CN107192619B - 轻便式高温高压力学试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻便式高温高压力学试验装置，包括封盖，与封盖连接的上釜体，与上釜体连接的下釜体，上拉伸杆和下拉伸杆；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头；所述上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体，由上至下依次设于上拉伸杆中部和第一竖向通孔之间的上环形支撑件和第一动密封结构，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的第二动密封结构和下环形支撑件。本发明具有拆装方便、耐温耐压效果好、安全性好的特点。

Description

轻便式高温高压力学试验装置

技术领域

本发明涉及高压氢实验设备技术领域，尤其是涉及一种能够与普通拉伸机配合使用的轻便式高温高压力学试验装置。

背景技术

氢能、石油化工、核电和海洋开发是我国能源战略的重要组成部分。在这些领域中设备往往需要在高温、高压和高腐蚀的环境中运行。

高温高压的腐蚀问题，是威胁设备安全稳定运行的重要因素。在高温高压环境下运行的设备一旦发生失效，就可能造成非常严重的后果。例如：2003年在四川川东某气田发生了含H₂S油气的泄漏事故，造成了200多人死亡，上万人受灾，直接经济损失数千万元。类似的极端环境也出现在各个行业领域中，例如目前经常采用加氢的方式来提高燃油的油品质量。在加氢反应器中，氢气的压力高达4MPa-10MPa，而温度则超过300摄氏度。众所周知，在氢气环境中，许多材料都会发生力学性能的损减，通常被称为“氢脆”。因此在临氢设备的设计中，材料在该温度和压力下的原位力学性能参数是不可缺少的重要数据。又例如在核电的导热回路中，高温水的压力高达20MPa，温度也超过300摄氏度，在这种环境下极少量的氧就可能对材料造成严重的破坏，这一般被称为应力腐蚀开裂。因此也要获取在这种环境下的材料服役性能，才能保证设备设计制造有据可依。所以，在高温高压高腐蚀的环境中，服役环境有可能会材料的力学性能，而威胁设备的安全运行，因此在模拟工况下的原位试验数据就显得尤为重要。

目前，对于高温试验的原位试验，我国还比较落后，没有具有压力平衡的实验设备。即使在国际上，生产制造高温高压力学实验设备的公司也并不是很多。另外，现有的高温高压力学实验设备也很少有可以与拉伸机分离的便携式环境箱。在国际上比较知名的厂家分别生产不同类型的实验设备。美国的corrotest公司生成的试验机主要用于腐蚀环境中的慢应变速率拉伸实验，具有压力平衡系统，他们生产的设备为拉伸机和环境箱组合为一体的专用设备，并且价格不菲，其售价折合人民币大约是100万元，并且这类设备无法进行超过250摄氏度的实验。而日本的日东高压生成的设备主要是针对高温环境的，例如：核电中出现的高温水环境，他们的设备也是和拉伸机是一套使用的，不可拆卸。现在国内生产的高温高压环境力学测试系统，例如苏试试验公司生成的高压环境箱也都是环境箱和拉伸机是组合到一起匹配生产的，环境箱不可拆卸。而大连科贸有限公司生成的高温高压环境箱则不具备压力平衡系统，并且无法达到250摄氏度以上的高温。当设备中无压力平衡系统时，容器中的气体压力会直接作用于拉伸杆上，并进而作用于被测试样上，这种内压有时会使被测材料产生100MPa的拉应力，这大大增加了实验的危险性，也降低了实验的准确度。因此为了保证实验的安全进行，传统的设备非常庞大，因此就需要定制的拉伸机与之匹配。这大大的增加了设备的投入成本，也因为这种压力的限制，实验的容器的极限压力受到限制（过高的压力的内压可能会直接把试样拉断）。另外也限制了拉伸机本身作为一种传统实验设备的使用范围。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的超高压氢环境实验装置体积大，压力低的不足，提供了一种能够与普通拉伸机配合使用的轻便式高温高压力学试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轻便式高温高压力学试验装置，包括封盖，与封盖连接的上釜体，与上釜体连接的下釜体，上拉伸杆和下拉伸杆；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头；所述上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体，由上至下依次设于上拉伸杆中部和第一竖向通孔之间的上环形支撑件和第一动密封结构，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的第二动密封结构和下环形支撑件；上拉伸杆上设有用于支撑第一动密封结构的支撑凸台；

封盖、上拉伸杆和上釜体围成上空腔，上釜体、上拉伸杆、下拉伸杆和下釜体围成中空腔，上腔体上设有联通上空腔和中空腔的导气管，封盖内设有第三动密封结构，下拉伸杆和下釜体之间设有静密封结构；封盖和上釜体之间设有密封圈；

