CN101655437A

CN101655437A - 密封垫片高温综合性能评价试验装置

Info

Publication number: CN101655437A
Application number: CN200910183432A
Authority: CN
Inventors: 黄星路; 邵春雷; 顾伯勤; 陈晔; 周剑锋; 孙振国; 刘麟; 李玉艳
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2029-09-21
Also published as: CN101655437B

Abstract

本发明的密封垫片高温综合性能评价试验装置由垫片加载系统、法兰抬升分离系统、垫片变形测量系统、加热与温度控制测量系统、冷却隔热系统、介质给定系统、介质密封及泄漏率测量系统和数据采集系统组成。本发明具有高参数、试验方便、试验机整体结构紧凑，占地面积小等优点、以低压区作为测漏腔，可提高测漏腔压力的测量精度，并可以有效地避免以高压区作为泄漏空腔而带来的管路泄漏问题，使垫片密封性能的测量更准确，法兰抬升分离系统可以解决高温试验垫片与法兰粘结分离困难的问题。

Description

密封垫片高温综合性能评价试验装置

技术领域

本发明涉及密封垫片高温综合性能评价试验装置，具体地说是一种采用新结构和高精度传感器测量垫片在高温下的包括垫片的高温压缩回弹性能、蠕变松弛性能以及密封性能在内的综合性能的密封垫片高温综合性能评价试验装置。

背景技术

螺栓法兰垫片密封广泛应用于过程工业的设备和管道连接中，垫片是影响连接密封性能的关键元件。流体的密封是通过法兰和垫片间的相互紧密接触，依靠垫片的弹塑性变形，减小或堵塞泄漏通道，以增加流动阻力来实现的。

近三十多年来，国内外对螺栓法兰连接结构的密封特性进行了较为全面研究。在此研究领域最富成果的就是对垫片性能的深入研究。早在1974年美国压力容器委员会(PVRC)的螺栓法兰连接分会(S/C ON BFC)开始了垫片常温性能的研究，对ASME锅炉和压力容器规范给出的垫片系数m、y进行评定。采用美国材料试验学会(ASTM)标准，对石棉垫和缠绕垫进行了常温氮气和水密封试验，研究垫片预紧应力和法兰表面光洁度对密封性能的影响，以及m、y与垫片宽度、预紧载荷、泄漏率和介质压力之间的相互关系。后来又提出了更为广泛的包括里程碑试验和工况试验的“垫片试验计划II”，作为提供更有效的规范设计参数和ASTM试验标准的基础。历时十多年的研究，PVRC对垫片室温性能有了较充分的了解，在试验基础上可预测各种预紧载荷和室温操作条件下垫片的密封性能。德国、奥地利等国亦相继开展了垫片常温性能及相应试验装备和测试技术的研究。与常温相比，高温工况下的密封失效问题更为突出。高温引起垫片的老化、失重、蠕变、松弛、密封性能下降，是导致整个法兰连接系统失效的主要原因。目前由于缺乏垫片高温性能数据，高温法兰连接设计尚是经验性的，无法对在役连接系统作出正确的安全评定。

1982年，垫片试验与高温连接性能研究小组(S/C ON GT&ETJB)启动了垫片高温性能研究计划，开始了一系列法兰垫片连接在高温循环载荷下密封性能的试验和分析工作。探讨了螺栓法兰垫片各个连接件的高温行为及连接的密封机理，研究了影响连接系统泄漏的因素及它们之间的关系并建立了一系列设计方法，使连接系统在高温工况下的泄漏率减至最小。

