鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)增壓異常分析及處理

徐根濤, 黃 杰, 李 蒙

(寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業(yè)部, 上海 201900)

引言

靜水壓鋼管試驗(yàn)機(jī)(Hydrostatic Pipe Tester,HPT)是某焊管生產(chǎn)線上的一個(gè)重要生產(chǎn)工序,其目的是通過(guò)要求的水壓壓力試驗(yàn),對(duì)前道工序如焊接質(zhì)量、擴(kuò)徑質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)檢查。依據(jù)API SPEC 5L、GB/T 9711-2017等鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行的鋼管靜水壓試驗(yàn),可達(dá)到暴露鋼管隱性缺陷、釋放全管體殘余應(yīng)力、確保鋼管產(chǎn)品質(zhì)量的目的。該鋼管水壓機(jī)設(shè)計(jì)能力為40 MN,鋼管長(zhǎng)度最大18300 mm;水壓試驗(yàn)壓力為5～58 MPa,可對(duì)20～56規(guī)格(Φ508～Φ1422)的直縫焊管進(jìn)行水壓試驗(yàn),是目前世界上同等規(guī)格水壓機(jī)中能力最大機(jī)組[1-2]。

該水壓試驗(yàn)機(jī)包括鋼管上料、沖洗測(cè)長(zhǎng)、試壓、空水和出料等工序。試壓工序包括鋼管的夾緊提升、充排水頭(模具)移動(dòng)、密封、充水與排氣、增壓與平衡和卸荷等。其中,增壓與平衡是該工序的核心,也是整個(gè)水壓機(jī)的核心。增壓與平衡系統(tǒng)包括：機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度高,涵蓋了位置控制、制動(dòng)位置控制、速度控制、壓力控制和同步控制等,系統(tǒng)的維護(hù)、診斷和故障處理要求較高,難度較大。郭利中等[3]研究利用液壓數(shù)字伺服控制器對(duì)水壓機(jī)的增壓及壓力平衡進(jìn)行控制。李中祥[4]對(duì)水壓試驗(yàn)機(jī)增壓原理及增壓系統(tǒng)存在的主要故障及排查和解決方法進(jìn)行了研究。陸洋[5]對(duì)鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)在水壓試驗(yàn)初始階段頻繁出現(xiàn)油水平衡系統(tǒng)油壓無(wú)法建立的問(wèn)題、油水平衡液壓原理及故障產(chǎn)生原因進(jìn)行研究分析。

本研究從壓力平衡異常時(shí)的單向閥磨損、壓力參數(shù)設(shè)定、增壓比例閥異常、電氣控制器接觸異常等方面,綜合分析了水壓機(jī)增壓異常的原因,并提出了針對(duì)性優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 增壓過(guò)程和壓力平衡過(guò)程

鋼管水壓試驗(yàn)時(shí),水壓機(jī)增壓及平衡原理如圖1所示。鋼管1放置在充水頭2(固定式)和排水頭3(位置移動(dòng)式)之間,鋼管內(nèi)注入乳化液(或水),增壓裝置4使管內(nèi)水壓力不斷升高,與排水頭連接的平衡裝置5對(duì)鋼管內(nèi)的水壓進(jìn)行力平衡[3-4];達(dá)到工藝要求的水壓并保壓合格后,管內(nèi)水壓通過(guò)卸荷裝置6進(jìn)行泄壓,同樣平衡裝置5對(duì)鋼管內(nèi)的水壓再進(jìn)行力平衡。增壓平衡和卸荷平衡過(guò)程通過(guò)控制裝置7完成,壓力變送器8和9分別檢測(cè)鋼管內(nèi)水壓壓力和平衡裝置內(nèi)的液壓壓力。