下釜体外周面上包覆有加热丝层，加热丝层外部设有绝热层。

目前，大多数轻便式高温高压力学试验装置都需要进口，都需要单独匹配拉伸机，不能够与普通拉伸机配合使用的，不容易拆装，严重阻碍了我国的高温高压等极端环境的技术掌握，阻碍了自主技术的创新。

在传统的力学试验装置中，当腔体内部承受超高压时，由于试样与夹头的横截面不同，腔体内的超高压会对上拉伸杆产生一个向上的压力，由于超高压的存在，这个压力就转移到对试样的拉力上，这个拉力非常大，会导致试样提前断裂。为此本发明添加了压力平衡系统，用一条导气管，将中空腔内的超高压气体导入上空腔中，而与上导向环和下导向环之间的第一竖向通孔相对应的上腔体上设有排气孔，与外界大气压保持一致。上拉伸杆的第一动密封处的截面积与第三动密封处的截面积相同，而第二动密封处的凸台截面积为第一动密封处截面积的2倍，因此在中空腔和上腔体同时产生高压时，中空腔给上拉伸杆的向上的压力和上腔体给上拉伸杆的向下压力相等，此时上拉伸杆在轴向上的受力平衡；本发明可以有效避免试样提前断裂的情况的发生。力学试验装置的质量不超过30kg，腔体体积仅120cm³，能承受120MPa的气体压力；下釜体可拆卸，灵活便捷地进行试样的装卸。

腔体体积小，实验成本低，且安全系数较高；封盖和釜体均使用动密封结构，密封性能好；

封盖和上腔体使用通气管平衡压力，消除了上拉伸杆可能受到的径向力；使用多重密封圈和垫圈，有效减缓了高压气体对上釜体和下釜体的作用力；下釜体下部使用了多重结构来避免釜体坠落造成安全事故。

作为优选，上环形支撑件和下环形支撑件均为螺母，与第二动密封结构和支撑凸台之间的第一竖向通孔相对应的上腔体上设有排气孔，排气孔与第一竖向通孔联通；上腔体下部设有与中腔体联通的导气管口、进气口、出气口、数字传感器接口、压力传感器接口和爆破片口。

排气孔使上腔体内的气压与外界保持一致，保证压力平衡系统的正常作用。通气管接口，可以接入通气管，将中空腔内的气体导入封盖与封盖主体间的上空腔内，是压力平衡系统的组成部分之一。

进气口用于与气泵连接，给中空腔加压，出气口用于实验时给中空腔放气。

数字传感器接口用于连接数字传感器，压力传感器接口用于连接压力传感器。

作为优选，下釜体包括设有第二竖向通孔的下腔体，设于下拉伸杆上的与下腔体下部配合的环形凸台，设于下腔体下端和下拉伸杆之间的第一螺帽和第二螺帽，第一螺帽与下拉伸杆螺纹连接，第二螺帽位于第一螺帽外部并与下腔体螺纹连接。当下拉伸杆在环形凸台以外位置断裂等意外情况发生时，第一螺帽与下拉伸杆咬合，防止下拉伸杆掉落。第二螺帽又承受着压紧螺母与下拉伸杆共同的压力，防止其在中空腔内压力作用下冲出。

作为优选，上拉伸杆上部设有横向通孔。上拉伸杆在超负荷情况下，会在横向通孔处最先发生断裂，断裂发生在上釜体外面，保护上釜体的部件，避免上拉伸杆在上釜体内部发生断裂时，由于受到内部的高压作用，断裂部分冲出，提高了安全性能。

作为优选，下拉伸杆下端设有与拉伸机连接的连接杆。当下釜体内的试样拉断时，下环形凸台可以使下拉伸杆仍然固定在下釜体内内，防止下拉伸杆被拉出，有效避免实验事故的发生。

作为优选，封盖包括可伸入上拉伸杆的阶梯孔，阶梯孔的直径由上至下逐渐增大，第三动密封结构位于阶梯孔中部内，阶梯孔下部内设有封盖螺母，封盖螺母下部伸入第一竖向通孔中。

作为优选，第一动密封结构、第二动密封结构和第三动密封结构均包括由上至下依次排列的第一密封圈、第二密封圈、625合金垫圈和弹簧；第一密封圈和第二密封圈均采用柔性石墨材料制成。

作为优选，第一密封圈、第二密封圈的横截面均为梯形，第一密封圈和第二密封圈的组合在一起的横截面构成矩形；625合金垫圈横截面为矩形。

作为优选，静密封结构包括由上至下排列的第一密封圈、第二密封圈、625合金垫圈、第一密封圈和第二密封圈；每个第一密封圈、第二密封圈的横截面均为梯形，相邻的第一密封圈和第二密封圈的组合到一起的横截面构成矩形。

