CN107462375B - 承压端盖法兰动态密封性能检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冲击动力学技术领域，具体涉及一种承压端盖法兰动态密封性能检测装置和检测方法。承压端盖法兰动态密封性能检测装置包括液压缸、活塞和端盖，液压缸一端安装活塞，液压缸的另一端设置用于安装端盖的法兰，端盖通过螺栓与法兰相连，端盖和法兰之间设置密封结构；端盖的中心设置有压力传感器，端盖与法兰之间设置有位移传感器，用于连接端盖和法兰的螺栓上沿轴向粘贴有应变片，端盖上还设置有用于引出应变片导线的引线槽。本发明通过液压方法产生脉冲载荷，能够克服化爆加载实验准备周期长、火工品操作危险性高等问题；同时也降低了化爆实验平台建立所需的成本。

Description

承压端盖法兰动态密封性能检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于冲击动力学技术领域，具体涉及一种承压端盖法兰动态密封性能检测装置和检测方法。

背景技术

端盖法兰是压力容器、输运管道等承压设备上的常见结构，其主要结构通常包括法兰、端盖、螺栓以及密封材料，通过螺栓压紧法兰和端盖之间的密封材料确保承压设备的密封安全。一般地，上述承压设备的工作载荷是静压或准静态压力，设计时也通常是根据静态压力载荷完成法兰密封结构的设计。但在特殊条件下，如发生爆炸或撞击时，法兰结构的载荷条件就会变成动态的脉冲载荷，如何确保此类动态脉冲载荷下法兰的密封安全，是承压设备设计中面临的重要问题。

对于承压端盖法兰静态密封性能的检测或考核技术已经比较成熟，实验室或工厂中，通过使用氦质谱检漏法测定静压法兰的密封性能。具体方法是完成法兰装配后，将法兰的一侧置于氦气浓度较高的环境中，使用氦质谱检漏仪检测法兰另一侧的氦气浓度变化，从而计算泄漏率，表征法兰的密封性能。通过氦质谱检漏法检查法兰密封性能，需要较长的时间(通常不小于20min)，才能使气体分子充分扩散，给出较准确的漏率结果。因此，氦质谱检漏法主要是针对静态或准静态压力载荷下结构的密封性能进行监测。但动态载荷下，端盖法兰的泄漏往往发生在毫秒甚至微秒量级的时间内，使用氦质谱检漏法无法分析加载瞬间端盖法兰的密封效果。

目前针对端盖法兰的动态密封问题的研究和考核工作多限于理论，而通过实验进行的研究和考核工作相对较少。除上述检测技术方面的问题外，实验研究和考核手段也面临一定的问题。从公开的资料来看，化爆加载是考察承压端盖法兰动态密封性能的常见实验方法，但这种考核研究方法在以下几个方面具有明显的局限性：(1)在实验室中开展化爆实验，需要购买、操作火工品，成本较高，具有较高的危险性；(2)相同的爆炸当量、爆心距离条件下，爆炸载荷的一致性较差，不适宜开展高精度的考核和规律性研究实验；(3)通过化爆的方式开展考核实验，需要爆炸容器或类似的实验平台保证安全性，这些平台的制造提高了考核和研究的成本。

发明内容

本发明目的是提供一种承压端盖法兰动态密封性能检测装置和检测方法，解决了现有的化爆实验检测方法存在的危险性大、精度低、成本高等技术问题。

本发明的技术解决方案是一种承压端盖法兰动态密封性能检测装置，其特殊之处在于：包括液压缸、活塞和端盖，液压缸一端安装活塞，液压缸的另一端设置用于安装端盖的法兰，所述端盖通过螺栓与法兰相连，端盖与法兰间设置有密封槽、密封圈或密封垫等密封结构；

所述活塞包括沿液压缸轴向设置的撞击柱和沿液压缸径向设置的液压盘，所述撞击柱一端与液压盘中心固定连接，撞击柱的另一端伸出液压缸外部；所述液压盘与液压缸的侧壁间隙配合，液压盘与端盖之间形成用于填充液压介质的腔室；

