CN107741363A - 一种框架式超高压环境模拟装置与试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及深海环境模拟装置技术领域，特指一种框架式超高压环境模拟装置，包括压力模拟系统与温度调节系统，所述压力模拟系统包括筒体与框架，筒体与框架对应设置，温度调节系统包括水箱、设于水箱内部的温度控制元件与设于筒体内部的温度控制元件。本发明采用这样的结构设置，在保证体积和压力两项指标同时满足测试需求的基础上，又能够有效仿真高温条件，实现温度自动调节控制，其结构合理，控温效果快速有效。

Description

一种框架式超高压环境模拟装置与试验方法
技术领域
本发明涉及深海环境模拟装置技术领域，特指一种框架式超高压环境模拟装置与试验方法，具体涉及到一种可以高效模拟深海超高压环境及实现温度仿真与控制的装置，主要为深海科考装备提供压力测试支持以及为开展深海地质、生物等研究提供原位监测模拟平台。
背景技术
深海探测及运载仪器和装备在研制和运用过程中必须考虑到水静压力的影响，这就需要利用专门的压力试验装备来模拟深海环境，在深海仪器设备进入深海之前进行针对深海仪器设备的耐压强度、水密性能、抗疲劳性能或者高压条件下的功能性等各项性能指标测试。2016年我国已经正式启动了国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项，计划在“十三五”期间完成全海深载人潜水器的研制，受静水压100Mpa以上就属于深海超高压力范畴，而目前公认的全海深深度为11000米，静水压强约为110Mpa，如果按照1.5的安全系数计算，则全海深载人装备需要至少承受165Mpa的压强。所以作为全海深深海装备提供水静压力试验的模拟装置，其工作筒体一方面需要模拟至少大于165Mpa的深海超高压力，另一方面在工作时也要保证工作筒体能够装下深海装备，这样筒体内径的尺寸设计至少不小于2M，因此这对其工作压力和体积的要求都比较高。由于运用范畴及技术受限，在全海深背景下，目前我国还没有深海模拟装置能够在压力和容积两项技术指标上同时满足上述要求。
另一方面，深海模拟装置常常被运用于海洋地质、海洋生物等领域进行模拟实验，为深海科考原位获取的数据提供实验验证。作为科考数据验证时，除了需要模拟深海高压环境的同时，也需仿真不同温度的环境。在深海不同区域温度都是变化的，特别是随着海洋热液被发现以来，人们对热液矿、热液生物的研究方兴未艾，研究矿物、生物在高压高温下的物理化学应变参数，这些新的研究领域也推进了深海高压高温环境模拟装置研发的进程。
专利201410157296.8：深海超高压环境模拟与检测装置，公开了一种超高压、大体积的深海高压模拟检测装置，但是专利未能实现温度仿真的功能；专利201610407281.1：深海高温高压环境模拟装置，通过在压力筒外增设一个夹套的方式来实现调温介质对筒体的外壁进行加热，然后通过筒壁热量传递给筒内的工作介质从而达到给内部工作介质加温的目的，这种加热方式，虽然结构和操作相对比较简单，但是温度调节的效率比较低，而且如果是涉及到模拟超高压力的筒体，往往其筒壁14厚度都会比较大，这样如果单独通过这种方式，调温效率会更低，甚至这个加热方法在筒壁厚度比较大的压力筒上不可行，同时，采用种方法会导致压力筒内部中间位置与筒壁附近的介质温度分布不均匀。
所以，针对上述问题，本专利发明了一种模拟深海超高压力的装置，特别是涉及到一种框架结构的超高压模拟装置，在满足超高压静水试验的同时，又能高效实现温度自动调节控制的目的。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种框架式超高压环境模拟装置与试验方法，在保证体积和压力两项指标同时满足测试需求的基础上，又能够有效仿真高温条件，实现温度自动调节控制，其结构合理，控温效果快速有效。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种框架式超高压环境模拟装置，包括压力模拟系统与温度调节系统，压力模拟系统包括筒体与框架，筒体与框架对应设置，温度调节系统包括水箱、设于水箱内部的温度控制元件与设于筒体内部的温度控制元件。
