CN102507345A - 高温整体法兰接头蠕变性能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种用于测试高温整体法兰接头蠕变性能的试验装置。该装置包括法兰接头、加热与温控系统、蜗轮蜗杆传动机构、变形测量系统、支撑结构、介质给定系统、计算机图像处理系统、介质密封系统。本发明提供了一种结构紧凑，操作简单，占地面积小，成本低的高温整体法兰接头蠕变性能测试试验装置，解决了目前真法兰接头中各元件的蠕变无法测量的问题。

Description

高温整体法兰接头蠕变性能试验装置

技术领域

 本发明专利涉及一种试验装置，更具体地说，利用石英光纤的耐高温特性和先进的远程显微望远镜以及计算机图象处理技术，建立了一套高温下长时间准确测量法兰、垫片及螺栓蠕变变形的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置。

背景技术

随着科学技术的发展，工业生产中高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性、剧毒和放射性等介质的工况日益增多。这些系统一旦产生泄漏，不仅浪费能源和材料，而且污染环境，甚至造成人员伤亡及财产损失等严重危害。为此，现代工业，尤其是核电、宇航、军工等行业，对流体密封提出了愈来愈严格的要求，并采取一些检漏方法进行监测。定量控制泄漏量，延长密封元件的使用寿命，提高密封系统可靠性是节约能源，保护环境，安全生产十分迫切的要求。因此，密封元件性能研究以及密封连接系统紧密性分析具有十分重要的意义。与常温相比，高温工况下的密封失效问题更为突出，高温能够引起密封元件材料的老化、失重、蠕变、松弛，导致密封性能下降，是整个法兰接头失效的主要原因。因此，研究法兰接头在高温下的蠕变是非常有意义的，但是由于缺乏高温整体法兰接头蠕变失效的试验数据，高温法兰接头的设计更多依据设计者的工作经验，涉及到高温环境中的法兰接头的研究正处于探索阶段，高温整体法兰接头蠕变性能试验机正是适应这种要求而研究开发出来的。

近三十年多来，国内外对法兰连接结构的密封性能进行了较为全面研究。美国压力容器委员会（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；A. Bazergui，L. Marchand和Payne于1988年研制出了垫片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，对热态垫片的特性进行了系统的试验研究；PVRC的螺栓法兰连接分会（BFC）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。可以看出现有技术主要集中在垫片的研究上，而对整体法兰的研究较少。

由于材料的蠕变特性研究受到众多学者的关注，近年来也设计出一些研究材料蠕变性能的试验装置。如国内南京工业大学黄星路、顾伯勤等人研制的《密封垫片高温综合性能评价试验装置》，其垫片变形测量系统采用两个对称放置的位移传感器来测量试验垫片变形；南京工业大学凌祥研制的《微型试样高温蠕变性能试验装置》其测量系统也是采用传感器来获得变形量，虽能达到一定的精度，但是还是有一定的局限性；华东理工大学王正东应用电位法测量变形，电位法简单易行，重复性好，缺点是间接测量，测得的结果是电位变化，需作转换才能得到变换。对于传统的高温法兰蠕变试验，通常采用位移传感器获得蠕变变形，但是位移传感器易磨损，而且对工作环境要求高，在高温环境下传感器自身受到温度的影响较大，因此用位移传感器研究高温法兰连接结构的蠕变性能存在较大的误差，并且对于狭小区域的应变测量难以实现，以及不适用于多点测量的场合；对于常规的引伸仪仅能测量定标距内的单轴变形，无法实现多点场域测量；应变计法虽然能实现多点测量，但在高温下其工作特性很不稳定，易产生热输出，且零漂较大，精度无法达到要求。因此本发明专利采用光纤测量技术研究螺栓法兰连接结构的蠕变性能，是非常有意义的。

