JP2011017715A - 鋼管の水圧試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メインパッキンの損耗を軽減する鋼管の水圧試験装置を提供する。
【解決手段】鋼管内部に圧力水を充満させ、油圧シリンダ２で外側から加圧保持する鋼管Ｔの水圧試験装置であり、鋼管内の水圧Ｐ_１を検出する圧力検出器３を設け、その圧力信号により弁装置4aを介して、油圧シリンダ内の油圧Ｐ_２を、Ｐ_１×Ａ_１／Ａ_２（ここで、Ａ_１：鋼管の断面積、Ａ_２：油圧シリンダのラムの断面積）と等しくなるように、相応の作動油を油圧シリンダ２内に送り込むフィードバックシステムを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、中径スパイラル鋼管などの溶接鋼管、油井管等の鋼管の製造工程における水圧試験装置に関する。

中径スパイラル鋼管などの溶接鋼管は、製造工程の終盤において、耐圧試験を実施して性能を確認する。一般には両端をヘッドストック、テールストックで挟持して内部に水を充満させ、所定時間加圧保持して、圧力変動がない、すなわち水漏れがないことで良否を判定する。
水圧試験装置の構成を図３の概念図により説明する。１はテストパイプＴの一端を保持するヘッドストック、11は図示しない水圧源からヘッドストック１の内部に送り込まれた圧力水を封止するための締め切り弁、12はテストパイプＴを保持するホルダ、13はシール部分のメインパッキン、２は水圧に対する反力としてヘッドストック１を外側から押圧するメインシリンダ（油圧シリンダ）、21はそのラム、４は図示しない油圧源からの油を封止する遮断弁である。ヘッドストック１の内部に封止した圧力水は、油圧を用いた図示しない増圧機構により所望の圧力に増圧する。なお、実際の水圧試験装置ではテストパイプＴの反対側にこれとほぼ同様の構成で逆向きのテールストックが設けられ、テストパイプＴの長さが大きいことから油圧ポンプを含めた油圧機器は別個のものが設置されるのが普通である。以下、ヘッドストック１を例にして説明を進める。

検査時の力のバランスは、ヘッドストック１の内部に封じ込められた水圧をＰ_１、テストパイプＴの断面積をＡ_１とすれば、図３においてヘッドストック１に作用する左向きの推力Ｆ_１は、
Ｆ_１＝Ａ_１×Ｐ_１ ・・・（１）
である。一方、ラム21の断面積をＡ_２、メインシリンダ内の油圧をＰ_２とすれば、同じく図３において右向きの押力Ｆ_２は、
Ｆ_２＝Ａ_２×Ｐ_２ ・・・（２）
であり、Ｐ_２を調整することにより、
Ｆ_１＝Ｆ_２ ・・・（３）
となったときバランスが保たれる。

しかしメインシリンダ２における油圧Ｐ_２が高圧、大面積であるため、作動油が圧縮され、わずかながらヘッドストック１が移動してメインパッキン13のシール面にすべりが発生する。作動油自身もわずかながら圧縮性であり、さらに作動油中に溶け込んだ空気や作動時の混入空気などによって若干の圧縮性を示すのである。
図４は管径毎の試験圧力（Ｐ_２、単位ＭPa）とプレッシングロード（前記のＡ_１、単位ｋＮ）との関係を示すグラフで、２６^Ｂ、２４^Ｂ・・・はテストパイプの管径（外径）を示す。

中径スパイラル鋼管に限ったことではないが、鋼管には同じ管径に対して圧力などの使用条件に応じてさまざまな板厚のものが必要である。ところで、試験圧力Ｐ_１はつぎの式によって与えられる。
Ｐ_１＝２×σ_ｙ×0.95×ｔ／Ｄ×1000 ・・・（４）
ただしσ_ｙは鋼管の材料の降伏点（ｋｇ/ｍｍ^２）、ｔは管の板厚、Ｄは管の外径（いずれもｍｍ）である。

