CN106996403B

CN106996403B - 一种可精确控制压力的流体动力装置和加压方法

Info

Publication number: CN106996403B
Application number: CN201710409994.6A
Authority: CN
Inventors: 李胜斌; 李和平; 陈琳; 刘礼宇; 周宏斌
Original assignee: Institute of Geochemistry of CAS
Current assignee: Institute of Geochemistry of CAS
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2037-06-02
Also published as: CN106996403A

Abstract

本发明公开了一种可精确控制压力的流体动力装置和加压方法，包括并联连接到压力口的气体增压管路系统和液体增压管路系统，气体增压管路系统包括依次连接的气瓶、增压泵、中压截止阀、过滤器、减压阀和高压截止阀三和高压截止阀四，增压泵连接中压截止阀间管道上连接有中压泄压阀和高压储气罐，高压截止阀三与高压截止阀四间管道上连接有气体高压增压缸和高压泄压阀，液体增压管路系统包括依次连接的常压液体容器、液体高压截止阀一和液体高压截止阀二，液体高压截止阀一和液体高压截止阀二间管路上连接有液体增压缸；本发明围压压力可以达到100MPa，压力输出范围大，气体泄漏量小，围压独立调节，波动小，分段控制压力，在0.1 MPa～100 MPa的范围内，升压和降压过程的压力控制精度为0.1 MPa，控制压力精度高，振动小、噪音小。

Description

一种可精确控制压力的流体动力装置和加压方法

技术领域

本发明属于高温高压实验装置技术领域，具体涉及一种可精确控制压力的流体动力装置和加压方法。

背景技术

在模拟地球深部岩石物理化学性质变化的过程中，研制了许多应用于高温高压的实验装置。为了获取某种岩石、矿物在不同的压力下性质变化，常常需要对实验装置进行精确的控制压力。例如，当需要给高温高压实验装置提供高压水流体时并精确控制高温高压实验装置内的压力时，就需要一套高压的液体增压管路系统。又如，在高温高压的压力容器中，如果水作为传压介质，当介质处于汽-液共存阶段时，样品腔内围压实际上严格等于水的饱和蒸气压，该压力不能独立于温度进行原位调节；当介质处于单一相态时（如气态、液态或超临界态），若需独立于温度原位调节样品腔内的围压，只能泵入新鲜溶液或放出样品腔内已与固体样品发生过相互作用的水流体，显然此时人为地改变了水流体体系的物质组成。另一种方法是通过往压力容器内加入氩气等惰性气体，从而使压力能独立于温度进行调节。而要往压力容器中泵入气体，就需要高压（100 MPa）的气体增压装置。

对于容积较小的压力容器，想要对压力容器内的压力进行精确调控，包括升压和降压过程的压力控制，需要单次输入或者输出的流体流量较小，否则，将使压力容器的压力瞬时升高几十至几百个大气压，难以起到精确控制压力的目的（升压和降压都是0.1 MPa的控制精度）。

另外，在某些试验条件下，还有减少振动、降低噪音的需求，例如，与高温高压试验装置联用的精密光学系统和光谱仪，为了光学聚焦和测量效果好，对仪器和环境产生的振动有严格要求。然而，现在常用的流体加压设备都是采用气动增压泵的形式往复给工件加压。而常用的流体加压设备普遍存在下述问题：

（1）高压液体增压泵一般为气驱泵，气动流体增压泵的动力来源于压缩空气，而压缩空气需要空气压缩机，一般的空气压缩机的振动和噪声都较大，即使静音空压机也不能满足要求，不能安装在光谱仪附近。

（2）一般液体增压泵的单冲程排量较大，单冲程排量较小的液体增压泵一个冲程排量为0.4 mL，对于只有几毫升至几十毫升容积的压力容器，不能满足精确加压和降压的要求。

（3）高压气体增压泵一般为气驱泵，气动增压泵的动力来源于压缩空气，而压缩空气需要空气压缩机，一般的空气压缩机的振动和噪声都较大，即使静音空压机也不能满足要求，不能安装在光谱仪附近。

（4）一般的高压气动增压泵单冲程排量较大，单冲程排量较小的气体增压泵一个冲程排量为19.7 mL，不能满足精确加压和降压的要求。

（5）一般往复加压的增压泵需要用到单向阀，由于单向阀的结构特点决定了单向阀的单次最小通过量一般比较大，不能满足精确加压和精确降压的要求，且由于单向阀的存在，不能利用增压泵进行降压控制。

（6）目前广泛采用的液体和气体降压方案，大多是采用直接打开泄压阀进行泄压，或者是通过减压阀进行降压，但是由于减压阀的机械结构特点就决定了减压阀控制降压的精度较差，目前没有合适的减压阀能做到在0～100 MPa 的压力范围内，且流量很小的情况下，控压精度在0.1 MPa的产品。