由于螺栓法兰连接结构蠕变变形较小，一般的测量变形装置很难满足要求，而且考虑到高温下长时测量局部变形的困难，因此采用石英光纤作为获得蠕变变形的测量标记，应用计算机图像处理技术来获得螺栓法兰连接结构蠕变变形数据，从而开发出一种高温长时测量局部变形的新方法及测量系统。这个新测量方法的基本思想是在欲测量变形的区域表面上布置多个标记，石英光纤具有双层结构，中间是高折射率的石英纤维芯，周围是低折射率的纤维涂层。由于石英光纤很细，可方便地贴在较小的区域。光纤用高温陶瓷胶粘贴在试样表面上，胶涂层尽可能薄，以使得光纤随试样变形。

综上所述，研制功能完善、测量精度高、试验成本低廉的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置具有深远意义。

 

发明内容

本发明专利解决了现有技术中高温整体法兰接头蠕变性能试验装置测试精度低、测试方法落后等问题，提出了一种新结构，操作简单，测试区域温度均匀，试验精度高，成本低的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置。

本发明专利的技术方案如下：

一种测试高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，包括上法兰和下法兰，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电加热炉内，上法兰和下法兰通过双头螺柱连接固定，上法兰、下法兰以及双头螺柱上多处用石英光纤做标记，用来测量上法兰下法兰以及双头螺柱的变形量，下法兰端部和双头螺柱之间的缝隙内设置有测量环，试验垫片和测量环上多处用石英光纤做标记，用来测量试验垫片的变形量；电加热炉的两个对开半圆筒形炉体分别通过连接元件与立柱连接，立柱上端与顶板通过上固定螺母紧固连接，立柱下端与基础底板通过下固定螺母紧固，基础底板与垫块通过地脚螺栓、螺母紧固，中间支板与支柱通过中固定螺母紧固； 上法兰上端与上接管通过焊接连接，上接管与外接管通过焊接连接，外接管与高压气瓶连接；下法兰下端与下接管通过焊接连接，下接管下端与底盖通过焊接连接，底盖下端与底板通过焊接连接，下接管下部分与螺母托架通过螺钉紧固，底板与连接套通过螺栓连接，连接套连接有传动小轴，在传动小轴作用下，连接套通过轴承带动底板以上的部件转动，连接套与中间支板通过导向杆紧固，中间支板下部设有一轴承套，轴承套内的轴承来固定支撑传动小轴，传动小轴与蜗轮用键连接，传动小轴的下端通过轴端螺母紧固连接有蜗轮，蜗轮与蜗杆用齿轮连接。

所述石英光纤具有双层结构，中间是高折射率的石英纤维芯，周围是低折射率的纤维涂层。

所述石英光纤使用光固化，该石英光纤的射入角小于12°时，光线在该光纤中几乎不会损耗能量进行传递，即使在弯曲情况下，该光纤也有很好的导光性能，且具有很好的耐热性能。

由于石英光纤很细，可很方便地贴在较小的区域。

所述石英光纤用高温陶瓷胶粘贴在试验垫片、测量环、上法兰、下法兰、双头螺柱的表面。

       计算机图像处理系统通过图像采集卡经A/D转换使标记光点模拟信号变为数字图像信号，然后应用自行开发的计算机图像分析软件自动进行处理。

所述传动小轴通过蜗轮蜗杆传动，该装置传动比大、结构紧凑、传动比大、无噪音。

       在蜗轮蜗杆传动机构和传动小轴的作用下，能够实现对法兰接头蠕变变形的多点测量。

       分别在试验垫片和测量环上用石英光纤做标记，光纤之间的距离变化即是垫片的变形量。

本发明专利公开的是一种用于测试高温整体法兰接头蠕变性能的试验装置。包括法兰接头、加热与温控系统、蜗轮蜗杆传动机构、变形测量系统、计算机图像处理系统、支撑结构、介质给定系统、介质密封系统。

所述的法兰接头，包括上法兰、下法兰、试验垫片、双头螺柱以及螺母组成。

所述的加热与温控系统，该系统为加热电炉、热电偶和温度控制仪组成。加热与温控系统的电加热炉为对开管式炉膛，方便装卸。加热温度和升温速度由精密温度控制仪控制，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电压，使实测温度与设定的试验温度相等。