1.鋼管 2.充水頭 3.排水頭 4.增壓裝置 5.平衡裝置 6.卸荷裝置 7.控制裝置 8、9.壓力變送器

壓力增加的實(shí)現(xiàn)：鋼管水壓試驗(yàn)時(shí),管內(nèi)液體增壓的實(shí)現(xiàn)有多種途徑,比較常見(jiàn)的是液壓控制的增壓缸增壓和高壓水泵直接增壓的泵注水增壓[6-7]。本水壓機(jī)采用的是增壓缸增壓,即液壓控制的液壓缸和液壓缸活塞桿連接的水系統(tǒng)組成。增壓系統(tǒng)的核心元器件是兩個(gè)280/200-800規(guī)格(油缸缸筒內(nèi)徑280 mm、油缸活塞桿直徑200 mm、油缸行程800 mm)的增壓缸及兩套比例閥;兩個(gè)增壓缸連續(xù)往復(fù)動(dòng)作,活塞桿接通水系統(tǒng),系統(tǒng)中還配置有吸水單向閥和壓水單向閥,試壓完成后還需設(shè)有泄壓閥,為了保證泄壓動(dòng)作的平穩(wěn),泄壓閥是由比例閥所控制的液壓缸來(lái)推動(dòng)。

壓力平衡的實(shí)現(xiàn)：平衡系統(tǒng)的動(dòng)力為液壓源,平衡缸是4個(gè)缸徑680 mm、行程3000 mm的柱塞缸,每個(gè)柱塞缸可產(chǎn)生最大約10000 kN的推力,以平衡鋼管試壓時(shí)產(chǎn)生的軸向力,平衡缸是由高頻響比例閥控制;在采用端面密封進(jìn)行試壓時(shí),為保證鋼管能壓緊在密封板上,平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的推力還應(yīng)略大于水壓產(chǎn)生的推力,最大約為2%。

鋼管內(nèi)壓力和平衡壓力的關(guān)系：

Fs=1.02×Ft

(1)

式中,Fs—— 平衡力

Ft—— 水壓力

依據(jù)式(1),得出：

ps×π×d2≈pt×π×D2×fx

(2)

進(jìn)一步簡(jiǎn)化后為：

ps≈pt×(D2/d2)×fx

(3)

式中,ps—— 平衡壓力

pt—— 試驗(yàn)壓力

D—— 鋼管外徑

d—— 平衡油缸直徑

fx—— 修正系數(shù),一般取1～1.02

考慮到試壓初始充水頭、排氣頭分別將鋼管兩端密封住后才開(kāi)始充水,而增壓系統(tǒng)尚未參與工作,為了平衡充水時(shí)的水壓力且將密封頂緊,需要平衡油缸有一定的初始推力pb,其數(shù)值可在操作界面進(jìn)行設(shè)定,大約為0.8～2 MPa。因而,依據(jù)式(3)得出試驗(yàn)壓力和平衡壓力關(guān)系式為：

ps≈pt×(D2/d2)×fx+pb

(4)

經(jīng)十多年的生產(chǎn)使用,該水壓機(jī)增壓-平衡使用基本正常,控制原理和功能精度都較好地得到驗(yàn)證,如圖2所示,水壓試驗(yàn)效果較好。

圖2 水壓機(jī)增壓-平衡驗(yàn)證

2 水壓機(jī)使用過(guò)程的典型故障及處理改進(jìn)

2.1 插裝單向閥磨損產(chǎn)生的增壓故障

1) 故障現(xiàn)象

2012年5月某日,水壓機(jī)在生產(chǎn)1422×32.1(鋼管外徑1422 mm,鋼管壁厚32.1 mm)規(guī)格鋼管時(shí), 發(fā)現(xiàn)水壓機(jī)增壓過(guò)程中增壓慢, 增壓時(shí)間長(zhǎng)且無(wú)法到達(dá)要求的保壓時(shí)間(要求：水壓壓力到要求的壓力23.1 MPa后,須持續(xù)保壓17 s, 實(shí)際只能保壓14 s)。

