋和閥桿變形，同時可能導致端蓋松動。因此該方案排除。

4.2.2 剎車式夾持

剎車式夾持是一種柔性夾持。利用杠桿原理，驅動力通過滑動桿的移動，傳遞給夾持塊，進行夾持。適合于有一定夾持空間的異型閥門，如平行平面、曲面和具備可夾持部件的閥門（圖3）。

圖3 剎車片式夾持

4.2.3 活塞桿式夾持

對于這些多種多樣的面，按照常規夾持方法不能滿足所有的閥門，因此聯想到多點固定的方法。設想用多根柔性小柱子頂著閥門[3]，一部分小柱子頂在閥門的面上，另一部分小柱子穿插在閥門的空隙之間，兩部分一起配合，固定住閥門（圖4）。

圖4 活塞桿式夾持設想

4.2.4 剎車片+活塞桿式夾持

由于單獨選擇剎車片式或活塞桿式都不能全部滿足8類閥門的夾持，而將它們組合在一起則可以滿足，因此聯想到可以將兩種夾持方式結合。根據閥門種類數量不同，選擇了4個剎車片式夾具，2個活塞桿式夾具。工作臺方案的設想見圖5。平臺整體尺寸1 900 mm×1 150 mm×295 mm；人站立操作高度1 200 mm；工位間隔200 mm。

圖5 工作臺設想

4.3 設計制造

4.3.1 剎車片式

1）省力杠桿式和等臂杠桿式的選擇，剎車片式夾持裝置可以設計成省力杠桿式，也可以設計成等臂杠桿式。若使用省力杠桿，在驅動力相同的情況下，夾持力更大，可能導致閥門擠壓變形，因而選擇設計成等臂杠桿式[4]。

2）夾具的組成設計和動作原理，由夾持塊、夾持板、支撐底座、導向桿、氣缸等組件組成，其三維結構見圖6。

圖6 夾具的組成設計

利用杠桿原理，氣缸增壓，使滑動桿移動，帶動活動板，使夾持部分收攏，夾持塊夾持住閥門。導桿滑套采用線性軸承，導向桿退回卸下閥門。

3）夾具的整體圖紙和技術要求。夾持裝置尺寸設計為387 mm×108 mm×265 mm，整體材料為不銹鋼，其結構見圖7。

圖7 夾具整體圖紙

4）氣缸固定塊、活動板、滑動桿設計，氣缸固定塊和活動板均設計成倒梯型，方便夾持。氣缸固定塊設3個孔，分別固定2個線性軸承和1個氣缸，活動板設3個孔分別固定3根活動桿。

5）驅動系統，從控制氣源過來的7 bar的壓縮空氣，經過過濾調壓油霧器，接著經過SMC高壓電氣比例閥，壓力值可以在電腦上進行任意設定，接著進入氣缸，當壓力達到設定值時，常閉電磁閥關閉，氣壓帶動活動板向內側運動，夾緊閥門。當需要釋放時，系統中的常開電磁閥打開，氣壓減小，活動板向外側運動，將夾持裝置的壓力自動卸掉（圖8）。

4.3.2 活塞桿式

1）夾具的組成設計和動作原理。主要由行程調節液壓缸、夾緊柱塞缸、柔性夾緊頭（保護工件表面不被夾傷）、支撐底座等組件組成。夾持時液壓缸對活塞桿施加壓力[5]，推動兩側所有活塞桿頂緊閥門。一部分活塞桿與閥門接觸，橫向夾緊閥門，另外一部分活塞桿穿插在閥門空隙間，縱向固定閥門，進行壓力試驗完畢后，液壓缸泄壓，柱塞活塞桿退回，卸下閥門（圖9）。

圖8 氣壓驅動原理

圖9 活塞桿式夾持原理

2）夾具的整體圖紙和技術要求。夾持裝置尺寸設計為91 mm×60 mm×55 mm。由前后端蓋、研磨管、活塞桿、墊片、密封圈、封板、頂絲等組成，整體材料為不銹鋼，其結構見圖10。

圖10 主視圖與剖視圖

3）活塞桿、研磨管設計。夾緊柱塞采用直徑6 mm、長85 mm的活塞桿，一套裝置共采用16根活塞桿，活塞桿采用不銹鋼，柱塞端部采用柔性橡膠頭（避免夾傷工件）。

4）液壓系統設計方案。閥門夾持裝置的液壓系統主要由電磁閥、油泵、溢流閥、電磁換向閥、濾油器、液壓缸、壓力表和單向閥等的組成。液壓系統如圖11所示。

圖11 液壓柱塞式夾持液壓系統原理圖

系統采用卸荷保壓回路設計，有效地控制了連續開機條件下液壓油的溫升，節省了試驗過程中的能耗，并提高了液壓密封元件的壽命。電氣系統的設計完全滿足設備控制和操作的要求，所有操作可以方便地在操作面板上進行，在夾緊操作中可以方便地觀察儀表盤主油泵壓力表和增壓表的顯示進行監視操作。在設計的過程中，按照集成化、標準化以及盡量減少發熱量和噪聲為主要目標進行安排和布置。

5 應用效果

通過使用活塞桿式夾持裝置和剎車片式夾持裝置，隨機對152只異型閥門進行夾持，試驗結果如表1所示。經過統計抽查，發現能完成88%的閥門夾持。

表1 閥門夾持試驗結果

1）夾持速度。經過對5名檢驗員每人20次的測試可以得出：每只閥門的夾持平均耗時20 s，最長耗時35 s。表2是夾持裝置最終的測試情況。

表2 夾持異型閥門用時測試

2）安全性。夾持牢固可靠，在試驗過程中，未出現閥門脫落飛出現象。

3）提高檢驗效率。采用這套夾持系統后，作業人員在啟閉閥門手輪的環節節省了大量的時間，極大地提高了工作效率。

[1]全國閥門標準化技術委員會.針形截止閥：JB/T 7747—2010[S].北京：機械工業出版社,2010.

[2]全國閥門標準化技術委員會.工業閥門壓力試驗：GB/T 13927—2008[S].北京：中國標準出版社,2008.

[3]中國石油化工集團施工技術淄博站.閥門檢驗與管理規程：SH 3518—2013[S].北京：中國石化出版社,2013.

[4]孫廣聚,王明義,劉玉臣.閥門密封試驗裝卡方式的分析與探討[J].閥門,1996（2）：7-12.

[5]陸培文.閥門的試驗與檢驗[M].北京：中國標準出版社, 2010.

The clamping difficulties of special-shaped valves are analyzed through the statistics of the types of the special-shaped valves tested and the structural characteristics of the valves.Two clamping methods of brake plate and piston rod are studied according to the general characteristics of the valves,and the design plan of the hydraulic system is proposed.The design of the clamping system aims at integration,standardization and minimizing heat and noise.The use of the clamping system saves a great deal of time for operator in the process of opening and closing the handwheel of the valve,and greatly improves the work efficiency.

special-shaped valve testing；clamping;brake pad type;piston rod type

2017-05-11

李祚（1990-），男，主要從事油氣田機械產品及特種設備檢驗檢測工作。