所述的传动机构，由蜗轮、蜗杆、传动小轴、轴承套、轴承、导向杆、垫圈、螺母等组成。蜗轮蜗杆结构紧凑，传动比大，无噪音。

所述的变形测量系统，由带石英玻璃观察窗的电加热炉、远程显微望远镜、CCD摄像设备以及计算机图像处理系统组成。

所述的计算机图像处理系统，由计算机主机、图像采集卡和图像处理软件组成。通过图像采集卡经A/D转换使标记光点模拟信号变为数字图像信号，再使用自行开发的计算机图像分析软件自动进行处理。

所述的支撑结构，由垫块、立柱、中间支板、顶板等组成。

所述的介质给定系统，由高压气瓶、定值器、压力传感器等组成。试验介质采用工业纯氮，试验方便安全；介质经过定值器进入法兰接头密封腔内，保证介质压力稳定，定值器上有两个压力表，可以方便读出氮气瓶出口压力和法兰接头内的介质压力。

所述的介质密封系统，上、下法兰与试验垫片由螺栓连接，顶盖、上下接管、法兰、底板以及底盖之间采用焊接连接，形成了一个密闭的空腔，因此能达到密封的效果。

本发明专利的有益效果是：

本发明专利的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，充分利用石英光纤的耐高温特性和先进的远程显微望远镜以及计算机图象处理技术，建立一套可以在高温下长时间、准确地测量蠕变变形的系统。测量系统利用石英光纤的耐高温特性，用高温胶粘贴短石英光纤于试样上作为测量标记，通过远程显微望远镜将短石英光纤成像于CCD靶上，再通过图像采集卡A/D转换将标记光纤模拟信号转换成数字图像信号，基于数字图像分析技术对这些图像进行处理，即可得到试样欲测量部位随时间的高温变形。基于上述原理，数据同步处理软件基于MATLAB图像处理技术编制而成；同时在蜗轮蜗杆传动机构和传动小轴的作用下，能够实现对法兰接头蠕变变形的多点测量。

附图说明

图1是本发明的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置示意图。

图2是本发明的变形测量系统示意图。

图3是本发明的蜗轮蜗杆传动机构示意图。

图4是本发明的加热与温控系统示意图。

图5是本发明的介质给定系统示意图。

图6是本发明的介质密封系统示意图。

图1中：1为下螺母、2为垫块、3为地脚螺栓、4为螺母、5为立柱、6为中间支板、7为中固定螺母、8为底盖、9为螺母托架、10为连接元件、11为电加热炉、12为双头螺柱、13为螺母、14为上法兰、15为顶板、16为上固定螺母、17为外接管、18为顶盖、19为上接管、20为试验垫片、21为测量环、22为下法兰、23为下接管、24为螺钉、25为螺栓、26为底板、27为连接套、28为轴承、29为螺栓、30为轴套、31为蜗杆、32为蜗轮、33为基础底板、34为传动小轴、35为键、36为轴端螺母、37为轴承套、38为轴承、39为导向杆、40为远程显微望远镜、41为CCD摄像设备、42为计算机、43为图像采集卡、44为石英光纤，45为垫圈、46为温度控制仪、47为保温棉、48为火盆砖、49为电阻丝、50为热电偶、51为高压气瓶、52为定值器、53为压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种测试高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，其特征是包括上法兰14和下法兰22，试验垫片20加载在上法兰14和下法兰22之间，上法兰14和下法兰22设置在电加热炉11内，上法兰14和下法兰22通过双头螺柱12连接固定，上法兰14、下法兰22以及双头螺柱12上多处用石英光纤44做标记，用来测量上法兰14下法兰22以及双头螺柱12的变形量，下法兰22端部和双头螺柱12之间的缝隙内设置有测量环21，试验垫片20和测量环21上多处用石英光纤44做标记，用来测量试验垫片20的变形量；电加热炉11的两个对开半圆筒形炉体分别通过连接元件10与立柱5连接，立柱5上端与顶板15通过上固定螺母16紧固连接，立柱5下端与基础底板33通过下固定螺母1紧固，基础底板33与垫块2通过地脚螺栓3、螺母4紧固，中间支板6与支柱5通过中固定螺母7紧固； 上法兰14上端与上接管19通过焊接连接，上接管19与外接管17通过焊接连接，外接管17与高压气瓶51连接；下法兰22下端与下接管23通过焊接连接，下接管23下端与底盖8通过焊接连接，底盖8下端与底板26通过焊接连接，下接管23下部分与螺母托架9通过螺钉24紧固，底板26与连接套27通过螺栓25连接，连接套27连接有传动小轴34，在传动小轴34作用下，连接套27通过轴承38带动底板26以上的部件转动，连接套27与中间支板6通过导向杆39紧固，中间支板6下部设有一轴承套37，轴承套37内的轴承28来固定支撑传动小轴34，传动小轴34与蜗轮32用键35连接，传动小轴34的下端通过轴端螺母36紧固连接有蜗轮32，蜗轮32与蜗杆31用齿轮连接。