Bazergui，Marchand和Payne于1988年研制出了垫片热时效试验装置和热紧密性装置。可以分别做单试件的蠕变松弛试验和短期密封试验。他们模拟实际的操作工况，对热态垫片的特性进行了系统的试验研究。试验结果表明：温度和介质压力的共同作用使垫片的密封性能显著下降，高温下垫片产生蠕变和应力松弛，并且蠕变速度比常温快得多，从而降低了垫片紧密性。法国的Birembaut和Bravo在1988年试验研究了石棉橡胶垫片和石棉缠绕垫片的高温性能。试验结果表明：垫片压缩量随温度的增加而增加；垫片泄漏率随温度升高而急剧增大；室温下泄漏率随垫片预紧载荷的增大而减小。这一试验研究比较全面地揭示了垫片的力学性能和密封性能。PVRC的BFC分委员会与高温设计分委员会联合组成一个研究小组于1988年和1989年建立了垫片长期热态性能研究的试验装置，探讨了垫片应力、蠕变与松弛对系统紧密性的影响。1998年，L Marchand等人又研制了一套老化松弛夹具，可以对垫片材料进行长期老化，进一步研究垫片的长期热态性能。

国内南京工业大学朱洪生、顾伯勤等从1981年起对垫片的密封机理以及螺栓法兰连接系统的紧密性进行了广泛研究。研制了多功能全自动的垫片性能试验机和垫片高温性能试验装置，用于常温和高温时垫片材料性能试验。

尽管国内外对垫片常温和高温性能的研究经历了长期的发展，也出现过垫片高温性能的试验装置。但是以往的垫片高温性能试验装置存在功能分散、测试精度低、泄漏测试困难、测试方法落后等问题。尚未有能够在同一台试验装置上，采用低压区作为测漏腔，对密封垫片高温综合性能进行精确测试的装置。

通过对各种密封垫片的高温压缩回弹性能、蠕变松弛性能及密封性能进行测试，获取其相关性能参数，建立垫片高温性能数据库，这对高温螺栓法兰连接系统的设计以及在役连接系统的安全评定都具有重要意义。密封垫片高温综合性能评价试验装置是垫片高温性能研究和产品质量检验的理想设备。

综上所述，密封垫片高温综合性能的试验研究十分重要。研制功能完善、测试精度高、试验成本低廉的密封垫片高温综合性能评价试验装置具有深远意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有垫片密封试验装置功能分散、测试精度低及测试方法落后的缺点，提出新结构，使用高精度传感器，设计一套密封垫片高温综合性能评价试验装置。

本发明的技术方案是：

一种密封垫片高温综合性能评价试验装置，包括上法兰和下法兰，所述凸形的上法兰置于凹形的下法兰的凹台内，试验垫片加载在上法兰和下法兰之间，上法兰和下法兰设置在加热电炉的加热腔内，加热腔内设有热电偶，下法兰底部设有位移传感器下压板，上法兰上部设有位移传感器上压板，位移传感器上压板的两端各设有一个位移传感器；上法兰通过连接杆压板连接连接杆的一端，连接杆的另一端连接液压机头，液压机头下方设有拉压传感器；下法兰上设有介质出气管，介质出气管端口部设有温度传感器和微压传感器；上法兰下端面、下法兰上端面与试验垫片内圆所构成的空腔为密封腔，下法兰上设有连通密封腔的介质进气管，位移传感器下压板下方设有下隔热板和下垫板，位移传感器上压板与拉压传感器之间设有上隔热板；位移传感器下压板通过固定螺母和固定螺栓固定在工作台上；位移传感器、热电偶、温度传感器、微压传感器、拉压传感器和介质给定系统A的压力传感器的信号输出端连接数据采集系统B相应的信号采集端。

所述位移传感器下压板上设有位移传感器垫块，位移传感器垫块上设有位移传感器调节螺钉，位移传感器上压板上设有位移传感器支架，位移传感器支架上设有位移传感器夹具，位移传感器设置在位移传感器夹具上。

所述热电偶连接温度控制仪，温度控制仪连接数据采集系统B的加热腔温度采集端。

装置旁设有风机。

所述介质给定系统A由高压气瓶、定值器和密封腔组成，高压气瓶与介质进气管之间连接有定值器和压力传感器，定值器上设有氧气表和泄气阀。

所述上法兰外侧壁与下法兰内侧壁之间的间隙上方设有“Ω”形环状密封圈，“Ω”形环状密封圈、试验垫片外圆、上法兰下端面、下法兰上段面以及出气管间的密封空间组成测漏腔，介质进气管与测漏腔连通。