在进行高压试验时，第一、第二和第三动密封处的弹簧会给两个柔性石墨密封圈一个预紧力，帮助两个柔性石墨密封圈可以更好的与容器贴紧，保持密封。因此容器中的内压会直接作用与柔性石墨密封圈上，由于两个柔性石墨密封圈的截面为梯形，，所以在高压的作用下，两个密封圈会产生相对滑动，第二密封圈向外滑动与釜壁紧密接触，并达到釜壁的密封，第一密封圈则向内滑动仅仅抱住拉伸杆，达到密封圈与拉伸杆的密封。在动载荷实验时，柔性石墨密封圈会自然磨损，并实现对拉伸杆的润滑作用，并通过弹簧对磨损进行补偿。

本专利有以下优点：

1.结构轻巧，无需定制拉伸机，可以直接安装于普通的拉伸机之上，并不需要单独的固定支架，拆装方便。

2.具有压力平衡系统，可以进行超高压实验（100MPa以上为超高压），气体内压不会对试样的应力影响。

3.用料少，成本低。

4.采用双梯形截面柔性石墨密封圈耦合与弹簧补偿的密封方式，耐温耐压效果好。

5.采用多种防护措施防止实验以外发生时造成人身伤害。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的动密封结构的一种结构示意图；

图3是本发明的静密封结构的一种结构示意图。

图中：封盖1、上釜体2、下釜体3、上拉伸杆4、下拉伸杆5、夹头6、密封圈7、阶梯孔11、封盖螺母13、第三动密封结构14、上腔体21、上环形支撑件22、第一动密封结构23、第二动密封结构24、下环形支撑件25、上空腔27、中空腔28、导气管口29、下腔体31、环形凸台32、第一螺帽33、第二螺帽34、绝热层38、加热丝层39、横向通孔41、静密封结构52、第一密封圈201、第二密封圈202、625合金垫圈203、弹簧204、导气管211、排气孔281。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的一种轻便式高温高压力学试验装置，包括封盖1，与封盖连接的上釜体2，与上釜体连接的下釜体3，上拉伸杆4和下拉伸杆5；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头6；所述上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体21，由上至下依次设于上拉伸杆中部和第一竖向通孔之间的上环形支撑件22和第一动密封结构23，由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的第二动密封结构24和下环形支撑件25；上拉伸杆上设有用于支撑第一动密封结构的支撑凸台41；

封盖、上拉伸杆和上釜体围成上空腔27，上釜体、上拉伸杆、下拉伸杆和下釜体围成中空腔28，上腔体上设有联通上空腔和中空腔的导气管211，封盖内设有第三动密封结构14，下拉伸杆和下釜体之间设有静密封结构52；封盖和上釜体之间设有密封圈7；

下釜体外周面上包覆有加热丝层39，加热丝层外部设有绝热层38。

上环形支撑件和下环形支撑件均为螺母，与第二动密封结构和支撑凸台之间的第一竖向通孔相对应的上腔体上设有排气孔28，排气孔与第一竖向通孔联通；上腔体下部设有与中腔体联通的导气管口29、进气口、出气口、数字传感器接口、压力传感器接口和爆破片口。

下釜体包括设有第二竖向通孔的下腔体31，设于下拉伸杆上的与下腔体下部配合的环形凸台32，设于下腔体下端和下拉伸杆之间的第一螺帽33和第二螺帽34，第一螺帽与下拉伸杆螺纹连接，第二螺帽位于第一螺帽外部并与下腔体螺纹连接。上拉伸杆上部设有横向通孔41。下拉伸杆下端设有与拉伸机连接的连接杆。封盖包括可伸入上拉伸杆的阶梯孔11，阶梯孔的直径由上至下逐渐增大，第三动密封结构位于阶梯孔中部内，阶梯孔下部内设有封盖螺母13，封盖螺母下部伸入第一竖向通孔中。

如图2所示，第一动密封结构、第二动密封结构和第三动密封结构均包括由上至下依次排列的第一密封圈201、第二密封圈202、625合金垫圈203和弹簧204；第一密封圈和第二密封圈均采用柔性石墨材料制成。

第一密封圈、第二密封圈的横截面均为梯形，第一密封圈和第二密封圈组合在一起的横截面构成矩形；625合金垫圈横截面为矩形。

如图3所示，静密封结构包括由上至下排列的第一密封圈201、第二密封圈202、625合金垫圈203、第一密封圈和第二密封圈；每个第一密封圈、第二密封圈的横截面均为梯形，相邻的第一密封圈和第二密封圈组合到一起的横截面构成矩形。

本发明的工作过程如下：

首先取下加热丝层，扭开上釜体和下釜体之间的8个螺栓，将下釜体与上釜体分离。打开下釜体底部的第一螺帽和第二螺帽，将下拉伸杆推入下釜体中，并从下釜体的上口取出下拉伸杆；