2) 結(jié)構(gòu)介紹

如圖3所示,該水壓機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在水壓試驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行鋼管內(nèi)分步驟充水、排氣、增壓、卸荷和排水等過(guò)程。存在8個(gè)密封點(diǎn)、泄漏點(diǎn)：充水端1個(gè)缸控排氣閥、1個(gè)比例缸控卸荷閥、充水端密封板;排氣端1個(gè)缸控小排氣閥、1個(gè)缸控大排氣閥、排氣端密封板;增壓閥臺(tái)內(nèi)泄漏點(diǎn)和大充水閥內(nèi)泄漏點(diǎn)。當(dāng)有一個(gè)密封點(diǎn)、泄漏點(diǎn)存在泄漏時(shí),增壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)增壓時(shí)間長(zhǎng)、增壓緩慢、壓力達(dá)不到設(shè)定值和增壓系統(tǒng)發(fā)熱等問(wèn)題[8-9]。

圖3 水壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3) 增壓過(guò)程

如圖4所示,1#比例閥控制1#增壓缸,向左動(dòng)作,增壓缸水腔內(nèi)乳化液被壓出,開(kāi)始增壓過(guò)程(a箭頭方向),此時(shí)50通徑插裝單向閥1受壓關(guān)閉,32通徑插裝單向閥2受壓打開(kāi),增壓缸內(nèi)高壓乳化液到鋼管中;與1#增壓缸開(kāi)始動(dòng)作的同時(shí),2#比例閥控制2#增壓缸開(kāi)始返回(向右動(dòng)作,b箭頭方向),此時(shí)50通徑插裝單向閥3受負(fù)壓打開(kāi),水系統(tǒng)的乳化液被吸入到增壓缸的水腔中,32通徑插裝單向閥4受壓關(guān)閉。2個(gè)比例閥和2個(gè)帶磁尺的增壓缸按照控制程序循環(huán)往復(fù),高壓乳化液被連續(xù)打到鋼管中,到達(dá)設(shè)定水壓壓力,完成增壓過(guò)程,也就是常說(shuō)的“雙打氣筒”增壓裝置。

圖4 增壓原理圖

當(dāng)2個(gè)增壓比例閥、增壓油缸出現(xiàn)故障如比例閥動(dòng)作慢、增壓缸泄漏、4個(gè)增壓?jiǎn)蜗虿逖b閥泄漏或者卡死時(shí),也同樣會(huì)出現(xiàn)增壓時(shí)間長(zhǎng)、增壓緩慢、達(dá)不到設(shè)定值和增壓系統(tǒng)發(fā)熱等問(wèn)題。當(dāng)增壓進(jìn)水系統(tǒng)的控制閥故障、過(guò)濾器堵塞時(shí),供向增壓缸的水流量不足也會(huì)出現(xiàn)增壓壓力故障。

4) 故障處理經(jīng)過(guò)

(1) 相關(guān)點(diǎn)檢及技術(shù)人員檢查操作畫面及控制程序后未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題;

(2) 檢查增壓過(guò)程中相關(guān)八處水系統(tǒng)可能泄漏點(diǎn),其中六處相關(guān)點(diǎn)無(wú)明顯滲漏,另兩處泄漏點(diǎn)因在設(shè)備內(nèi)部,無(wú)法目視檢查;

(3) 檢查增壓閥臺(tái)2個(gè)比例閥給定反饋曲線均正常;

(4) 檢查水系統(tǒng)的閥門、水壓力均正常;

(5) 修改充水時(shí)間設(shè)定,為避免排氣不足,延長(zhǎng)充水時(shí)間20 s,無(wú)效果;

(6) 水壓設(shè)定降低到20 MPa進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)2根鋼管,1根可以保壓到17 s,1根無(wú)法保壓到17 s,說(shuō)明試壓壓力越高,泄漏越大;

(7) 檢查另兩處無(wú)法目視的水相關(guān)泄漏點(diǎn),大充水閥無(wú)外泄漏,內(nèi)泄漏無(wú)手段檢查;

(8) 水壓增壓時(shí)檢查增壓閥臺(tái)4個(gè)插裝單向閥前的壓力表數(shù)值,發(fā)現(xiàn)水壓試驗(yàn)時(shí),該壓力表壓力異常,約為3.5～4.0 MPa,正常壓力應(yīng)為0.5～0.6 MPa。