因此，需要重新设计和选用合适的加压方案，以满足该实验装置的加压需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可精确控制压力的流体动力装置和加压方法，压力输出范围大，波动小，控制压力精度高，动力装置振动小、噪音小，操作简单，可靠性高，成本低，压力输出范围可达到0.1 MPa～100 MPa，在整个输出压力范围内，包括升压和降压过程的压力控制精度可达到0.1 MPa，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种可精确控制压力的流体动力装置，包括并联连接到压力口的气体增压管路系统和液体增压管路系统，气体增压管路系统包括依次连接的气瓶、增压泵、中压截止阀、过滤器、减压阀和高压截止阀三和高压截止阀四，增压泵连接中压截止阀间管道上连接有中压泄压阀和高压储气罐，高压截止阀三与高压截止阀四间管道上连接有气体高压增压缸和高压泄压阀，液体增压管路系统包括依次连接的常压液体容器、高压截止阀一和高压截止阀二，高压截止阀一和高压截止阀二间管路上连接有液体增压缸。

优选的，上述增压泵通过换向阀连接到电动泵，电动泵连接到油箱。

优选的，上述中压截止阀和过滤器间通过高压管线连接。

优选的，上述换向阀、电动泵和电接点压力表连接到ATS控制器，ATS控制器连接到遥控手柄。

优选的，上述增压泵连接中压截止阀间管道上连接有电接点压力表和中压溢流阀，中压溢流阀和高压储气罐通过四通接头连接到管道上，电接点压力表和中压泄压阀通过四通接头连接到管道上。

优选的，上述减压阀和过滤器间连接管道上安装有中压表，中压表通过三通接头连接到管道上。

优选的，上述气体高压增压缸设置多个，分别通过三通接头连接到管道上。

优选的，上述高压截止阀三与高压截止阀四间管道上连接有高压表，高压表和高压泄压阀通过四通接头连接到管道上。

优选的，上述液体增压缸输出管处通过四通接头连接有压力传感器二。

优选的，上述一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，该方法包括以下步骤：

（1）平常不做试验时，通过液压站反复推动增压泵增压，产生一个高压源，储在高压储气罐中，供后端使用；

（2）35MPa以下试验: 采用两气体高压增压缸丝杠全部压缩，关闭高压泄压阀、中压泄压阀和高压截止阀二，打开高压截止阀三、高压截止阀四和中压截止阀，顺时针调节减压阀，压力增加，逆时针调节减压阀，压力减小，降压过程，通过减压阀增压达到30MPa以后，关闭中压截止阀，通过回退气体高压增压缸，两个增压缸回退，第一个缸将压力变化可从29.1MPa降至9MPa，第二个缸将压力变化可从9MPa降至5.3MPa；

（3）35～100MPa以上试验：在步骤（2）的35MPa以下试验的基础上，两个气体高压增压缸的丝杠全部回退，关闭高压截止阀三和高压截止阀二，顺时针调节气体高压增压缸，压力增加，逆时针调节气体高压增压缸，压力减少，压力越高，每次旋转角度越小。开始保压，保压过程如果压力有波动，可以通过气体高压增压缸微调来维持压力稳定；

（4）关闭高压截止阀二、高压截止阀一开启时，逆时针旋转液体增压缸的手柄以将液体从常压液体容器中吸入液体增压缸的液压腔内，然后将高压截止阀一、高压截止阀三、高压截止阀四关闭、高压截止阀二开启，顺时针旋转液体增压缸的手柄以压缩液压腔内的液体并产生高压输送到待加压的工件中；

（5）若步骤（4）中液体加压不足设定值，可以重复步骤（4）直至达到设定阈值；

（6）步骤（4）中当待加压工件温度一定时，待加压工件内压力也是一定的，如果需要使压力独立于温度进行调节而不重新泵入新鲜液体时，则需要对待加压工件内部加入惰性气体，即按照上述步骤（1）-（3）加入惰性气体增压，对待加压工件内进行气体增压。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

（1）本发明的流体动力装置，可以给压力容器内加压，传压介质可以是水流体或气体，也可以是水流体和气体的混合物，围压压力可以达到100MPa，目前气体保压实验，在101MPa的情况下，12小时内的气体泄漏量小于1%，并可以利用这套系统对围压进行独立于温度的调节，压力输出范围大，波动小，分段控制压力，控制压力精度高，增压动力机械分阶段独立运作，振动小、噪音小，操作简单，可靠性高，成本低，压力输出范围可达到0.1 MPa～100 MPa，在整个输出压力范围内控制压力精度可达到0.1 MPa；

