一種高溫承壓環(huán)境下金屬纏繞墊片密封性能測(cè)試裝置

付 強(qiáng)，王御龍，張 為，姚丙南，楊 彬

(1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130052；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022；3.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

目前，在高溫承壓的嚴(yán)苛環(huán)境下，金屬纏繞墊片的應(yīng)用非常廣泛，因此，對(duì)金屬纏繞墊片的密封性能進(jìn)行研究十分重要[1-4]。相比于常溫工況，高溫工況下的法蘭螺栓墊片密封系統(tǒng)隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，金屬纏繞墊片更容易發(fā)生金屬蠕變和壓縮回彈性能降低，產(chǎn)成泄漏現(xiàn)象，造成密封失效[5-8]。因此，利用高溫承壓環(huán)境下墊片密封性能測(cè)試裝置對(duì)法蘭螺栓墊片系統(tǒng)進(jìn)行高溫承壓環(huán)境下的密封性能研究具有重要的意義。

2 整體設(shè)計(jì)

高溫密封墊片性能測(cè)試裝置主要是利用墊片密封性能測(cè)試技術(shù)原理研制而成，能進(jìn)行高溫承壓環(huán)境墊片壓縮回彈性能試驗(yàn)和泄漏率試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中能實(shí)時(shí)觀測(cè)時(shí)間、力、變形及位移等相互之間的關(guān)系，具有測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、運(yùn)行安全穩(wěn)定和操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

高溫密封墊片性能測(cè)試裝置以壓力試驗(yàn)機(jī)主機(jī)為基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大的處理控制功能，主要由壓力試驗(yàn)機(jī)主機(jī)、溫控系統(tǒng)、供氣管路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等6個(gè)部分組成。該裝置能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和處理，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。高溫密封墊片性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

1、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng) 2、溫度傳感器 3、下法蘭壓板4、壓力傳感器 5、油源 6、壓力源 7、載荷傳感器8、密封空腔 9、上法蘭壓板 10、放氣管路及閥門(mén)11、閥門(mén) 12、標(biāo)準(zhǔn)容器 13、閥門(mén)14、緩沖罐 15、閥門(mén) 16、試驗(yàn)介質(zhì)圖1 高溫密封墊片性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 高溫密封墊片性能測(cè)試裝置實(shí)物圖

2.1 壓力試驗(yàn)機(jī)主機(jī)

該主機(jī)是一種功能先進(jìn)的試驗(yàn)儀器，主要包括由油缸、油缸活塞副、機(jī)座、支撐柱、上下固定梁、上下壓板組成的主機(jī)單元和由油泵電機(jī)、電液比例伺服閥、溢流閥、電氣拖動(dòng)部分組成的伺服液壓?jiǎn)卧?。伺服液壓?jiǎn)卧菧y(cè)試裝置的動(dòng)力部分，最大加載力為500kN，主要包括油泵電機(jī)、電液比例伺服閥、濾油器、溢流閥、電氣拖動(dòng)等部分。綜合計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、寬調(diào)速范圍比例伺服閥等先進(jìn)技術(shù)，組成全數(shù)字式閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化、精確測(cè)量與控制。該壓力試驗(yàn)機(jī)主機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 壓力試驗(yàn)機(jī)主機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)主要采用電阻盤(pán)中材質(zhì)為鐵鉻鋁合金的電加熱絲進(jìn)行加熱。電阻盤(pán)的材質(zhì)為95瓷，兩塊電阻盤(pán)通過(guò)熱傳遞的方式分別對(duì)上下壓板進(jìn)行加熱。電阻盤(pán)采用4圈加熱絲為上下壓板加熱，在提高了加熱效率的同時(shí)，保證了上下壓板加熱的均勻性。采用溫控表準(zhǔn)確控制溫度范圍，將K型鎧裝熱電偶水平插入上下壓板中，熱電偶尖端置于墊片邊緣處，保證了墊片溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。上下壓板周圍采用圓柱形隔熱屏進(jìn)行固定和保溫，隔熱屏采用304不銹鋼制成，隔熱屏與壓板之間填充保溫棉材料進(jìn)行保溫。最后將熱電偶采集到的溫度數(shù)值與試驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度數(shù)值比較，通過(guò)控制器控制可控硅實(shí)現(xiàn)裝置的升溫和停止。

2.3 供氣管路系統(tǒng)

整個(gè)供氣管路系統(tǒng)主要由高壓氣瓶、緩沖罐、標(biāo)準(zhǔn)容器、不銹鋼管路、304不銹鋼波紋管、減壓閥等組成，試驗(yàn)介質(zhì)采用純度為99.999%的氮?dú)猓鋲毫ψ罡呖蛇_(dá)10MPa。進(jìn)氣過(guò)程是試驗(yàn)介質(zhì)從高壓氣瓶流出，經(jīng)過(guò)耐高壓不銹鋼管路到達(dá)減壓閥處，手動(dòng)調(diào)節(jié)減壓閥達(dá)到試驗(yàn)需求后，通過(guò)不銹鋼波紋管，經(jīng)下壓板進(jìn)入密封空腔。密封空腔進(jìn)口處采用世偉洛克四通卡套接頭，其中一個(gè)接頭插入壓力變送器，采集密封空腔處的介質(zhì)壓力，一個(gè)接頭插入熱電偶，采集密封空腔處的介質(zhì)溫度，其余兩個(gè)接頭分別接不銹鋼波紋管管路和密封空腔。放氣閥位于上壓板處，采用截止閥控制密封空腔的放氣。