所述上法兰上设有内压环和内压垫，下法兰上设有外压环和外压垫，外压环和内压环通过沉头螺栓固定。

所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述位移传感器对称放置。

密封垫片高温综合性能评价试验装置包括8个主要部分：垫片加载系统、法兰抬升分离系统、垫片变形测量系统、加热与温度控制测量系统、冷却隔热系统、介质给定系统、介质密封及泄漏率测量系统、数据采集系统。试验垫片由加热与温度控制系统保证试验温度，垫片由加载系统预紧，其变形量由变形测量系统获得，试验介质从介质给定系统进入介质密封系统，部分介质从介质密封系统泄漏进入泄漏率测量系统，数据采集系统采集所有的测量信号，包括载荷、位移、温度、压力和压差信号。冷却隔热系统用于减少试验腔内热量流失，降低传感器的工作温度，保证传感器安全可靠运行。试验完成后可由法兰抬升分离系统自动将上法兰抬起，便于更换垫片。

垫片加载系统，该系统由液压机头、拉压传感器、上隔热板和上法兰组成，液压式万能试验机提供压力载荷并通过拉压传感器、上隔热板和上法兰将载荷传递至试验垫片；使用LFSX-20型拉压传感器测量所提供的最大载荷300kN，载荷测量精度为0.2％，能满足精确测量垫片压紧力的要求。

法兰抬升分离系统，该系统由液压机头、连接杆、连接杆压板、位移传感器下压板、下法兰、固定螺栓、固定螺母和工作台组成。连接杆和液压机头相连，连接杆压板和上法兰相连；位移传感器下压板和下法兰相连，通过固定螺栓和固定螺母使下法兰和液压机工作台相连；当液压机向上抬升时，液压机头和工作台互相远离，上法兰和下法兰即随之分离。

垫片变形测量系统，垫片变形测量系统由位移传感器、位移传感器垫块、位移传感器下压板、位移传感器上压板、位移传感器夹具、位移传感器调节螺钉、支架组成。采用两个对称放置的位移传感器来测量试验垫片位移，避免由于装置非对称组装带来的测试误差；两个位移位移传感器通过传感器上压板向外伸出，避免位移传感器距离加热与温度控制测量系统过近而超出位移传感器的使用温度范围；通过位移传感器夹具、位移传感器垫块和位移传感器调节螺钉可以方便地实现位移传感器位置的调节，使测量不受垫片厚度的影响。

加热与温度控制测量系统，该系统由加热电炉、热电偶和温度控制仪组成。电炉为对开式，方便装卸，试验温度可达600℃；加热温度和升温速度由精密温度控制仪控制，温度控制过程中，将热电偶测得的温度信号输入温度控制仪，与设定的试验温度进行比较，温度控制仪依据设定温度和实测温度的差值通过可控硅改变加热器电压，使实测温度与设定的试验温度相等。

冷却隔热系统，该系统由上隔热板、下隔热板和风机组成。隔热板为碳酸钙石棉板，具有较好的隔热性能，同时能够承受一定的载荷；隔热板阻断高温部件的传热，能够减少试验腔内的热量损失；通过风冷换热方法和隔热板的隔热措施，能够保证传感器的工作温度低于其能承受的极限温度。

介质给定系统，介质给定系统由高压气瓶、定值器和密封腔等组成。试验介质采用工业纯氮或空气，试验方便安全；介质经过定值器进入密封腔，保证试验介质压力稳定，试验压力为0～16MPa，能够模拟工程中的介质压力条件。定值器上装有两个压力表，可以方便读出氮气瓶出口压力和密封腔介质压力；定值器上装有泄气阀，试验完成后，密封腔内气体可由定值器上的泄气阀排出。