用石英光纤作为测量标记，并在欲测量变形的区域表面上布置多个标记，石英光纤44具有双层结构，中间是高折射率的石英纤维芯，周围是低折射率的纤维涂层。

石英光纤44使用光固化，该石英光纤44的射入角小于12°时，光线在该光纤中几乎不会损耗能量进行传递，即使在弯曲情况下，该光纤也有很好的导光性能，且具有很好的耐热性能。

由于石英光纤44很细，可很方便地贴在较小的区域。

石英光纤44用高温陶瓷胶粘贴在试验垫片20、测量环21、上法兰14、下法兰22、双头螺柱12的表面。

       计算机图像处理系统通过图像采集卡经A/D转换使标记光点模拟信号变为数字图像信号，然后应用自行开发的计算机图像分析软件自动进行处理。

传动小轴34通过蜗轮蜗杆传动，该装置传动比大、结构紧凑、传动比大、无噪音。

       在蜗轮蜗杆传动机构和传动小轴34的作用下，能够实现对法兰接头蠕变变形的多点测量。

       分别在试验垫片20和测量环21上用石英光纤44做标记，光纤之间的距离变化即是垫片的变形量。

本发明专利的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，包括8个主要部分：法兰接头、加热与温控系统、蜗轮蜗杆传动机构、变形测量系统、计算机图像处理系统、支撑结构、介质给定系统、介质密封系统。

如图2所示，所述的计算机图像处理系统，由远程显微望远镜40、计算机42、图像采集卡43、CCD摄像设备41组成。通过图像采集卡43经A/D转换使标记光点模拟信号变为数字图像信号，再使用自行开发的计算机图像分析软件自动进行处理。

如图3所示，所述的传动机构，由螺栓25、蜗轮32、蜗杆31、传动小轴34、键35、轴承套37、轴承38和28、导向杆39、垫圈45、轴端螺母36组成。在传动小轴34作用下，连接套27通过轴承38带动底板26以上的部件转动，连接套27与中间支板6通过导向杆39紧固，中间支板6下部设有一轴承套37，轴承28来固定支撑传动小轴34，传动小轴34与蜗轮32用键35连接，传动小轴34的下端与蜗轮32用轴端螺母36紧固起来，蜗轮32与蜗杆31用齿轮连接。

如图4所示，所述的加热与温控系统，该系统为加热电炉11、热电偶50和温度控制仪46组成。加热与温控系统的电加热炉11为对开管式炉膛，方便装卸。加热温度和升温速度由精密温度控制仪46控制，将热电偶50测得的温度信号输入温度控制仪46，与设定的试验温度进行比较，温度控制仪46依据设定温度和实测温度的差值通过可控硅改变加热电压，使实测温度与设定的试验温度相等。

如图5所示，所述的介质给定系统，由高压气瓶51、定值器52、压力传感器53等组成。试验介质采用工业纯氮，试验方便安全；介质经过定值器52进入法兰接头内，保证介质压力稳定，定值器52上有两个压力表，可以方便读出高压气瓶51出口压力和法兰接头内介质压力。