據(jù)此初步判斷增壓閥臺(tái)處的4個(gè)插裝單向閥存在內(nèi)泄漏,增壓時(shí)高壓反串到低壓腔,導(dǎo)致增壓緩慢。當(dāng)緩慢增壓到設(shè)定壓力時(shí),為防止超壓,程序控制此時(shí)增壓要緩慢進(jìn)行,而單向閥內(nèi)泄漏導(dǎo)致保壓時(shí)間達(dá)不到設(shè)定要求或者根本無(wú)法達(dá)到設(shè)定壓力。

解體2個(gè)32通徑插裝單向閥,發(fā)現(xiàn)2個(gè)閥芯密封面磨損嚴(yán)重、1個(gè)閥芯復(fù)位彈簧斷裂,如圖5所示,導(dǎo)致高壓水反串到低壓進(jìn)水。

圖5 解體后的32通徑插裝單向閥

更換2個(gè)插裝單向閥整體備件(包括閥芯、閥套、復(fù)位彈簧及密封等)后試車,增壓異常的故障消除,恢復(fù)正常生產(chǎn)。此時(shí)增壓閥臺(tái)4個(gè)插裝單向閥前的壓力表數(shù)值約為0.5～0.6 MPa。

正常水壓曲線[10]和故障時(shí)的曲線相比較,如圖6所示：

圖6 水壓壓力曲線

(1) 增壓時(shí)間由約215 s降低到66 s,降低了149 s;

(2) 增壓壓力由達(dá)不到23.1 MPa或23.1 MPa只能保壓14 s,提高到23.1 MPa保壓21 s;

(3) 壓力曲線由拋物線升壓改善為線性升壓,增壓過(guò)程由原來(lái)的壓力越高增壓越慢變?yōu)樵鰤哼^(guò)程基本保持一致。

5) 反思及優(yōu)化改進(jìn)

(1) 故障后對(duì)乳化液進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：濃度偏低和PH值偏低。乳化液[11-12]按技術(shù)要求稀釋后濃度在2%～4%,但實(shí)際檢測(cè)不到2%;PH值稀釋后約9.5,實(shí)際檢測(cè)為6.8～7.2(懷疑和乳化液中進(jìn)入部分鐵屑有關(guān));

(2) 插裝單向閥密封面損壞原因是乳化液較臟、濃度過(guò)低、PH值異常導(dǎo)致插裝閥銹蝕,最終導(dǎo)致該起突發(fā)故障;

(3) 在圖4的增壓閥臺(tái)壓力表接口上并聯(lián)增加1個(gè)壓力傳感器,操作畫面顯示及報(bào)警(報(bào)警壓力初步設(shè)為1.2 MPa),只用于快速排查故障,不參與系統(tǒng)控制,如圖7所示。

圖7 加裝反串壓力傳感器

2.2 水壓壓力參數(shù)設(shè)定產(chǎn)生的增壓和壓力平衡故障

1) 故障現(xiàn)象

2018年1月某日,水壓機(jī)切換1016×13規(guī)格(鋼管外徑1016 mm,鋼管壁厚13 mm)后,自動(dòng)打壓過(guò)程中,操作臺(tái)上3#,4#平衡泵(為平衡油缸提供液壓動(dòng)力源)準(zhǔn)備信號(hào)燈(A61-H701)突閃,導(dǎo)致增壓自動(dòng)中斷,水壓機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增壓。在切換成半自動(dòng)增壓后,每根鋼管第一次增壓均異常：升壓慢、且保壓期間水壓有波動(dòng);但如果同一根鋼管進(jìn)行第二次增壓,則一切正常。PLC監(jiān)控記錄的同一根鋼管兩次增壓曲線如圖8所示。

圖8 同一根鋼管兩次打壓曲線記錄

圖8中“實(shí)際增壓值”即為控制裝置給出的水壓曲線,第一次增壓時(shí),1#增壓缸工作了4次、2#增壓缸工作了4.5次后增壓完成;而第二次增壓時(shí),2個(gè)增壓缸均只需工作2.5次就可以完成增壓。如同第一次增壓給第二次增壓做“鋪墊”。