介质密封系统及泄漏率测量系统，介质密封系统由上法兰、下法兰、试验垫片、介质进气管组成。采用刚性较大的模拟法兰，使试验垫片在密封面上均匀受压，消除法兰变形对试验垫片性能的影响。泄漏率测量系统由上法兰、下法兰、试验垫片、“Ω”形环状密封圈、外压垫、内压垫、外压环、内压环、沉头螺栓、介质出气管、温度传感器、微压传感器组成。“Ω”形环状密封圈、试验垫片外圆、上法兰下端面、下法兰上端面以及出气管间的密封空间组成测漏腔，介质进气管与测漏腔连通；测漏空腔、初始容积V_C和容积变化系数K标定系统、微压传感器和温度传感器组成泄漏率测量系统，试验介质通过垫片漏入测漏空腔，引起空腔内气体状态的改变，采用微压传感器和温度传感器测定气体状态，如压力、温度的微小变化，由理想气体状态方程计算得到泄漏率；测漏空腔属于低压区，可提高测漏腔压力的测量精度，并可以有效地避免以高压区作为泄漏空腔而带来的管路泄漏问题，使测量更准确；泄漏率测量分辨率为1×10^-5cm³/s，泄漏率测量范围为1×10^-5cm³/s～1cm³/s；上法兰为“凸”形，下法兰为“凹”形，方便形成密封腔和环形测漏腔。

数据采集系统，该系统以微型计算机为核心，传感器将各种被测参数，如：垫片载荷、垫片位移、试验介质压力、环境温度、测漏空腔中的微压和温度，转换成模拟电压信号，通过放大器进行放大或衰减，并经A/D转换器转换成数字量，通过输入接口与计算机相连。试验过程中，数据采集系统根据不同试验内容对被测参数进行巡回检测、采集、储存。试验结果可以以数据、表格、曲线或拟合公式的形式通过外围设备，如打印机、绘图仪给出。

本发明成功设计了垫片加载系统、法兰抬升分离系统、位移测量系统、加热与温度控制系统、冷却隔热系统、介质给定系统、介质密封及泄漏率测量系统和数据采集系统，实现了对垫片高温压缩回弹、蠕变松弛及密封性能的测试。它具有如下优点：

(1)多功能。本装置能够对不同工况(温度、载荷、介质压力)下垫片压缩回弹性能、蠕变松弛性能和密封性能进行测试，能够同时满足工程测试和科学研究的需要。

(2)高参数。试验温度可达600℃，试验压力可达16MPa。

(3)以低压区作为测漏腔，可提高测漏腔压力的测量精度，并可以有效地避免以高压区作为泄漏空腔而带来的管路泄漏问题，使垫片密封性能的测量更准确。

(4)试验方便，法兰抬升分离系统可以解决高温试验垫片与法兰粘结分离困难的问题。

(5)试验机整体结构紧凑，占地面积小。零件的结构简单，加工方便，造价低廉。所选的传感器与数据采集系统精度高、质量好，能适应密封垫片高精度、长时间试验的要求。

附图说明

图1为本发明的密封垫片高温综合性能评价试验装置的总装结构示意图。

图2为本发明的垫片加载系统示意图。

图3为本发明的法兰抬升分离系统示意图。

图4为本发明的垫片变形测量系统示意图。

图5为本发明的加热与温度控制系统示意图。

图6为本发明的冷却隔热系统示意图。

图7为本发明的介质给定系统示意图

图8为本发明的介质密封及泄漏率测量系统示意图。

图9为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在应力等级70MPa、不同温度下的压缩回弹曲线图。

图10为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在应力等级70MPa、不同温度下的垫片蠕变曲线图。

图11为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在不同预紧应力、不同温度下的垫片蠕变曲线图。

图12为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在不同温度下的垫片松弛曲线图。

图13为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在同一预紧应力、不同温度下泄漏率与介质压力的关系曲线图。