したがって、管径が同じであっても板厚によって試験圧力を変えねばならない。すなわち図４において、従来、斜線で示した試験圧力34.3ＭPa、プレッシングロード6860ｋＮまでの範囲で使用していた水圧試験装置を、板厚の大きいものを製造することに対応して試験圧力、プレッシングロードともにアップしなければならなくなる。例えば図４でＡ印で示した油井管用２６^Ｂ板厚21.0ｍｍのものは試験圧力において28.2ＭPa、プレッシングロードは9659ｋＮが必要である。またＢ印で示した油井管用12.75^Ｂ板厚15.9ｍｍのものは試験圧力において49ＭPaを必要とする。水圧、油圧系のポンプ、バルブ等の圧力対応もさることながら、試験圧力を高めることによって前記のメインパッキン部分におけるすべりが増加し、シールパッキンの寿命が低下するという問題点が発生する。

作動油の圧縮によるヘッドストック１の移動量Δｈを計算で求めてみる。
Δｈ＝Ｆ_１×ｈ×β／Ａ_２ ・・・（５）
βは油の圧縮率で、圧力の変化に対する単位体積当たりの容積変化である。
まず水圧による推力Ｆ_１は、（１）式でＰ_１＝34.3ＭPaと２６^Ｂの鋼管の断面積Ａ_１を代入すると、Ｆ_１＝6860ｋＮとなる。よってストロークｈ＝300ｃｍ、油の圧縮率β＝6.8×10^−５（ｃｍ^２／ｋｇ）、メインシリンダのラムの径を65ｃｍとして（５）式で計算すると、Δｈ＝4.3ｃｍ、すなわち43ｍｍとなる。ところが他の条件を変えずにＦ_１のみを9800ｋＮとすると、Δｈは61ｍｍとなる。つまりメインパッキン位置における移動量が約50％増加する。

図５はメインパッキン13の一例を示すヘッドストックの部分断面図である。矢印の方向に水圧が作用するものとすると、ＦＥＭ解析によれば符号Ｃで示した反圧力側に応力が集中するが、実際の操業においてもこの部分に破損が発生している。材質はウレタンゴムなどの合成ゴムであるが、例えば２６^Ｂ鋼管であればパッキンも内径が683ｍｍ、外径が813ｍｍ、幅が78ｍｍというように寸法が非常に大きいこと、作用する圧力が高いことなどからきわめて厳しい設計条件のパッキンであり、損耗が激しいとメンテナンスコストにも大きく影響する問題部分である。

本発明は、溶接鋼管、油井管等の鋼管の製造において、特に試験圧力を向上させた場合にヘッドストック、テールストックの移動を抑制し、メインパッキンの損耗を軽減して寿命を延長することのできる溶接鋼管、油井管等の鋼管の水圧試験装置を実現することを目的とする。

本発明は、溶接鋼管、油井管等の鋼管の両端をヘッドストック（１）、テールストックで挟持して、該ヘッドストック（１）およびテールストックと前記テストパイプの外周面とにパッキンを介在させてシールを形成し、内部に水を充満させ、外側から油圧シリンダ（２）で押圧するとともに増圧機構（７）により前記鋼管内を所定時間加圧保持して該鋼管の内部圧力変動を検出する鋼管の水圧試験装置において、前記鋼管内部の水圧を検出する圧力検出器（３）と、この圧力検出器（３）の圧力信号により相応の作動油を前記油圧シリンダ（２）内に送り込む弁装置（4a）とを有し、前記油圧シリンダ（２）内の油圧Ｐ_２が前記圧力検出器（３）により検出される水圧Ｐ_１に対し、次（６）式
Ｐ_２＝Ｐ_１×Ａ_１／Ａ_２ ‥‥（６）
（ここで、Ｐ_２：油圧シリンダ内の油圧、Ｐ_１：水圧、Ａ_１：鋼管の断面積、Ａ_２：油圧シリンダのラムの断面積）
を満足するように前記弁装置（4a）を制御する、フィードバックシステムを備えたことを特徴とする鋼管の水圧試験装置。

本発明によればパッキン部分のヘッドの移動量が10分の1以下に激減し、メインパッキンの寿命もこれまでの５倍以上に延長され、パッキンそのもののコストが削減されると同時にパッキン交換に伴う設備停止、取替え工数などが削減されて生産性が大きく向上するという、すぐれた効果を奏する。