进一步而言，所述筒体采用钢合金材料制成，筒体包括芯筒、上端盖与下端盖，芯筒采用上下两端设有开口的圆筒结构设置，上端盖设于芯筒的上端开口处，且通过密封装置密封于芯筒的上端开口，下端盖设于芯筒的下端开口处，且通过密封装置密封于芯筒的下端开口，芯筒、上端盖与下端盖对应连接构成一个密闭腔体。
进一步而言，所述上端盖的上端面设有用于起吊装置起吊用的T型槽，下端盖两侧对应设置有自动升降装置。
进一步而言，所述下端盖上还设有加压孔，加压孔一端连通于筒体内部，所述加压孔另一端通过增压器高压泵连接于水箱。
进一步而言，所述密封装置包括组合密封圈与随动环，组合密封圈设于随动环上。
进一步而言，所述框架包括上半圆梁、下半圆梁与立柱，立柱上端通过具有一定预应力的扁钢丝缠绕于上半圆梁，立柱下端通过具有一定预应力的扁钢丝缠绕于下半圆梁。
进一步而言，所述筒体的筒壁外层设有用于隔热保温的隔热保护层。
进一步而言，所述设于水箱内部的温度控制元件包括电加热器与温度传感器。
进一步而言，所述设于筒体内部的温度控制元件包括加热元件与感温探头，加热元件与感温探头对应设置，且通过水密封器外接有控制系统。
一种框架式超高压环境模拟装置的试验方法，其步骤如下：
步骤一，将待测样品或深海装备仪器放置筒体内，外部起吊装置通过T型钩将上端盖吊至筒体上端开口处并闭合密封，框架在外部的液压系统作用下移动到工作位置，保证框架的上半圆梁、下半圆梁的下端面分别与上端盖、下端盖外表面对齐，两者之间有2～3mm的间距；
步骤二，通过水箱中的电加热器把水加热到预设温度后，再由增压器高压泵将水经过下端盖上的加压孔输送到筒体内，当筒体内水静压力达到预设压力值后，加压孔阀门关闭装置停止升压工作，系统进入水静压力保压耐压试验，当筒体内被工作介质水填满后，筒体内部温度调节系统开始启动，筒体内上下两个感温探头将筒体内的实时温度反馈至外部控制系统，如果筒体内温度低于预设温度时，外部控制系统将增大筒体内加热盘管或电阻丝的功率进行温度自动补偿；
步骤三，模拟装置在进行水静压力试验时，筒体和框架将筒体内压力有效分解，这样大大提升了整个压力模拟系统的承压能力和操作安全系数；
步骤四，试验的保压耐压阶段结束后，通过系统其他的泄压阀门和管道将内部的工作介质水排尽，框架在外部液压系统作用下移出工作位置，起吊装置把上端盖打开，将筒体内样品或深海装置仪器取出，试验结束。
本发明有益效果：
本发明采用这样的结构设置，整体结构设计创新及合理，一方面采用筒体和框架相结合的承压结构，工作时，筒体和框架分别承受径向压力和轴向压力，并结合上端盖与下端盖大尺寸大重量的特点，单独设置对应的升降装置，实现上端盖自动闭合和下端盖自动升降功能，另一方面采用先预热后加热保温的方法，设计了一套能够高效实现温度控制系统，通过本深海超高压模拟装置，可以实现大压力、大体积的深海环境模拟，同时通过温度调节系统，能够快速实现高温及温度控制均匀的深海条件，大大缩短了工作介质升温时间。
附图说明
图1是本发明整体结构外部示意图；
图2是本发明筒体与框架剖视示意图；
图3是本发明整体结构工作原理图。
1.筒体；11.芯筒；12.上端盖；13.下端盖；14.筒壁；15.隔热保护层；16.T型槽；17.组合密封圈；18.随动环；19.自动升降装置；2.框架；21.上半圆梁；22.下半圆梁；23.立柱；3.水箱；31.电加热器；32.温度传感器；4.加热元件；41.控制系统；42.感温探头；5.水密封器；6.增压器高压泵；7.加压孔。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1至图3所示，本发明所述一种框架式超高压环境模拟装置，包括压力模拟系统与温度调节系统，压力模拟系统包括筒体1与框架2，筒体1与框架2对应设置，温度调节系统包括水箱3、设于水箱3内部的温度控制元件与设于筒体1内部的温度控制元件。以上所述构成本发明基本结构。
本发明采用这样的结构设置，一方面通过筒体1与框架2相结合的承压结构，工作时，筒体1与框架2可分别承受径向压力和轴向压力，另一方面通过温度调节系统实现先预热后加热保温的方法，设计了一套能够高效实现温度控制系统，通过本深海超高压模拟装置，可以实现大压力、大体积的深海环境模拟，同时通过温度调节系统，能够快速实现高温及温度控制均匀的深海条件，大大缩短了工作介质升温时间。本发明所述工作介质为淡水或者海水。