所述端盖的中心设置有压力传感器，端盖与法兰之间设置有位移传感器，用于连接端盖和法兰的螺栓上沿轴向粘贴有应变片，所述端盖上还设置有用于引出应变片导线的引线槽。

进一步地，上述活塞的撞击柱与液压缸之间还安装有导向块，所述导向块的外壁与液压缸的侧壁紧密贴合，导向块的中心设置有供撞击柱穿过的通孔；所述导向块上还设置有一个或者多个供液压介质穿过的轴向通孔。

进一步地，上述撞击柱与液压盘的固定端设置有倒角，所述撞击柱伸出液压缸外部的端部设置有渐细的过渡段。

进一步地，上述承压端盖法兰动态密封性能检测装置还包括用于驱动活塞的驱动装置，所述驱动装置包括密闭的气室和与气室连通的发射管，气室与发射管之间设置有阀门；所述气室上设置有充气口，所述发射管内安装与发射管内壁间隙配合的撞块。

进一步地，上述撞块的质量小于或者等于活塞的质量，撞块的硬度小于活塞的硬度。

进一步地，上述活塞的液压盘与液压缸的底面之间形成的腔室内安装有沿液压缸径向设置的滤波板，所述滤波板是与液压缸侧壁直径相同的圆形钢板，滤波板上开设有多个通孔，所有的通孔均布于同一个与滤波板同心的圆周上。

进一步地，上述液压缸的底面设置有滤波孔，所述压力传感器通过滤波孔与液压缸内的液压介质接触。

本发明还提供一种承压端盖法兰动态密封性能检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建如上任一所述的承压端盖法兰动态密封性能检测装置；

2)撞块撞击活塞，使活塞在液压缸内产生轴向移动；

3)活塞压缩液压介质，利用液压介质的体积压缩效应产生动态压力载荷；

4)压力传感器采集动态加载历程，位移传感器采集动态加载时密封面的间隙变化，应变片采集连接端盖和液压缸法兰的螺栓的拉伸量。

进一步地，步骤1)包括以下步骤：

1.1)在待检测的端盖上安装压力传感器和位移传感器，对压力传感器的接口进行密封；

1.2)在液压缸一端的法兰上安装密封材料，然后使用粘贴有应变片的螺栓固定连接端盖和液压缸的法兰；

1.3)向液压缸内装填液压介质；

1.4)将活塞装入液压缸内，使活塞的液压盘与液压介质充分接触，排出过量的液压介质；

1.5)将导向块装入液压缸内，使活塞的撞击柱穿过导向块后伸出于液压缸外部并去除活塞和导向块之间残留的液压介质；

1.6)在活塞的撞击柱的对侧固定安装驱动装置。

进一步地，步骤2)包括以下步骤：

2.1)关闭阀门，通过充气口向驱动装置的气室内填充加压气体；

2.2)关闭充气口，打开阀门，加压气体驱使撞块在发射管内加速移动；

2.3)撞块脱离发射管后撞击活塞的撞击柱；

2.4)在撞块的撞击下，活塞在液压缸内产生轴向移动。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过液压方法产生脉冲载荷，能够克服化爆加载实验准备周期长、火工品操作危险性高等问题；同时也降低了化爆实验平台建立所需的成本。

(2)本发明通过使用“T型”的活塞和大截面、小长度的液压缸结构，使得产生的载荷脉宽达到10～10³μs量级，峰值达到100MPa量级，一定条件下，本发明所述方法产生的脉冲载荷与化爆载荷效应相似。

(3)本发明通过应变、位移等常见的测量手段，通过分析脉冲载荷下密封面的间隙变化，直接对端盖法兰的动态密封性能进行考核，测试方法简单且高效。避免了氦质谱检漏方法中使用的高成本的氦质谱检漏仪和大量的氦气，同时也避免了包裹氦罩、抽真空等复杂的操作。

附图说明

图1为本发明承压端盖法兰动态密封性能检测装置的较佳实施例结构示意图。

图2为引线槽位置示意图。

其中，附图标记如下：1-气室，2-阀门，3-发射管，4-撞块，5-活塞，6-导向块，7-液压缸，8-液压介质，9-螺栓，10-端盖，11-位移传感器，12-压力传感器，13-引线槽，14-撞击柱，15-液压盘。