2) 故障處理經(jīng)過(guò)

接報(bào)修,設(shè)備點(diǎn)檢人員及技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查處理：

(1) 首先懷疑由于此規(guī)格的水壓設(shè)定值很低(7.9 MPa),和液壓系統(tǒng)增壓時(shí)主泵壓力不匹配引起了平衡泵壓力波動(dòng),導(dǎo)致自動(dòng)增壓過(guò)程中斷,故電氣人員修改PLC控制程序,將增壓時(shí)主泵壓力給定值從90%降至70%,增壓時(shí)異常現(xiàn)象依舊;再次將主泵壓力給定值降至50%,異常照舊;判斷不是主泵壓力給定問(wèn)題;

(2) 分析PLC記錄的打壓波形,如圖8所示,發(fā)現(xiàn)在增壓過(guò)程中,平衡泵壓力會(huì)從30 MPa左右跌到9 MPa 左右,并持續(xù)約20 s,正是這個(gè)波動(dòng)導(dǎo)致了自動(dòng)增壓中斷;另外在升壓過(guò)程后期,控制裝置發(fā)給平衡油缸比例閥(A53-Y301)的給定值異常升高至8317 mV左右(正常情況下約2500 mV),懷疑比例閥故障,更換比例閥后,異常現(xiàn)象依舊;

(3) 對(duì)控制裝置實(shí)施停電重啟,異常現(xiàn)象還是依舊;

(4) 重新對(duì)程序記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)排水頭設(shè)定值為6000 mm,而實(shí)際值為5934.3 mm,較常規(guī)設(shè)定值和實(shí)際值的偏差(一般為20～25 mm左右)偏大,進(jìn)而懷疑水壓增壓過(guò)程中,和平衡油缸連接在一起的排水頭有異常移動(dòng),移動(dòng)方向是充水頭方向,進(jìn)而懷疑水壓增壓過(guò)程中,鋼管變短了;

(5) 立刻對(duì)已經(jīng)過(guò)試壓的鋼管進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)鋼管兩端各500 mm長(zhǎng)度內(nèi),管徑由1016 mm增大到了1055 mm,試壓后的鋼管,管徑變大,管長(zhǎng)變短,判斷水壓試驗(yàn)壓力值超出了原材料的屈服強(qiáng)度[13];

(6) 通知生產(chǎn)工藝技術(shù)人員重新計(jì)算該規(guī)格鋼管水壓試驗(yàn)壓力值,收到水壓值降到7.5 MPa的指令后,操作工修改HMI畫面設(shè)定值,水壓機(jī)恢復(fù)自動(dòng)增壓,增壓曲線見(jiàn)如圖9所示。

圖9 修改水壓實(shí)驗(yàn)值后壓力壓曲線記錄

3) 反思及優(yōu)化改進(jìn)

(1) 引起本次水壓機(jī)增壓異常原因是產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)錯(cuò)誤,原先下發(fā)的“工藝通知單”水壓設(shè)定值過(guò)大,導(dǎo)致作用在鋼管內(nèi)的水壓壓力超出了原材料的屈服強(qiáng)度;

(2) 這是典型的壓力平衡故障：鋼管在第一次增壓過(guò)程中,管內(nèi)水壓壓力超出鋼管材料的屈服強(qiáng)度,鋼管發(fā)生變形,外徑變大[13-14],鋼管截面變大導(dǎo)致管內(nèi)壓力下降,引起平衡油缸向前微動(dòng),平衡缸內(nèi)壓力下降;控制裝置為了保持壓力平衡,不斷加大平衡油缸比例閥的給定值,導(dǎo)致了平衡泵瞬間供油跟不上,壓力下跌,平衡泵“已準(zhǔn)備好”的信號(hào)丟失,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增壓。同時(shí)由于平衡油缸壓力無(wú)法快速跟上正常水壓上升速度,反過(guò)來(lái)影響了水壓升壓和保壓,使得增壓機(jī)增壓出現(xiàn)異常;