图14为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在同一温度下泄漏率与介质压力的关系曲线图。

图中：1为液压机头，2为连接杆，3为上法兰，4为“Ω”形环状密封圈，5为加热电炉，6为试验垫片，7为下法兰，8为下隔热板，9为工作台，10为上隔热板，11为位移传感器，12为介质出气管，13为位移传感器垫块，14为介质进气管，15为固定螺母，16为下垫板，17为固定螺栓，18为连接杆压板，19为位移传感器下压板，20为位移传感器上压板，21为位移传感器夹具，22为位移传感器支架，23为位移传感器调节螺钉，24为加热腔，25为热电偶，26为温度控制仪，27为风机，28为高压气瓶，29为定值器，30为密封腔，31为外压环，32为外压垫，33为测漏腔，34为内压环，35为内压垫，36为沉头螺栓，37为温度传感器，38为微压传感器，39为拉压传感器，40为压力传感器，A为介质给定系统，B为数据采集系统。

具体实施方式

一种密封垫片高温综合性能评价试验装置，包括上法兰3和下法兰7，所述凸形的上法兰3置于凹形的下法兰7的凹台内，试验垫片6加载在上法兰3和下法兰7之间，上法兰3和下法兰7设置在加热电炉5的加热腔24内，加热腔24内设有热电偶25，下法兰7底部设有位移传感器下压板19，上法兰3上部设有位移传感器上压板20，位移传感器上压板20的两端各设有一个位移传感器11；上法兰3通过连接杆压板18连接连接杆2的一端，连接杆2的另一端连接液压机头1，液压机头1下方设有拉压传感器39；下法兰7上设有介质出气管12，介质出气管12端口部设有温度传感器37和微压传感器38；上法兰3下端面、下法兰7上端面与试验垫片6内圆所构成的空腔为密封腔30，下法兰7上设有连通密封腔30的介质进气管14，位移传感器下压板19下方设有下隔热板8和下垫板16，位移传感器上压板20与拉压传感器39之间设有上隔热板10；位移传感器下压板19通过固定螺母15和固定螺栓17固定在工作台9上；位移传感器11、热电偶25、温度传感器37、微压传感器38、拉压传感器39和介质给定系统A的压力传感器40的信号输出端连接数据采集系统B相应的信号采集端。

所述位移传感器下压板19上设有位移传感器垫块13，位移传感器垫块13上设有位移传感器调节螺钉23，位移传感器上压板20上设有位移传感器支架22，位移传感器支架22上设有位移传感器夹具21，位移传感器11设置在位移传感器夹具21上。

所述热电偶25连接温度控制仪26，温度控制仪26连接数据采集系统B的加热腔温度采集端。装置旁设有风机27。

所述介质给定系统A由高压气瓶28、定值器29和密封腔30组成，高压气瓶28与介质进气管14之间连接有定值器29和压力传感器40，定值器29上设有氧气表和泄气阀。

所述上法兰3外侧壁与下法兰7内侧壁之间的间隙上方设有“Ω”形环状密封圈4，“Ω”形环状密封圈4、试验垫片6外圆、上法兰3下端面、下法兰7上段面以及出气管间的密封空间组成测漏腔33，介质进气管14与测漏腔33连通。

所述上法兰3上设有内压环34和内压垫35，下法兰7上设有外压环31和外压垫32，外压环31和内压环34通过沉头螺栓36固定。

所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述位移传感器11对称放置。

如图1，所用传感器参数见表1。自行设计加工的零部件有：连接杆2、上法兰3、下法兰7、“Ω”形环状密封圈4、加热电炉5、下隔热板8、上隔热板10、位移传感器垫块13、下垫板16、固定螺栓17、连接杆压板18、位移传感器下压板19、位移传感器上压板20、位移传感器支架22、位移传感器调节螺钉23、外压环31和内压环34。