具体实施方式

参见图1，本发明提供一种承压端盖法兰动态密封性能检测装置，其较佳实施例的结构主要包括液压缸7、活塞5和端盖10，液压缸7一端安装活塞5，液压缸7的另一端设置用于安装端盖10的法兰，端盖10通过螺栓9与法兰密封连接，另外还包括用于驱动活塞5的驱动装置。

活塞5包括沿液压缸7轴向设置的撞击柱14和沿液压缸7径向设置的液压盘15，撞击柱14一端与液压盘15中心固定连接，撞击柱14的另一端伸出液压缸7外部。液压盘15与液压缸7的侧壁间隙配合，液压盘15与液压缸7的底面之间形成用于填充液压介质8的腔室。端盖10的中心设置有压力传感器12，端盖10与法兰之间设置有位移传感器11，用于连接端盖10和法兰的螺栓9上沿轴向粘贴有应变片。端盖10上还设置有用于引出应变片导线的引线槽13，如图2所示，引线槽13位于端盖10的侧面上，不影响端盖10与法兰的密封连接。

活塞5的撞击柱14与液压缸7之间还安装有导向块6，导向块6的外壁与液压缸7的侧壁紧密贴合，导向块6的中心设置有供撞击柱14穿过的通孔；导向块6上还设置有一个或者多个供液压介质穿过的轴向通孔。

撞击柱14与液压盘15的固定端设置有倒角，撞击柱14伸出液压缸7外部的端部设置有渐细的过渡段。

为提高发生载荷精度，活塞5、导向块6和液压缸7上的配合圆柱面要求研磨配作，其配合关系为间隙配合。导向块6通过外螺纹装入液压缸7中，其主要作用包括两个方面：(1)确保碰撞后活塞5的运动方向沿液压缸7的轴向；(2)调节液压缸7中液压介质8的长度x₀。

为避免液压介质8发生泄漏，导向块6与液压缸7之间、端盖10与液压缸7的法兰之间以及端盖10和压力传感器12之间采用O形圈或金属垫环进行密封。为避免液压介质8从活塞5与导向块6、液压缸7配合柱面的间隙中流出，应选用粘度较大的液压介质8，如蓖麻油。

驱动装置固定于撞击柱14的对侧，用于驱动撞块4撞击活塞5，液压缸7可以通过机械结构与驱动装置固定连接或者固定安装于实验平台的其他结构上，避免在撞块4撞击活塞5时，液压缸7出现旋转或位移。

驱动装置包括密闭的气室1和与气室1连通的发射管3，气室1与发射管3之间设置有阀门2，发射管3内安装撞块4。其作用是利用加压气体驱动撞块4，使撞块4能够以10⁰～10¹m/s量级的速度撞击活塞5。

气室1用于短时间储存加压气体，要求具有较好的强度和密封性。气室1上设置有充气口，根据所需压力的不同，可以选用不同的充气方式，如使用高压气瓶充气、使用普通打气筒充气等，充气完毕后关闭充气口。

气室1的放气通过阀门2控制。放气速度越快，撞块4加速的效果就越好；为便于控制，可使用开合速度较快的电磁阀。另外，要求阀门2具有较好的密封性。

阀门2开启后，加压气体快速进入发射管3，并驱动撞块4运动。为便于加工，可以将发射管3和撞块4的配合面设计为柱形面。为获得较理想的驱动效果，发射管3的内壁应尽量光滑，具有较好的直线度和圆柱度，并在发射管3内壁涂润滑油。为避免反复使用中发射管3内壁损伤、提高其使用寿命，可通过调质处理的方法提高发射管3的硬度。发射管3的长度应适中，长度过短可能导致撞块4加速不充分，长度过长可能导致撞块4脱离发射管3时已经开始减速。

发射前，应将撞块4置于发射管3的底部。为获得较好的加速效果，将撞块4的外径与发射管3的内壁设置为间隙配合关系，且配合间隙不宜过大。过大的配合间隙可能导致加压气体泄漏，也可能导致驱动过程中撞块4与发射管3间碰撞过多，降低驱动效率。