更具体而言，所述筒体1采用钢合金材料制成，筒体1包括芯筒11、上端盖12与下端盖13，芯筒1采用上下两端设有开口的圆筒结构设置，上端盖12设于芯筒11的上端开口处，且通过密封装置密封于芯筒11的上端开口，下端盖13设于芯筒11的下端开口处，且通过密封装置密封于芯筒11的下端开口，芯筒11、上端盖12与下端盖13对应连接构成一个密闭腔体。本发明优选的上端盖12与下端盖13采用浮动结构设计，可随筒体1内工作压力大小浮动，采用这样的结构设置，作为深海环境模拟的空间，使筒体1可承受工作时的径向压力。
更具体而言，所述上端盖12的上端面设有用于起吊装置起吊用的T型槽16，下端盖13两侧对应设置有自动升降装置19。采用这样的结构设置，上端盖12上的T型槽16可通过外部起吊装置的T型钩进行配合使用实现升降效果，下端盖13通过自动升降装置19实现升降效果，用于更好实现端盖与芯筒11之间的密封功能。
更具体而言，所述下端盖13上还设有加压孔7，加压孔7一端连通于筒体1内部，加压孔7另一端通过增压器高压泵6连接于水箱3。采用这样的结构设置，通过增压器高压泵6将水箱3内的工作介质通过加压孔7输送至筒体1内。
更具体而言，所述密封装置包括组合密封圈17与随动环18，组合密封圈17设于随动环18上。采用这样的结构设置，使随动环18与芯筒11的筒壁14之间形成密封部分，当芯筒11的筒壁14因压力升高而扩大时，随动环18会跟随内径变化而扩大，从而带动组合密封17跟随移动，自动弥补工作时产生的密封间隙。
更具体而言，所述框架2包括上半圆梁21、下半圆梁22与立柱23，立柱23上端通过具有一定预应力的扁钢丝缠绕于上半圆梁21，立柱23下端通过具有一定预应力的扁钢丝缠绕于下半圆梁22。采用这样的结构设置，通过上端盖12与下端盖13将筒体1内的轴向压力传递给所述框架2，使框架2可承受工作时的轴向压力。
更具体而言，所述筒体1的筒壁14外层设有用于隔热保温的隔热保护层15。采用这样的结构设置，通过隔热保护层15用于隔热保温。
更具体而言，所述设于水箱3内部的温度控制元件包括电加热器31与温度传感器32。采用这样的结构设置，通过温度传感器32将水箱3的实时温度反馈到控制系统41，控制系统41根据反馈信息控制电加热器31的功率从而达到自动控制温度的目的，水箱3加热主要用于对工作介质提前进行加温预热。
更具体而言，所述设于筒体1内部的温度控制元件包括加热元件4与感温探头42，加热元件4与感温探头42对应设置，且通过水密封器5外接有控制系统41。采用这样的结构设置，水密封器5具有良好的密封性能，优选的，其内芯采用绝缘耐高温的四氟材料，与每个加热元件4对应设置有一个感温探头42，感温探头42一端同样通过水密封器5与外部的控制系统41连接，本发明所述加热元件4可选加热盘管或电阻丝，筒体1内部温度自动调节原理和水箱3的水温调节原理一致。
一种框架式超高压环境模拟装置的试验方法，其步骤如下：
步骤一，将待测样品或深海装备仪器放置筒体1内，外部起吊装置通过T型钩将上端盖12吊至筒体1上端开口处并闭合密封，框架2在外部的液压系统作用下移动到工作位置，保证框架2的上半圆梁21、下半圆梁22的下端面分别与上端盖12、下端盖13外表面对齐，两者之间有2～3mm的间距；
步骤二，通过水箱3中的电加热器31把水加热到预设温度后，再由增压器高压泵6将水经过下端盖13上的加压孔7输送到筒体1内，当筒体1内水静压力达到预设压力值后，加压孔7阀门关闭装置停止升压工作，系统进入水静压力保压耐压试验，当筒体1内被工作介质水填满后，筒体1内部温度调节系统开始启动，筒体1内上下两个感温探头42将筒体1内的实时温度反馈至外部控制系统41，如果筒体1内温度低于预设温度时，外部控制系统将增大筒体1内加热盘管或电阻丝的功率进行温度自动补偿；
步骤三，模拟装置在进行水静压力试验时，筒体1和框架2将筒体1内压力有效分解，这样大大提升了整个压力模拟系统的承压能力和操作安全系数；
步骤四，试验的保压耐压阶段结束后，通过系统其他的泄压阀门和管道将内部的工作介质水排尽，框架2在外部液压系统作用下移出工作位置，起吊装置把上端盖12打开，将筒体1内样品或深海装置仪器取出，试验结束。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：包括压力模拟系统与温度调节系统，所述压力模拟系统包括筒体(1)与框架(2)，所述筒体(1)与框架(2)对应设置，所述温度调节系统包括水箱(3)、设于水箱(3)内部的温度控制元件与设于筒体(1)内部的温度控制元件。