2.4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要由壓力測(cè)量單元、溫控單元、變形測(cè)量單元和墊片試驗(yàn)控制軟件組成，具體包括溫度傳感器、壓力變送器、電液比例伺服閥、控制器、溫控表、電流表、轉(zhuǎn)換器和集線器等。試驗(yàn)過(guò)程中，除墊片的更換過(guò)程及試驗(yàn)相關(guān)開(kāi)關(guān)之外，從試驗(yàn)選擇、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定到試驗(yàn)結(jié)果輸出，全部由試驗(yàn)控制軟件的程序控制。

(1)壓力測(cè)量單元。壓力測(cè)量單元主要包括墊片受力測(cè)量和介質(zhì)壓力測(cè)量?jī)刹糠?。墊片受力測(cè)量采用高精度輪輻式壓力傳感器對(duì)墊片受力進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和反饋，介質(zhì)壓力測(cè)量采用高精度壓力變送器對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和反饋。

(2)溫控單元。溫控單元采用高精度溫度傳感器，對(duì)密封空腔的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和反饋。電路串聯(lián)電流表，能夠?qū)﹄娂訜峤z的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與過(guò)載報(bào)警。溫度傳感器選用3支熱電偶，2支測(cè)量墊片上下端溫度，1支測(cè)量密封空腔內(nèi)部溫度。

(3)變形測(cè)量單元。2支高精度光柵位移傳感器對(duì)稱固定在引伸桿處，光柵位移傳感器發(fā)生位移時(shí)產(chǎn)生TTL信號(hào)，由控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)UT-861轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)試驗(yàn)控制軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及保存。光柵位移傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 光柵位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)

2.5 水冷系統(tǒng)

高溫試驗(yàn)中，上下壓板附近溫度較高，因此，設(shè)置水冷系統(tǒng)加快散熱速率，不僅能保證測(cè)試裝置安全運(yùn)行，而且為后續(xù)不同溫度試驗(yàn)節(jié)省降溫時(shí)間。上下壓板和上下壓板接頭等處安裝水嘴，水嘴與水嘴、水嘴與分流器之間采用牛筋軟管連接。引伸桿與壓板的連接采用焊接方式，引伸桿與水嘴的連接采用間隙配合方式。流量透視管與水排分流器之間采用螺紋連接，連接處纏生料帶增加密封性能。

3 測(cè)試試驗(yàn)

壓縮回彈性能是表征金屬纏繞墊片性能的一個(gè)重要參數(shù)，在墊片的分級(jí)制造及使用壽命上，壓縮回彈性能是一個(gè)重要依據(jù)。因此，墊片的壓縮回彈性能可以有效地填補(bǔ)法蘭密封面的不平整度，是形成初始密封的必要條件。本裝置選擇柔性石墨金屬纏繞墊片作為試驗(yàn)試樣，可實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)溫度、加載載荷和加卸載速度對(duì)墊片壓縮回彈性能影響的研究，探究不同工況因素對(duì)壓縮回彈性能的影響。

壓縮回彈性能測(cè)試的步驟是將壓力測(cè)量單元、溫控單元和變形測(cè)量單元等整合在一起，同時(shí)對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存運(yùn)算和圖形顯示。在軟件的壓縮回彈率界面可選擇手動(dòng)的方式計(jì)算墊片壓縮回彈率，或依據(jù)軟件默認(rèn)的自動(dòng)運(yùn)算方式進(jìn)行墊片壓縮回彈率的計(jì)算。具體測(cè)試步驟如下：

(1)試驗(yàn)開(kāi)始前，首先需確保電控柜側(cè)面電源撥至“NO”，控制臺(tái)電源開(kāi)關(guān)撥至“1”，此時(shí)電源處于開(kāi)啟狀態(tài)。冷水機(jī)按照實(shí)際試驗(yàn)需求選擇啟停，常溫試驗(yàn)不需要開(kāi)啟冷水機(jī)，高溫試驗(yàn)必須開(kāi)啟冷水機(jī)。電控柜加熱開(kāi)關(guān)按照實(shí)際試驗(yàn)需求選擇啟停，常溫試驗(yàn)無(wú)需開(kāi)啟加熱，高溫試驗(yàn)則需按下綠色加熱按鈕。

(2)試驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)自定義進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行保存，此時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)按鈕由灰色狀態(tài)變?yōu)榫G色可點(diǎn)擊狀態(tài)。點(diǎn)擊開(kāi)始試驗(yàn)按鈕，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始升溫，在達(dá)到規(guī)定值后進(jìn)行保溫并進(jìn)行試驗(yàn)力的加載。系統(tǒng)自動(dòng)加載到初始載荷，保載一段時(shí)間后進(jìn)行總載荷的加載，在達(dá)到總載荷要求后進(jìn)行保載過(guò)程，保載一段時(shí)間后試驗(yàn)力自動(dòng)卸載至初始載荷，至此壓縮回彈性能試驗(yàn)結(jié)束。

(3)最后將上壓板移動(dòng)到合適的位置，更換墊片，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本文介紹了高溫承壓密封墊片性能測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)壓力試驗(yàn)機(jī)主機(jī)、溫控系統(tǒng)、供氣管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本裝置可實(shí)現(xiàn)高溫條件下墊片密封性能的測(cè)試，對(duì)不同溫度、壓力等對(duì)墊片密封性能影響的理論分析和試驗(yàn)研究具有重要意義。