(3) 同一根鋼管在第二次增壓時(shí),由于管形已經(jīng)脹大,形變強(qiáng)化速度大于外徑脹大導(dǎo)致的應(yīng)力增大速度,同樣的水壓設(shè)定值不會(huì)再出現(xiàn)增壓過(guò)程中鋼管繼續(xù)脹大的現(xiàn)象,故第二次打壓正常;

(4) 以后生產(chǎn)中再遇到同樣的現(xiàn)象(平衡泵準(zhǔn)備燈閃、半自動(dòng)升壓速度慢、波形異常),應(yīng)重點(diǎn)查看PLC波形記錄中的排水頭設(shè)定值和實(shí)際值偏差是否異常,查看平衡油缸比例閥給定值和實(shí)際值是否異常升高,平衡油缸壓力是否存在輕微的下降。通過(guò)這些檢查能夠快速鎖定故障點(diǎn),減少產(chǎn)線停機(jī)時(shí)間。

2.3 增壓比例閥異常引起的增壓故障

1) 故障現(xiàn)象

2020年8月某日,水壓機(jī)操作人員報(bào)在生產(chǎn)1016×17.5(鋼管外徑1016 mm,鋼管壁厚17.5 mm)規(guī)格鋼管時(shí)異常,無(wú)法連續(xù)生產(chǎn),有時(shí)可正常增壓,有時(shí)無(wú)法增壓,有時(shí)無(wú)法保壓。設(shè)備機(jī)電維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)查看HMI畫面,無(wú)任何報(bào)警信息,隨對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行排查分析。

2) 故障處理經(jīng)過(guò)

(1) 檢查操作畫面及控制程序后未發(fā)現(xiàn)任何報(bào)警信息,檢查增壓過(guò)程中無(wú)明顯水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)有外泄漏點(diǎn);

(2) 查看PLC內(nèi)部控制數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)增壓閥臺(tái)1#增壓缸比例閥給定反饋跟隨不同步;

(3) 更換1#增壓缸比例閥(修復(fù)件),更換后故障依舊,并顯示新更換的比例閥給定9 V;

(4) 對(duì)將新?lián)Q的比例閥及剛下機(jī)的比例閥送修復(fù)單位試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯異常;

(5) 再次更換最初的1#增壓缸比例閥,試車正常生產(chǎn)7根后再次出現(xiàn)無(wú)法保壓,顯示1#增壓缸比例閥給定反饋跟隨不同步[15];

(6) 檢查1#比例閥上各插頭,發(fā)現(xiàn)該比例閥的先導(dǎo)閥和主閥的接線插頭固定螺絲松,如圖10中線圈1,插頭可輕微再插下,按緊該插頭后,可連續(xù)生產(chǎn)5根,用扎帶扎緊后正常生產(chǎn)20根后,又出現(xiàn)不增壓現(xiàn)象。查看1#增壓缸比例閥給定反饋跟隨不同步,數(shù)值相差較大給定9 V,反饋5～6 V,同時(shí)發(fā)現(xiàn)比例閥上的疊加換向閥插頭有瞬間“閃滅”;

圖10 1#增壓比例閥接線插頭異常

(7) 解體該插頭,圖10中線圈2,發(fā)現(xiàn)插頭內(nèi)部有異常,內(nèi)部有油污、塑料件老化碎裂、接線裸露等。更換該插頭及插頭到端子箱的控制線,試車后生產(chǎn)正常,1#增壓缸比例閥給定反饋跟隨同步。