如图6所示，所述的介质密封系统，由上法兰14、下法兰22、试验垫片20、顶盖18、上接管19、下接管23、底板26以及底盖8组成。除上法兰、下法兰与垫片用螺栓连接外，其余各零件之间都采用焊接，形成了一个密闭的空腔，因此能达到密封的效果。

本发明专利试验装置的安装：按顺序组装基础底板33，立柱5，中间支板6，顶板15，再将电加热炉11通过连接元件10安装在立柱5上，然后安装连接套27，底板26，按照由下往上的顺序分别焊接底盖8，下接管23，下法兰22，通过双头螺柱12将上下法兰连接，上法兰14上端焊接上接管19，然后焊接顶盖18，外接管17，然后再安装上蜗轮蜗杆传动机构。热电偶50分别置于电加热炉11的上、中、下三个部位，热电偶50处的温度通过温度控制仪46控制。

本发明专利试验装置的工作过程如下：安装好试验装置后，先按照预设的升温步骤将法兰接头加热到设定的温度，保温2小时；然后缓慢打开高压氮气瓶，将氮气引入法兰接头内部，调节压力表控制压力至设定值，期间通过计算机图像处理系统来进行数据的采集和处理。

Claims (5)

1.一种测试高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，其特征是包括上法兰(14)和下法兰(22)，试验垫片(20)加载在上法兰(14)和下法兰(22)之间，上法兰(14)和下法兰(22)设置在电加热炉(11)内，上法兰(14)和下法兰(22)通过双头螺柱(12)连接固定，上法兰(14)、下法兰(22)以及双头螺柱(12)上设有石英光纤(44)标记，用来测量上法兰(14)下法兰(22)以及双头螺柱(12)的变形量，下法兰(22)端部和双头螺柱(12)之间的缝隙内设置有测量环(21)，试验垫片(20)和测量环(21)上设有石英光纤(44)标记，用来测量试验垫片(20)的变形量；电加热炉(11)的两个对开半圆筒形炉体分别通过连接元件(10)与立柱(5)连接，立柱(5)上端与顶板(15)通过上固定螺母(16)紧固连接，立柱(5)下端与基础底板(33)通过下固定螺母(1)紧固，基础底板(33)与垫块(2)通过地脚螺栓(3)、螺母(4)紧固，中间支板(6)与支柱(5)通过中固定螺母(7)紧固；上法兰(14)上端与上接管(19)通过焊接连接，上接管(19)与外接管(17)通过焊接连接，外接管(17)与高压气瓶(51)连接；下法兰(22)下端与下接管(23)通过焊接连接，下接管(23)下端与底盖(8)通过焊接连接，底盖(8)下端与底板(26)通过焊接连接，下接管(23)下部分与螺母托架(9)通过螺钉(24)紧固，底板(26)与连接套(27)通过螺栓(25)连接，连接套(27)连接有传动小轴(34)，在传动小轴(34)作用下，连接套(27)通过轴承(38)带动底板(26)以上的部件转动，连接套(27)与中间支板(6)通过导向杆(39)紧固，中间支板(6)下部设有一轴承套(37)，轴承套(37)内的轴承(28)来固定支撑传动小轴(34)，传动小轴(34)与蜗轮(32)用键(35)连接，传动小轴(34)的下端通过轴端螺母(36)紧固连接有蜗轮(32)，蜗轮(32)与蜗杆(31)用齿轮连接。

2.根据权利要求1所述的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，其特征是所述石英光纤(44)具有双层结构，中间是高折射率的石英纤维芯，周围是低折射率的纤维涂层。

3.根据权利要求1或2所述的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，其特征是所述石英光纤(44)使用光固化，该石英光纤(44)的射入角小于12°。

4.根据权利要求1所述的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，其特征是所述石英光纤(44)用高温陶瓷胶粘贴在试验垫片(20)、测量环(21)、上法兰(14)、下法兰(22)、双头螺柱(12)的表面。

5.根据权利要求1所述的高温整体法兰接头蠕变性能试验装置，其特征是所述传动小轴(34)通过蜗轮蜗杆传动。

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