本实施例的具体工作原理如下：

将撞块4的质量记为M，撞块4撞击活塞5时的速度记为v₀，活塞5的质量记为m，则可以建立撞块4与活塞5撞击过程的动量守恒和能量守恒方程：

其中，v₁为碰撞后的撞块4的速度，v₂为碰撞后的活塞5的速度。对上述方程求解，可得：

当液压介质8的体积压缩量较小时，可以认为液压介质8的体积模量为常数。假设液压介质8的几何形状是长度为x₀的圆柱体，t时刻液压介质8被压缩导致的长度减少量为x(t)，k为液压介质8的体积模量。将圆柱形液压介质8的截面积记为S，可以建立压缩过程的控制方程为：

显然，方程(3)的通解为半正弦波脉冲，其脉宽和峰值分别为：

其中T为载荷脉宽，P_max为载荷峰值。

由公式(2)可知，当撞块4的质量等于或小于活塞5的质量时，碰撞后撞块4的速度为零或被反弹，不会对后续活塞5压缩液压介质8的过程产生影响。因此，装置设计时，应保证撞块4的质量不大于活塞5的质量，从而避免撞块4与活塞5发生多次的碰撞，确保考核装置产生的载荷为单个脉冲。理论上，撞块4与活塞5质量相等时，碰撞后撞块4的速度为0，其动能全部转化为活塞5的动能，能量转化率最高。

根据公式(4)，为了减小载荷脉宽T，应减小活塞5的质量、减小液压介质8的初始长度、增大液压介质8的截面积。为了达到这一设计目标，将活塞5设计为“T型”结构，并在大截面和小截面过渡处设计较大的倒角，避免应力集中，提高结构刚度。活塞5与撞块4的碰撞面为椭圆面，并有渐细的过渡段，避免多次碰撞后活塞5端面礅粗，无法从导向块6中取出。为了提高活塞5的使用寿命，要求对活塞5进行调质处理，使其硬度大于撞块4，减少活塞5在碰撞中的变形损伤。

根据公式(4)，为了在确保脉宽较小的情况下提高载荷峰值，可以通过驱动装置提高撞块4的发射速度v₀，从而提高碰撞后活塞5的速度v₂。

在具体的工作过程中，应首先在液压缸7内装满液压介质8，而后将活塞5、导向块6依次装入液压缸7内。装配过程应缓慢操作，将液压缸7内过量的液压介质8缓慢排出，从而避免装配过程中在液压介质8中混入气泡。为了便于过量的液压介质8排出，导向块6上设计了若干通孔。装配结束后，使用注射器从导向块6的通孔中抽出残留在活塞5与导向块6接触平面内的液压介质8，避免这些残留的液压介质8在导向块6与活塞5之间形成额外的液压腔体，影响检测装置的正常工作。

液压缸7上设计了用于安装端盖10的法兰结构，是产生脉冲载荷、测试载荷效应的平台。具体实施时，液压缸7应通过一定的方式固定在实验平台上，避免撞击后液压缸7发生位移或旋转，影响实验结果。

活塞5、导向块6和液压缸7的配合柱面要求研磨配作，加工公差满足间隙配合要求，保证考核装置产生的压力载荷精度。

使用螺栓9连接液压缸7的法兰和端盖10。动态载荷作用下，螺栓9的拉伸变形是考核法兰密封性能的重要参数，考核时通过应变片测试螺栓9的拉伸变形。为了保证螺栓9上具有粘贴应变片的空间，螺栓9不宜选用全螺纹螺栓。具体实施中，应首先用砂纸打磨螺栓9上的无螺纹的柱面，擦洗干净后沿螺栓9轴向粘贴应变片，然后将贴好应变片的螺栓9装入螺栓孔，应变片上的导线从引线槽13引出螺栓孔。为保证液压缸7的法兰和端盖10装配均匀，使用力矩扳手预紧螺栓9，预紧时注意保护应变片和应变片上的导线。预紧完毕后，将应变片接入由电桥、动态应变仪等组成的电测系统，完成应变测试系统的搭建。

为了对动态载荷下密封面间隙变化进行测量，在端盖10上设计了位移传感器11的安装孔。具体实施中，将位移传感器11固定在端盖10上测量密封面的相对位移。如图1所示，为防止液压介质8影响位移测试，位移测点的位置应位于密封结构和螺栓9之间。密封良好的情况下，动态载荷下液压缸7的法兰和端盖10的间隙变化通常在10～10²μm量级，考虑到灵敏度、频响等方面的要求，建议选用光纤位移传感器。