2.根据权利要求1所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述筒体(1)采用钢合金材料制成，所述筒体(1)包括芯筒(11)、上端盖(12)与下端盖(13)，所述芯筒(1)采用上下两端设有开口的圆筒结构设置，所述上端盖(12)设于芯筒(11)的上端开口处，且通过密封装置密封于芯筒(11)的上端开口，所述下端盖(13)设于芯筒(11)的下端开口处，且通过密封装置密封于芯筒(11)的下端开口，所述芯筒(11)、上端盖(12)与下端盖(13)对应连接构成一个密闭腔体。
3.根据权利要求2所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述上端盖(12)的上端面设有用于起吊装置起吊用的T型槽(16)，所述下端盖(13)两侧对应设置有自动升降装置(19)。
4.根据权利要求2所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述下端盖(13)上还设有加压孔(7)，所述加压孔(7)一端连通于筒体(1)内部，所述加压孔(7)另一端通过增压器高压泵(6)连接于水箱(3)。
5.根据权利要求2所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述密封装置包括组合密封圈(17)与随动环(18)，所述组合密封圈(17)设于随动环(18)上。
6.根据权利要求1所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述框架(2)包括上半圆梁(21)、下半圆梁(22)与立柱(23)，所述立柱(23)上端通过具有一定预应力的扁钢丝缠绕于上半圆梁(21)，所述立柱(23)下端通过具有一定预应力的扁钢丝缠绕于下半圆梁(22)。
7.根据权利要求1所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述筒体(1)的筒壁(14)外层设有用于隔热保温的隔热保护层(15)。
8.根据权利要求1所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述设于水箱(3)内部的温度控制元件包括电加热器(31)与温度传感器(32)。
9.根据权利要求1所述一种框架式超高压环境模拟装置，其特征在于：所述设于筒体(1)内部的温度控制元件包括加热元件(4)与感温探头(42)，所述加热元件(4)与感温探头(42)对应设置，且通过水密封器(5)外接有控制系统(41)。
10.根据权利要求1～9所述一种框架式超高压环境模拟装置的试验方法，其步骤如下：
步骤一，将待测样品或深海装备仪器放置筒体(1)内，外部起吊装置通过T型钩将上端盖(12)吊至筒体(1)上端开口处并闭合密封，框架(2)在外部的液压系统作用下移动到工作位置，保证框架(2)的上半圆梁(21)、下半圆梁(22)的下端面分别与上端盖(12)、下端盖(13)外表面对齐，两者之间有2～3mm的间距；
步骤二，通过水箱(3)中的电加热器(31)把水加热到预设温度后，再由增压器高压泵(6)将水经过下端盖(13)上的加压孔(7)输送到筒体(1)内，当筒体(1)内水静压力达到预设压力值后，加压孔(7)阀门关闭装置停止升压工作，系统进入水静压力保压耐压试验，当筒体(1)内被工作介质水填满后，筒体(1)内部温度调节系统开始启动，筒体(1)内上下两个感温探头(42)将筒体(1)内的实时温度反馈至外部控制系统(41)，如果筒体(1)内温度低于预设温度时，外部控制系统将增大筒体(1)内加热盘管或电阻丝的功率进行温度自动补偿；
步骤三，模拟装置在进行水静压力试验时，筒体(1)和框架(2)将筒体(1)内压力有效分解，这样大大提升了整个压力模拟系统的承压能力和操作安全系数；
步骤四，试验的保压耐压阶段结束后，通过系统其他的泄压阀门和管道将内部的工作介质水排尽，框架(2)在外部液压系统作用下移出工作位置，起吊装置把上端盖(12)打开，将筒体(1)内样品或深海装置仪器取出，试验结束。
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