由圖4的增壓原理圖及圖11的增壓控制簡(jiǎn)圖可知1#,2#增壓缸采用相同控制系統(tǒng),其中比例閥型號(hào)為4WRTE 32 600L-4X/6EG24K31/A1 W-B15M, 該閥為外控外泄先導(dǎo)式高頻響比例換向閥,在該比例閥的先導(dǎo)閥和主閥之間,有一個(gè)疊加換向閥,其作用是主閥對(duì)中,當(dāng)正常生產(chǎn)時(shí)處于常得電狀態(tài);如果異常閃斷,主閥芯跟隨中斷,閥芯反饋就滯后,監(jiān)控程序中比例閥的給定和反饋差異較大。而該比例閥的先導(dǎo)閥和主閥的接線插頭接觸不良,會(huì)出現(xiàn)閥不受控現(xiàn)象[16]。這也解釋了為什么增壓系統(tǒng)有時(shí)正常,有時(shí)異常;解釋了更換下來(lái)的比例閥在專業(yè)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試正常,而安裝到位后偶爾出現(xiàn)異常的原因。

1.增壓缸 2.比例閥主閥 3.比例閥先導(dǎo)閥 4.疊加換向閥 5.增壓安全閥

3) 反思及優(yōu)化改進(jìn)

(1) 增壓閥臺(tái)增壓過(guò)程有一定的振動(dòng),比例閥自帶插頭或外部控制插頭存在松動(dòng)可能,松動(dòng)導(dǎo)致的接觸不良而產(chǎn)生的設(shè)備故障排查有一定難度。而且該增壓比例閥插頭水平安裝,更易松動(dòng),故障排查和判斷時(shí)間較長(zhǎng);

(2) 水壓機(jī)設(shè)備控制閥插頭、信號(hào)接頭等長(zhǎng)期在乳化液的水汽環(huán)境中運(yùn)行,插頭內(nèi)部老化、腐蝕較嚴(yán)重,接頭內(nèi)部可能存在短路。后續(xù)對(duì)水壓機(jī)等有水區(qū)域類似控制閥插頭進(jìn)行全部更換,所有重要比例閥全部增加反饋信號(hào)到控制系統(tǒng),以快速判斷比例閥是否異常,縮短停機(jī)時(shí)間;

(3) 更換異常的比例閥元件后,仍出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的設(shè)備異常,可考慮從比例閥的外部控制系統(tǒng)中排查分析。

2.4 接觸器接觸不良產(chǎn)生的增壓異常故障

1) 故障現(xiàn)象

2018年1月某日,水壓機(jī)生產(chǎn)1016×15.3規(guī)格鋼管(鋼管外徑1016 mm,鋼管壁厚15.3 mm),鋼管快速充水注滿后突然不增壓,水壓機(jī)操作人員報(bào)無(wú)法增壓,HMI操作畫面無(wú)任何報(bào)警信息。設(shè)備機(jī)電維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)查看監(jiān)控波形(如圖12所示),發(fā)現(xiàn)兩個(gè)增壓缸都有增壓動(dòng)作,但檢測(cè)鋼管內(nèi)水壓壓力的壓力變送器(圖4中件號(hào)8)壓力值始終為0.3 MPa,檢測(cè)平衡油缸內(nèi)液壓壓力的壓力變送器(圖4中件號(hào)9)壓力值為2.2 MPa,為排查是水壓壓力信號(hào)導(dǎo)致的液壓壓力不跟隨,還是液壓壓力信號(hào)導(dǎo)致的壓力不平衡,機(jī)電維護(hù)人員進(jìn)行了詳細(xì)分析。

圖12 不增壓故障時(shí)的波形圖

2) 故障處理經(jīng)過(guò)

(1) 按照以前的經(jīng)驗(yàn),首先檢查水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)有無(wú)外泄漏,目測(cè)均無(wú)明顯外泄漏;

(2) 檢查增壓油缸比例閥給定和反饋值,確定增壓比例閥及增壓缸動(dòng)作正常;

(3) 檢查平衡油缸平衡比例閥給定和反饋值,均正常跟隨;

(4) 檢查圖13中增壓進(jìn)水閥線圈,通電正常;