将被测试样的两端分别安装到上拉伸杆的下端和上拉伸杆的上端，然后将下拉伸杆重新从下釜体的上口装入并从下口拉出，并重新装回第一螺帽和第二螺帽，并紧固第一螺帽和第二螺帽，如需要进行高压液体实验，此时往中空腔内装入液体，并用8个螺栓连接上釜体和下釜体并紧固，然后套上加热丝层。

进行气密性检测，检查所有的阀门并确保其处于关闭状态，然后从进气口将惰性气体通入中空腔内，使其达到实验压力的1.2倍，并保压；通过压力表示数的变化判定，设备是否漏气，检验方式为在通入气体后10分钟开始后的10分钟内示数是否有下降。如有泄漏应进行排除。

确认无泄漏后，旋开出气口，进行泄压，然后将轻便式高温高压力学试验装置整体安装于拉伸机的上下两个夹持端上，可以使用螺纹连接，也可以直接使用拉伸机的夹头，在连接时首先调整拉伸机的上下夹头之间的位置，使之与本装置的尺寸相匹配；

按照实验的目的，进行试验，加热温度和通入气体可以根据实验的要求进行调节；

实验完成后，使加热丝层停止加热，待温度降至室温，取下轻便式高温高压力学试验装置，拆下加热丝层，将本装置竖直放置，并打开上釜体和下釜体之间的螺栓，将下釜体取下，然后倒出实验溶液，后打开第一螺帽和第二螺帽，将下拉伸杆推入釜腔内，移开下釜体，取下实验后的试样，实验结束。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，包括封盖（1），与封盖连接的上釜体（2），与上釜体连接的下釜体（3），上拉伸杆（4）和下拉伸杆（5）；上拉伸杆上端与拉伸机连接，上拉伸杆伸入封盖、上釜体和下釜体中，下拉伸杆上部伸入下釜体中，上拉伸杆和下拉伸杆的相对端均设有夹头（6）；所述上釜体包括设有第一竖向通孔的上腔体（21），由上至下依次设于上拉伸杆中部和第一竖向通孔之间的上环形支撑件（22）和第一动密封结构（23），由上至下依次设于上拉伸杆和第一竖向通孔下部之间的第二动密封结构（24）和下环形支撑件（25）；上拉伸杆上设有用于支撑第一动密封结构的支撑凸台（41）；

封盖、上拉伸杆和上釜体围成上空腔（27），上釜体、上拉伸杆、下拉伸杆和下釜体围成中空腔（28），上腔体上设有联通上空腔和中空腔的导气管（211），封盖内设有第三动密封结构（14），下拉伸杆和下釜体之间设有静密封结构（52）；封盖和上釜体之间设有密封圈（7）；下釜体外周面上包覆有加热丝层（39），加热丝层外部设有绝热层（38）；第一动密封结构、第二动密封结构和第三动密封结构均包括由上至下依次排列的第一密封圈（201）、第二密封圈（202）、625合金垫圈（203）和弹簧（204）；第一密封圈和第二密封圈均采用柔性石墨材料制成。

2.根据权利要求1所述的轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，上环形支撑件和下环形支撑件均为螺母，与第二动密封结构和支撑凸台之间的第一竖向通孔相对应的上腔体设有排气孔（281），排气孔与第一竖向通孔联通；上腔体下部设有与中腔体联通的导气管口（29）、进气口、出气口、数字传感器接口、压力传感器接口和爆破片口。

3.根据权利要求1所述的轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，下釜体包括设有第二竖向通孔的下腔体（31），设于下拉伸杆上的与下腔体下部配合的环形凸台（32），设于下腔体下端和下拉伸杆之间的第一螺帽（33）和第二螺帽（34），第一螺帽与下拉伸杆螺纹连接，第二螺帽位于第一螺帽外部并与下腔体螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，上拉伸杆上部设有横向通孔（41）。

5.根据权利要求1所述的轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，下拉伸杆下端设有与拉伸机连接的连接杆。

6.根据权利要求1所述的轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，封盖包括可伸入上拉伸杆的阶梯孔（11），阶梯孔的直径由上至下逐渐增大，第三动密封结构位于阶梯孔中部内，阶梯孔下部内设有封盖螺母（13），封盖螺母下部伸入第一竖向通孔中。

7.根据权利要求1所述的轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，第一密封圈、第二密封圈的横截面均为梯形，第一密封圈和第二密封圈组合在一起的横截面构成矩形；625合金垫圈横截面为矩形。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的轻便式高温高压力学试验装置，其特征是，静密封结构包括由上至下排列的第一密封圈（201）、第二密封圈（202）、625合金垫圈（203）、第一密封圈和第二密封圈；每个第一密封圈、第二密封圈的横截面均为梯形，相邻的第一密封圈和第二密封圈组合到一起的横截面构成矩形。