本発明の実施例の構成を示す概念図である。 本発明の実施例におけるヘッドストックとメインシリンダの一部を示す部分正面図である。 本発明に係わる水圧試験装置の構成を示す概念図である。 管径毎の試験圧力とプレッシングロードとの関係を示すグラフである。 本発明に係わるヘッドストックの部分断面図である。

本発明においては、溶接鋼管、油井管等の鋼管内部の水圧を検出する圧力検出器と、この圧力検出器の圧力信号により相応の作動油を前記油圧シリンダ内に送り込む弁装置とを有するフィードバックシステムを備えることによって、油圧シリンダ内の油柱が反力によって圧縮されようとしたとき、これを押し返すように油圧シリンダ内に作動油を送り込むことによってテストパイプとメインパッキンとのずれを抑制するので、メインパッキンの損傷を防止することができる。

本発明の実施例を図１により説明する。各符号はこれまでと同じものを使用する他、３は圧力検出器、4aは比例電磁弁、５は油圧ポンプである。この実施例では、ヘッドストック１内の、すなわちテストパイプＴ内の水圧を検出する圧力検出器３と、その圧力信号により相応の作動油をメインシリンダ２（油圧シリンダ）内に送り込む比例電磁弁4a（弁装置）とを有するフィードバックシステムを備えている。

例えば前記の２６^Ｂの鋼管の場合、（５）式でＦ_１を9800ｋＮとすると、ヘッドストックの移動量Δｈは61ｍｍであるが、このときのメインシリンダ内の作動油の体積の縮小量は約21リットルである。テストパイプＴ内の水圧が約で15秒間で上昇するものとすると、15秒間で約21リットル、すなわち毎分で21×60／15＝84リットル以上の吐出量を有する油圧ポンプを使用し、メインシリンダ２内の油圧Ｐ_２を、検出された水圧Ｐ_１に対して前記（１）、（２）、（３）式から導かれる
Ｐ_２＝Ｐ_１×Ａ_１／Ａ_２ ・・・（６）
となるよう、比例電磁弁4aを制御すれば、圧縮された体積に相当する作動油がメインシリンダ内に供給されるので、ヘッドストックの移動量Δｈをほぼ０とすることができる。

図２は、ヘッドストック１とメインシリンダ２の一部を示す部分正面図で、６はヘッドストック１とメインシリンダ２との間の相対移動量（前記のΔｈ）を検出するために設けたワイヤ式のリニアスケール（移動量検出手段）である。両者が接近するとワイヤがリールに巻き取られ、離反するとくり出され、リールの回転量により移動量を検出する。これを設けることにより、実際のずれが発生していないかどうか監視することができる。リニアスケール６は、ヘッドストック、テールストックそれぞれに設ける。

１ ヘッドストック
２ メインシリンダ（油圧シリンダ）
３ 圧力検出器
４ 遮断弁
4a 比例電磁弁（弁装置）
５ 油圧ポンプ
６ リニアスケール（移動量検出手段）
７ 増圧機構
11 締め切り弁
12 ホルダ
13 メインパッキン
21 ラム
Ｔ テストパイプ

Claims (1)

1. 鋼管の両端をヘッドストック（１）、テールストックで挟持して、該ヘッドストック（１）およびテールストックと前記鋼管の外周面とにパッキンを介在させてシール部分を形成し、内部に水を充満させ、外側から油圧シリンダ（２）で押圧するとともに増圧機構（７）により前記鋼管内を所定時間加圧保持して該鋼管の内部圧力変動を検出する鋼管の水圧試験装置において、前記鋼管内部の水圧を検出する圧力検出器（３）と、この圧力検出器（３）の圧力信号により相応の作動油を前記油圧シリンダ（２）内に送り込む弁装置（4a）とを有し、前記油圧シリンダ（２）内の油圧Ｐ_２が前記圧力検出器（３）により検出される水圧Ｐ_１に対し、下記（６）式を満足するように前記弁装置（4a）を制御する、フィードバックシステムを備えたことを特徴とする鋼管の水圧試験装置。
   Ｐ_２＝Ｐ_１×Ａ_１／Ａ_２ ‥‥（６）
   ここで、Ｐ_２：油圧シリンダ内の油圧、Ｐ_１：水圧、
   Ａ_１：鋼管の断面積、Ａ_２：油圧シリンダのラムの断面積

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