端盖10的中心开孔安装压力传感器12，压力测试的目的是给出法兰动态响应研究的输入载荷。装置工作的过程中涉及碰撞、压缩以及结构响应等过程，直接测量压力载荷可能存在较多的干扰信号。考虑到考核装置产生压力载荷的基本原理是利用液压介质8的体积压缩效应，可以在液压缸7内添加机械滤波结构。

具体实施中，为避免液压介质8泄漏影响测试，所有结构擦洗干净后，应按照以下的步骤装配：

(1)在端盖10上安装压力传感器12和位移传感器11，其中压力传感器12的接口做好密封措施；

(2)在液压缸7的法兰内安装密封材料，完成液压缸7、端盖10的装配，使用力矩扳手预紧螺栓9；

(3)在液压缸7内加满液压介质8；

(4)将活塞5缓慢装入液压缸7，排出过量的液压介质8，注意不要有气泡进入液压介质8；

(5)将导向块6缓慢装入液压缸7，排出过量的液压介质8，然后使用注射器抽净活塞5和导向块6之间残留的液压介质8。

装配完成后，驱动装置发射撞块4撞击液压缸7上的活塞5，产生10～10³μs量级、峰值达到100MPa量级的脉冲载荷，通过应变测试系统和位移测试系统测试密封面的间隙变化，考核端盖法兰的动态密封性能。

基于本实施例承压端盖法兰动态密封性能检测装置进行态密封性能检测的方法包括以下步骤：

1)搭建承压端盖法兰动态密封性能检测装置；

2)撞块4撞击活塞5，使活塞5在液压缸7内产生轴向移动；

3)活塞5压缩液压介质8，利用液压介质8的体积压缩效应产生动态压力载荷；

4)压力传感器12采集动态加载历程，位移传感器采集动态加载时密封面的间隙变化，应变片采集连接端盖10和液压缸7法兰的螺栓9的拉伸量。

较佳地，步骤1)包括以下步骤：

1.1)在待检测的端盖10上安装压力传感器12和位移传感器11，对压力传感器的接口进行密封；

1.2)在液压缸7一端的法兰上安装密封材料，然后使用粘贴有应变片的螺栓9固定连接端盖10和液压缸7的法兰；

1.3)向液压缸7内装填液压介质8；

1.4)将活塞5装入液压缸7内，使活塞5的液压盘与液压介质充分接触，排出过量的液压介质；

1.5)将导向块6装入液压缸7内，使活塞5的撞击柱14穿过导向块6后伸出于液压缸7外部并去除活塞5和导向块6之间残留的液压介质8；

1.4)在活塞5的撞击柱14的对侧固定安装驱动装置。

较佳地，步骤2)包括以下步骤：

2.1)关闭阀门2，通过充气口向驱动装置的气室1内填充加压气体；

2.2)关闭充气口，打开阀门2，加压气体驱使撞块4在发射管3内加速移动；

2.3)撞块4脱离发射管3后撞击活塞5的撞击柱14；

2.4)在撞块4的撞击下，活塞5在液压缸7内产生轴向移动。

与已有的检测装置及检测方法相比，本实施例承压端盖法兰动态密封性能检测装置的优势体现在以下三个方面：

第一，在已经开展的类似工作中，通过化爆加载考核端盖法兰的密封性能。本发明使用实验室常见的冲击动力学实验平台、通过液压方法产生脉冲载荷，能够克服化爆加载实验准备周期长、火工品操作危险性高等问题；同时也降低了化爆实验平台建立所需的成本。

第二，常见的液压载荷发生装置中，通常使用等截面的柱形活塞和液压缸，产生的载荷峰值较小、脉宽较长。本发明为产生脉宽、峰值与化爆载荷相似的脉冲载荷，设计了“T型”的活塞和大截面、小长度的液压缸结构，使得产生的载荷脉宽达到10～10³μs量级，峰值达到100MPa量级。

第三，在常见的静态密封结构性能考核中，常使用氦质谱检漏的方法，需要进行包裹氦罩、抽真空等复杂的操作，还需要成本较高的氦质谱检漏仪和大量的氦气。本发明则通过应变、位移等常见的测量手段，通过分析脉冲载荷下密封面的间隙变化，直接对端盖法兰的动态密封性能进行考核。