一、垫片加载及法兰抬升分离系统设计

如图2，垫片加载系统由液压式万能试验机提供压力载荷并通过上拉压传感器39、上隔热板10和上法兰3将载荷传递至试验垫片6。上隔热板10外径112mm，内径29mm，高50mm。连接杆2从其中间孔中穿过。上法兰3上部外径116mm，下部外径155mm，总高70mm，由于上法兰3下表面为密封面，要求同心圆磨且进行表面渗氮处理，表面粗糙度达到Ra1.6。法兰抬升分离系统的连接杆上部和液压机头1紧密连接，其长度为102mm，要保证当液压机头10压下时，连接杆2不受力，连接杆2仅用于试验完成后抬升上法兰3。M12的固定螺栓17长125mm，通过固定螺母15和位移传感器下压板19将下法兰7和工作台9相连。下法兰7上部外径198mm，下部外径162mm，总高83mm，由于下法兰7上表面为密封面，同样要求同心圆磨且进行表面渗氮处理，表面粗糙度达到Ra1.6。位移传感器下压板19厚10mm，中间部分为内径162mm的圆形，两边为宽50mm矩形，用于连接下法兰7和安装位移传感器垫块13。加载及法兰抬升分离系统结构如图3所示。

二、垫片变形测量系统的设计

本发明的垫片变形测量系统如图4所示。采用两个对称放置的位移传感器11来测量试验垫片6的位移，避免由于装置组装问题带来的测试误差。两个位移传感器11通过位移传感器上压板20向外伸出，可以避免位移传感器11距离加热系统过近而超出其使用温度限制。通过位移传感器支架22、位移传感器垫块13和位移传感器调节螺钉23可以方便地实现位移传感器位置的调节，使测量不受试验垫片6厚度的影响。位移传感器垫块13总高125mm，下端安装在位移传感器下压板19上，上端开有M6的螺纹孔用于安装位移传感器调节螺钉23。

三、加热与温度控制系统的设计

本发明的加热与温度控制系统如图5所示。加热装置为对开式加热电炉5，外径350mm，内径220mm，高115mm。电炉在介质进气管14和介质出气管12通过位置留有孔道，直径比管外径略大，加热保温时用石棉或玻璃纤维纸堵塞空隙，以减少热量损失，试验温度可达600℃。热电偶25从电炉5的孔道伸入加热腔24，测试腔内温度，并通过温度控制仪实时调控。

四、冷却隔热系统的设计

本发明的冷却隔热系统如图6所示。采用上隔热板10、下隔热8来隔开试验法兰和液压机的接触，避免液压机温度过高，采用风机27鼓入冷空气可进一步降低环境温度，使各传感器都在其允许温度范围内工作。

五、介质给定系统的设计

本发明的介质给定系统如图7所示。试验介质为氮气，高压气瓶28内氮气根据定值器29的设定值进入密封腔30，保证了试验系统的压力稳定。定值器29上有两个氧气表可以方便地读出高压气瓶28压力和定值器出口压力。并且在定值器29上改装了泄气阀，完成一次测量后通过泄气阀将密封腔30内的介质排入大气中。

六、密封及泄漏率测量系统的设计

本发明的密封及测漏系统如图8所示。为模拟垫片密封的真实工况，需要一个由法兰和垫片组成的充满高压介质的密闭腔体。本发明的上法兰3、下法兰7、试验垫片6、介质进气管14共同构成了密封腔30。工程上多以指标泄漏率作为评判密封性能的标准，本发明从工程实际出发，设计了便于测量泄漏率的测漏系统。测漏腔由上法兰3、下法兰7、试验垫片6、内压垫35、外压垫32、“Ω”形环状密封圈4、内压环34、外压环31和介质出气管12组成。本发明的下法兰7为“凹”形，上法兰3为“凸”形，直径略小，安装时嵌入下法兰7中，形成环形间隙。内压环34、外压环31将“Ω”形环状密封圈4压在下法兰7的上端面，“Ω”形环状密封圈4与上法兰3和下法兰7之间采用试验垫片6密封，形成了密闭的泄漏腔33。由于本结构中测漏腔33属于低压区，可提高测漏腔33压力的测量精度，并可以有效地降低以高压区作为测漏腔33带来的测漏腔33密封不严发生泄漏的问题。随着试验时间的延长和温度的升高，试验垫片6不断发生变形，“Ω”形环状密封圈4既可以保证测漏腔33的密封性，又可以补偿上法兰3、下法兰7之间的位移。介质从密封腔30泄漏进入测漏腔33，通过介质出气管12进入测量系统或者排空。本发明的测漏腔33设置有微压传感器38，可测出测漏腔33内气体压力的变化。依据理想气体状态方程可计算得出泄漏率。