（2）本发明通过液压站推动增压泵往高压储气罐中储存气源，在做试验时，通过减压阀调节实现0～35MPa压力升压-保压-降压，试验压力超过35MPa 时，通过手旋转100MPa增压缸来实现升压-保压-降压，能够实现气体加压的稳定性，实验过程中减少噪声和振动，提高控制精度；

（3）将压力分段设计，达到100MPa压力的试验要求；

（4）低压时采用增压泵连接的液压站实现增压，减压阀调压，这样，电机功率低，振动小；

（5）高压时采用手动旋转高压增压缸，除了满足压力要求，更能减少振动，设置多个，能够根据情况实现更大压力的增压，应用范围大大扩展；

（6）将压力分段控制压力，包括升压和降压过程的控制压力精度高，不需要复杂的伺服控制系统也可以精确控制压力的升高和降低，大大降低系统的复杂性和成本，在减少零部件的同时提高系统工作的可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是液体增压缸结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图2所示，一种可精确控制压力的流体动力装置，包括并联连接到压力口7的气体增压管路系统和液体增压管路系统，气体增压管路系统包括依次连接的气瓶1、增压泵2、中压截止阀3、过滤器4、减压阀5和高压截止阀三6和高压截止阀四31，增压泵2连接中压截止阀3间管道上连接有中压泄压阀9和高压储气罐11，高压截止阀三6与高压截止阀四31间管道上连接有气体高压增压缸13和高压泄压阀15，液体增压管路系统包括依次连接的常压液体容器26、液体高压截止阀一27和液体高压截止阀二28，液体高压截止阀一27和液体高压截止阀二28间管路上连接有液体增压缸29，压力口前端设置有压力传感器一21，压力传感器一21用于待测流体的压力测试，测试时，将压力口连接到待加压工件，实现压力的增压、减压、保压控制。

优选的，上述增压泵2通过换向阀16连接到电动泵17，电动泵17连接到油箱18，油箱18底部设置有排污阀22，电动泵17输出线路上设置有液压站溢流阀24和压力监控表25，并在电动泵处设置有风冷机23，风冷机用于电动泵的冷却，连接到ATS控制器，控制器连接有温度传感器，温度传感器安装在电动泵外壳上，根据温度传感器的温度变化，自动调节风冷机转速。

优选的，上述中压截止阀3和过滤器4间通过高压管线19连接。

优选的，上述换向阀16、电动泵17和电接点压力表8连接到ATS控制器，ATS控制器连接到遥控手柄20。

优选的，上述增压泵2连接中压截止阀3间管道上连接有电接点压力表8和中压溢流阀10，中压溢流阀10和高压储气罐11通过四通接头连接到管道上，电接点压力表8和中压泄压阀9通过四通接头连接到管道上。

优选的，上述减压阀5和过滤器4间连接管道上安装有中压表12，中压表12通过三通接头连接到管道上。

优选的，上述气体高压增压缸13设置多个，分别通过三通接头连接到管道上。

优选的，上述高压截止阀三6与高压截止阀四31间管道上连接有高压表14，高压表14和高压泄压阀15通过四通接头连接到管道上。

优选的，上述液体增压缸29输出管处通过四通接头连接有压力传感器二30。

如图2所示的液体增压缸，该液体增压缸是一款手动螺杆柱塞泵，它适用于那些需要对小体积液体进行压缩以建立压力的场合。压力量程0～200MPa。所有与液体接触部分的材质都是316不锈钢和17-4PH不锈钢的。液体增压缸很容易安装到工作台上，由操作员用很小的力就可以建立最大的压力。

该液体增压缸为螺杆柱塞加压结构，通过螺杆的螺旋移动带动柱塞实现加压，从而实现流体流出，泵的前端为密封柱塞结构，后端为螺杆结构，该加压泵出厂时不带刻度计量机构，无法精确计量加压泵输出的流体体积。因此为了精确测量和控制泵出的流体体积，对上述高压发生器进行简单的改造。改造方案如下，在旋转手柄处安装一个刻度盘，刻度盘中心与活塞杆轴线重合，在固定支架上安装一个微型激光器，激光器的光路垂直正对刻度盘上刻度，激光器光斑小且准直性好，光斑直径不大于0.5 mm，指示精度高，通过刻度盘的旋转圈数以及激光器的光斑位置，从而可以方便快捷地计算出流出的流体体积。例如，液体增压缸已知容积为12 ml，冲程长度6英寸，旋转手柄每旋转14圈，柱塞前进1英寸，则手柄旋转一圈，泵送流体体积为0.142857 mL，旋转手柄旋转一度泵送流体体积为0.396825 μL，即可通过旋转的角度大小计算出流出的流体体积。