圖13 增壓進(jìn)水閥

(5) 更換增壓進(jìn)水閥后的水過(guò)濾器濾芯,當(dāng)更換完畢送電試車時(shí),機(jī)電維護(hù)人員未聽(tīng)到增壓進(jìn)水閥通電打開(kāi)時(shí)的水流撞擊聲,但增壓進(jìn)水閥的線圈指示燈常亮。拆開(kāi)水過(guò)濾器出口連接法蘭,線圈指示燈亮狀態(tài)下無(wú)水流出;

(6) 機(jī)電維護(hù)人員排查該進(jìn)水電磁閥PLC輸出狀態(tài)A185.2常“1”且A52-K902繼電器得電(狀態(tài)燈亮),進(jìn)一步檢查：A52-K902繼電器(如圖14所示)通電后其常開(kāi)觸點(diǎn)接觸不良未閉合[17],導(dǎo)致進(jìn)水電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài),沒(méi)有低壓水進(jìn)入增壓系統(tǒng)中。因無(wú)增壓介質(zhì)進(jìn)入,雖然兩個(gè)增壓缸在循環(huán)動(dòng)作,但都是管道存水及空氣抽吸壓縮,無(wú)法完成增壓;

圖14 繼電器未閉合

(7) 更換該接觸器后,恢復(fù)正常水壓生產(chǎn)。圧力曲線如圖15所示。

圖15 正常生產(chǎn)時(shí)的波形圖

3) 反思及優(yōu)化改進(jìn)

(1) 該故障是電氣接觸不良導(dǎo)致的增壓異常故障,在故障判斷初期,較難確定是增壓水系統(tǒng)的原因還是液壓跟隨的原因。但圖7的優(yōu)化改進(jìn)“加裝反串壓力傳感器”后,可以快速判斷：增壓進(jìn)水閥到增壓閥臺(tái)后, 進(jìn)入增壓插裝閥前的壓力一般為0.5～0.6 MPa,當(dāng)壓力低于0.2 MPa時(shí),一般為過(guò)濾器堵塞;當(dāng)壓力為0時(shí),一般為增壓進(jìn)水閥未打開(kāi);當(dāng)壓力高于0.8～1.2 MPa 時(shí),一般為增壓插裝閥內(nèi)泄漏,高壓水反串;

(2) 2021年1月也曾發(fā)生過(guò)圖16中充水頭1到壓力變送器8之間的管道內(nèi)乳化液冰凍住后,壓力變送器8的數(shù)值不變化而引起無(wú)法增壓故障,故障根本原因也是水壓值不變化而引起壓力平衡不跟隨。故障的分析和判斷排查也耗費(fèi)了一定時(shí)間。采取的對(duì)應(yīng)措施除該管道用防凍保護(hù)外,也要求零下低溫天氣,水壓機(jī)待料期間,持續(xù)充水增壓保證乳化液流動(dòng)不凍結(jié)。

圖16 凍結(jié)水管

3 結(jié)論

該鋼管水壓機(jī)設(shè)備投用已15年, 設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜,且常年處于有油、有水、高壓和振動(dòng)環(huán)境中,設(shè)備出現(xiàn)磨損、老化、銹蝕等, 設(shè)備異常及故障也容易發(fā)生。但無(wú)論是機(jī)械液壓、電氣元件、工藝參數(shù)設(shè)定,還是異常天氣引起的故障,我們依據(jù)設(shè)備增壓、壓力平衡關(guān)系、設(shè)備原理圖、監(jiān)控波形圖進(jìn)行分析,都最終得到了解決;并針對(duì)性的在增壓閥臺(tái)增加一個(gè)高壓水反串壓力傳感器以快速準(zhǔn)確判斷水系統(tǒng)增壓故障;所有重要比例閥全部增加反饋信號(hào)以準(zhǔn)確判斷液壓系統(tǒng)增壓故障;增加監(jiān)控波形如位置、電流等波形圖,對(duì)重要水系統(tǒng)(乳化液)管路防凍結(jié)等優(yōu)化措施,以快速鎖定故障點(diǎn);以上優(yōu)化改進(jìn)措施都達(dá)到了減少故障處理時(shí)間,保障產(chǎn)線順行的目的。