七、数据采集系统的设计

本发明的数据采集系统所用传感器如表1所示，该系统用于采集垫片载荷、垫片位移、试验介质压力、环境温度、测漏空腔中的微压和温度变化量等参数，并在试验过程中根据不同试验内容对被测参数进行巡回检测、采集、储存。

表1传感器明细表

序号	名称	数量	规格	量程	精度	用途
序号	名称	数量	规格	量程	精度	用途	1	温度传感器	2	STTT-T	0～600℃	0.5％	测试件和介质温度
2	微压传感器	1	PTP503	0～1kPa	0.2％	测泄漏介质压力	1	温度传感器	2	STTT-T	0～600℃	0.5％	测试件和介质温度
2	微压传感器	1	PTP503	0～1kPa	0.2％	测泄漏介质压力	3	位移传感器	2	NS-WY02	±10mm	0.1％	测垫片位移
4	拉压传感器	1	LFSX-30	0～30t	0.2％	测垫片载荷	3	位移传感器	2	NS-WY02	±10mm	0.1％	测垫片位移
4	拉压传感器	1	LFSX-30	0～30t	0.2％	测垫片载荷	5	定值器	1	YQD-370	最大输入25MPa，最大输出16(MPa)	0.2％	控制密封腔压力
6	压力传感器	1	NS-F	0～20MPa	0.1％	测量密封腔压力	5	定值器	1	YQD-370	最大输入25MPa，最大输出16(MPa)	0.2％	控制密封腔压力

八、垫片高温综合性能试验的实施

运用该发明装置对密封垫片高温综合性能进行测试。对于垫片高温压缩回弹试验，先将装置组装完毕，然后设定试验温度，加热保温，接着对试验垫片6加载，采集垫片应力和位移，待达到最大载荷后，试验垫片6卸载，同时采集垫片应力和位移，储存试验结果。对于垫片蠕变试验，首先对垫片进行加载，达到最大载荷后保持垫片应力恒定，接着设定温度，对装置加热，达到规定温度后，保持温度恒定，采集试验垫片6位移和时间并存储试验结果。对于垫片松弛试验，首先对装置加热，达到规定温度后，保持温度恒定，然后对垫片进行加载，达到规定载荷后保持垫片应变恒定，采集垫片载荷和时间并存储试验结果。对于垫片高温密封试验，当试验垫片6加载至最大载荷后保持应力恒定，对装置加热至设定温度，保持温度恒定，接着充入试验介质，采集试验数据，测定泄漏率并储存试验结果。通过改变垫片载荷、介质压力和试验温度可对不同工况要求的垫片进行反复试验。

在本发明装置上对本研究室自行研制的柔性石墨波齿复合垫片进行了高温压缩回弹、蠕变松弛及密封性能试验。试验方案如表2所示。

表2试验方案

垫片种类	垫片尺寸	压缩回弹试验	蠕变试验	松弛试验	密封性能试验
垫片种类	垫片尺寸	压缩回弹试验	蠕变试验	松弛试验	密封性能试验	柔性石墨波齿复合垫片	φ65.5×φ50.5×2.5	S_K＝70；T＝20，300，400，500	S_K＝30，50，70；T＝20，150，300，400，500	S_K＝45；T＝300，400，500	S_K＝30，50，70；T＝20，300，500；P＝0.6，2.0，3.5，5.0