Claims (7)

1.一种承压端盖法兰动态密封性能检测装置，其特征在于：包括液压缸、活塞和端盖，液压缸一端安装活塞，液压缸的另一端设置用于安装端盖的法兰，所述端盖通过螺栓与法兰相连，所述端盖和法兰之间设置密封结构；

所述活塞包括沿液压缸轴向设置的撞击柱和沿液压缸径向设置的液压盘，所述撞击柱一端与液压盘中心固定连接，撞击柱的另一端伸出液压缸外部；所述液压盘与液压缸的侧壁间隙配合，液压盘与端盖之间形成用于填充液压介质的腔室；

所述端盖的中心设置有压力传感器，端盖与法兰之间设置有位移传感器，用于连接端盖和法兰的螺栓上沿轴向粘贴有应变片，所述端盖上还设置有用于引出应变片导线的引线槽；

所述活塞的撞击柱与液压缸之间还安装有导向块，所述导向块的外壁与液压缸的侧壁紧密贴合，导向块的中心设置有供撞击柱穿过的通孔；所述导向块上还设置有一个或者多个供液压介质穿过的轴向通孔；

所述撞击柱与液压盘的固定端设置有倒角，所述撞击柱伸出液压缸外部的端部设置有渐细的过渡段；

还包括用于驱动活塞的驱动装置，所述驱动装置包括密闭的气室和与气室连通的发射管，气室与发射管之间设置有阀门；所述气室上设置有充气口，所述发射管内安装与发射管内壁间隙配合的撞块。

2.根据权利要求1所述的承压端盖法兰动态密封性能检测装置，其特征在于：所述撞块的质量小于或者等于活塞的质量，撞块的硬度小于活塞的硬度。

3.根据权利要求1-2中任一所述的承压端盖法兰动态密封性能检测装置，其特征在于：所述活塞的液压盘与液压缸的底面之间形成的腔室内安装有沿液压缸径向设置的滤波板，所述滤波板是与液压缸侧壁直径相同的圆形钢板，滤波板上开设有多个通孔，所有的通孔均布于同一个与滤波板同心的圆周上。

4.根据权利要求3所述的承压端盖法兰动态密封性能检测装置，其特征在于：所述液压缸的底面设置有滤波孔，所述压力传感器通过滤波孔与液压缸内的液压介质接触。

5.一种承压端盖法兰动态密封性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建如权利要求1-4中任一所述的承压端盖法兰动态密封性能检测装置；

2)驱动装置驱动撞块撞击活塞，使活塞在液压缸内产生轴向移动；

3)活塞压缩液压介质，利用液压介质的体积压缩效应产生动态压力载荷；

4)压力传感器采集动态加载历程，位移传感器采集动态加载时密封面的间隙变化，应变片采集连接端盖和液压缸法兰的螺栓的拉伸量。

6.根据权利要求5所述的承压端盖法兰动态密封性能检测方法，其特征在于，步骤1)包括以下步骤：

1.1)在待检测的端盖上安装压力传感器和位移传感器，对压力传感器的接口进行密封；

1.2)在液压缸一端的法兰上安装密封材料，然后使用粘贴有应变片的螺栓固定连接端盖和液压缸的法兰；

1.3)向液压缸内装填液压介质；

1.4)将活塞装入液压缸内，使活塞的液压盘与液压介质充分接触，排出过量的液压介质；

1.5)将导向块装入液压缸内，使活塞的撞击柱穿过导向块后伸出于液压缸外部并去除活塞和导向块之间残留的液压介质；

1.6)在活塞的撞击柱的对侧固定安装驱动装置。

7.根据权利要求5或6所述的承压端盖法兰动态密封性能检测方法，其特征在于，步骤2)包括以下步骤：

2.1)关闭阀门，通过充气口向驱动装置的气室内填充加压气体；

2.2)关闭充气口，打开阀门，加压气体驱动撞块在发射管内加速移动；

2.3)撞块脱离发射管后撞击活塞的撞击柱；

2.4)在撞块的撞击下，活塞在液压缸内产生轴向移动。

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