液体增压缸图中：1-泵体，2-活塞，3-活塞杆，4-旋转手柄，5-刻度盘，6-激光器，8-支座，9-泵体支架，10-螺纹部，11-长丝母，12-螺母。

（3）35～100MPa以上试验：在步骤2）的35MPa以下试验的基础上，两个气体高压增压缸的丝杠全部回退，关闭高压截止阀三和高压截止阀二，顺时针调节气体高压增压缸，压力增加，逆时针调节气体高压增压缸，压力减少，压力越高，每次旋转角度越小。开始保压，保压过程如果压力有波动，可以通过气体高压增压缸微调来维持压力稳定，两个气体高压增压缸依次压缩，可将压力从30MPa加压至100MPa，两个气体高压增压缸依次回退，也可以将压力从100MPa降至30MPa；

（4）关闭高压截止阀二、开启高压截止阀一时，逆时针旋转液体增压缸的手柄以将液体从常压液体容器中吸入液体增压缸的液压腔内，然后将高压截止阀一和高压截止阀四关闭、高压截止阀二开启，顺时针旋转液体增压缸的手柄以压缩液压腔内的液体并产生高压输送到待加压的工件中；

增压泵液压站部分操作步骤：

1）从注油口，将液压站油箱注满46#抗磨液压油；

2）将气瓶气压通过软管接入增压泵口；

3）将三相电源接入电气箱相应位置；

4）关闭截止阀和泄压阀；也可以打开截止阀，让压力送到操作平台上；

5）在操作平台上有个遥控按钮盒；

6）打开电开关按钮，停止按钮指示灯亮起，表明电源工作正常；

7）启动按钮，电机启动，增压开始；换向阀来回换向，推动增压泵增压；

8）停止按钮，电机停止，增压泵停止增压；

9）电接点压力表出厂前设置为35MPa，增压泵增压到35MPa后，电接点压力表送出停止信号，电机停止，增压泵停止增压。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：该装置包括并联连接到压力口（7）的气体增压管路系统和液体增压管路系统，气体增压管路系统包括依次连接的气瓶（1）、增压泵（2）、中压截止阀（3）、过滤器（4）、减压阀（5）和高压截止阀三（6）和高压截止阀四（31），增压泵（2）连接中压截止阀（3）间管道上连接有中压泄压阀（9）和高压储气罐（11），高压截止阀三（6）与高压截止阀四（31）间管道上连接有气体高压增压缸（13）和高压泄压阀（15），液体增压管路系统包括依次连接的常压液体容器（26）、高压截止阀一（27）和高压截止阀二（28），高压截止阀一（27）和高压截止阀二（28）间管路上连接有液体增压缸（29）；该方法包括以下步骤：

（2）35MPa以下试验: 采用两气体高压增压缸丝杠全部压缩，关闭高压泄压阀、中压泄压阀和高压截止阀二，打开高压截止阀三、高压截止阀四和中压截止阀，顺时针调节减压阀，压力增加，逆时针调节减压阀，压力减小，降压过程，通过减压阀增压达到30MPa以后，通过回退气体高压增压缸，两个增压缸回退，第一个气体高压增压缸将压力变化能够从29.1MPa降至9MPa，第二个气体高压增压缸将压力变化能够从9MPa降至5.3MPa；

（3）35～100MPa以上试验：在步骤（2）的35MPa以下试验的基础上，两个气体高压增压缸的丝杠全部退回，关闭高压截止阀三和高压截止阀二，顺时针调节气体高压增压缸，压力增加，逆时针调节气体高压增压缸，压力减少，压力越高，每次旋转角度越小，开始保压，保压过程如果压力有波动，可以通过气体高压增压缸微调来维持压力稳定；

2.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：增压泵（2）通过换向阀（16）连接到电动泵（17），电动泵（17）连接到油箱（18）。

3.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：中压截止阀（3）和过滤器（4）间通过高压管线（19）连接。

4.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：换向阀（16）、电动泵（17）和电接点压力表（8）连接到ATS控制器，ATS控制器连接到遥控手柄（20）。

5.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：增压泵（2）连接中压截止阀（3）间管道上连接有电接点压力表（8）和中压溢流阀（10），中压溢流阀（10）和高压储气罐（11）通过四通接头连接到管道上，电接点压力表（8）和中压泄压阀（9）通过四通接头连接到管道上。

6.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：减压阀（5）和过滤器（4）间连接管道上安装有中压表（12），中压表（12）通过三通接头连接到管道上。

7.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：气体高压增压缸（13）设置多个，分别通过三通接头连接到管道上。

8.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：高压截止阀三（6）与高压截止阀四（31）间管道上连接有高压表（14），高压表（14）和高压泄压阀（15）通过四通接头连接到管道上。

9.根据权利要求1所述的一种可精确控制压力的流体动力装置的加压方法，其特征在于：液体增压缸（29）输出管处通过四通接头连接有压力传感器二（30）。