通过试验得到的柔性石墨波齿复合垫典型的压缩回弹、蠕变松弛及密封性能分别如图9、10、11、12、13、14的曲线所示。图9为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在应力等级70MPa、不同温度下的压缩回弹曲线图。图10为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在应力等级70MPa、不同温度下的垫片蠕变曲线图。图11为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在不同预紧应力、不同温度下的垫片蠕变曲线图。图12为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在不同温度下的垫片松弛曲线图。图13为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在同一预紧应力、不同温度下泄漏率与介质压力的关系曲线图。图14为通过本发明的装置试验得到的柔性石墨波齿复合垫在同一温度下泄漏率与介质压力的关系曲线图。

Claims

1、一种密封垫片高温综合性能评价试验装置，包括上法兰(3)和下法兰(7)，其特征是所述凸形的上法兰(3)置于凹形的下法兰(7)的凹台内，试验垫片(6)加载在上法兰(3)和下法兰(7)之间，上法兰(3)和下法兰(7)设置在加热电炉(5)的加热腔(24)内，加热腔(24)内设有热电偶(25)，下法兰(7)底部设有位移传感器下压板(19)，上法兰(3)上部设有位移传感器上压板(20)，位移传感器上压板(20)的两端各设有一个位移传感器(11)；上法兰(3)通过连接杆压板(18)连接连接杆(2)的一端，连接杆(2)的另一端连接液压机头(1)，液压机头(1)下方设有拉压传感器(39)；下法兰(7)上设有介质出气管(12)，介质出气管(12)端口部设有温度传感器(37)和微压传感器(38)；上法兰(3)下端面、下法兰(7)上端面与试验垫片(6)内圆所构成的空腔为密封腔(30)，下法兰(7)上设有连通密封腔(30)的介质进气管(14)，位移传感器下压板(19)下方设有下隔热板(8)和下垫板(16)，位移传感器上压板(20)与拉压传感器(39)之间设有上隔热板(10)；位移传感器下压板(19)通过固定螺母(15)和固定螺栓(17)固定在工作台(9)上；位移传感器(11)、热电偶(25)、温度传感器(37)、微压传感器(38)、拉压传感器(39)和介质给定系统A的压力传感器(40)的信号输出端连接数据采集系统B相应的信号采集端。

2、根据权利要求1所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述位移传感器下压板(19)上设有位移传感器垫块(13)，位移传感器垫块(13)上设有位移传感器调节螺钉(23)，位移传感器上压板(20)上设有位移传感器支架(22)，位移传感器支架(22)上设有位移传感器夹具(21)，位移传感器(11)设置在位移传感器夹具(21)上。

3、根据权利要求1所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述热电偶(25)连接温度控制仪(26)，温度控制仪(26)连接数据采集系统B的加热腔温度采集端。

4、根据权利要求1所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是装置旁设有风机(27)。

5、根据权利要求1所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述介质给定系统A由高压气瓶(28)、定值器(29)和密封腔(30)组成，高压气瓶(28)与介质进气管(14)之间连接有定值器(29)和压力传感器(40)，定值器(29)上设有氧气表和泄气阀。

6、根据权利要求1所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述上法兰(3)外侧壁与下法兰(7)内侧壁之间的间隙上方设有“Ω”形环状密封圈(4)，“Ω”形环状密封圈(4)、试验垫片(6)外圆、上法兰(3)下端面、下法兰(7)上段面以及出气管间的密封空间组成测漏腔(33)，介质进气管(14)与测漏腔(33)连通。

7、根据权利要求1所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述上法兰(3)上设有内压环(34)和内压垫(35)，下法兰(7)上设有外压环(31)和外压垫(32)，外压环(31)和内压环(34)通过沉头螺栓(36)固定。

8、根据权利要求1或2所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述的密封垫片高温综合性能评价试验装置，其特征是所述位移传感器(11)对称放置。