CN1095477A - 高压氧环境中密封件的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种测试富氧环境中所用密封元件的试验的装 置。该装置可重现使用环境并在该状态下操作。该 试验装置包括一个带有内腔的外壳，与气态或液态氧 和氮相连，且具有一根伸入外壳内往复运动的致动 轴。阀门密封件支撑在定位器上且压在联接管的密 封表面上，以测试阀门的密封操作；密封圈支撑在外 壳内的内衬元件上。压力传感器确定是否保持有效 的密封，温度传感器保证动态密封圈的温度不超出性 能指标。为测试各种阀门密封件可更换定位器和联 接管。

Description

一般而论，本发明涉及试验装置领域，特别是密封部件的试验装置领域。

高压氧环境本来就是很危险的。平常后果不严重的事情也可能造灾难，因为高压和伴随的高温极易引起燃烧，而且富氧环境很快即可将燃烧变成灾难。这正是液态氧（LOX）或高压气态氧（GOX）系统中所用密封件所处的情况。在常压下，或在大气中，密封件的失效可能导致系统停止运转，但通常也仅此而已。然而在LOX或GOX系统中，同样的情况可导致整个系统的毁坏，故障可造成密封部件起火，随后引燃包括总泵和其他设备在内的燃烧链。

设计在LOX或GOX中工作的设备的主要困难是现有的实验程序不能表明特定的密封元件是否完全适用于特定系统。确定密封元件在LOX或GOX中使用的适用性的标准试验是美国材料试验学会（地址：1916    Race    Street，Philadelphia，PA    19103    U.S.A.）公布的ASTM试验法    G86，题为“确定在高压氧环境中材料对于机械冲击的点火敏感性的标准试验法”。该试验是使试验物品在一个已经引入了LOX或GOX气氛的腔室内通过撞针自预定高度落下受到机械冲击。

但是这种试验方法与密封件在使用中实际经受的载荷几乎没有关系。因此很明显，该试验与密封元件完成其基本功能-密封的能力无关。该试验只能表明材料对一次冲击的反应。但是在使用中，阀门密封元件不是经受一次冲击，而经常是在很高的频率下遭受多次冲击。其它的密封件，例如密封圈，从不经受冲击载荷而是经受摩擦载荷，而是使材料磨损和造成其温度升高。

另外，该试验方法还完全没有考虑绝热压缩效应。例如在LOX或GOX系统这样的压力高、容积较小的环境中，由正常的动作（例如关闭阀门）所造成的压力波即可带来灾难性的效果，因为压力的升高导致流体绝热温度的上升，并且由于压缩波很快传遍该系统，所以温度的升高实际上是瞬时的。例如在一个10，000psi的系统中，这样的压力波可以在密封元件周围的介质中产生1000°F的温升。这种热负荷的种类与ASTM试验所揭示的情况有显著的不同，且能够造成看起来完全适用的密封件失效。几次灾难性的系统故障就归因于这种现象。

在本技术领域，至今还未发明出一种有效的、可接受的密封件试验程序。例如，1991年3月19日发表在Turner上题为“密封垫圈试验装置”的美国专利US    5，000，033确实提出了测试密封圈的问题，但它没有涉及LOX/GOX环境的特殊问题。这样就没有尝试重现实际使用条件，似乎一种标准的试验装置就足以满足所有被试验物品。另外，也没有准备监测材料在使用过程中的温度变化-这一密封圈在LOX/GOX中使用的主要失效方式。当然对于除密封圈以外的其它密封元件的试验也未涉及。其它公开的密封件试验装置和试验方法也没有抓住LOX/GOX系统的特殊问题。这些参考文献包括美国专利US    4，903，529（发明人HODGE，1990年2月27日，题为“阀门系统分析装置”）;US    3，400，572（发明人MIZENKO，1968年9月10日，题为“密封件评价试验装置”）;和US3，213，674（发明人SALCIDO，1965年10月26日，题为“工具”）。

这种故障的基本结果是延长开发时间和增加费用，因为在ASTMG86试验中，低成本密封材料在高压下连续遭到破坏。例如已经发现，对已知在实际应用中能经受10，000psi压力的标准材料进行测试，未能通过现有的试验，这主要是由于载荷特性不同。面对这种情况，工程师们必须要么选择另一种不同的密封材料，要么为该试验程序找出一个例外。如果选择后者，现有的代用材料至少要贵一个数量级，即一个费用应在5美元范围的密封装置要花大约50美元。更不要说，推广到整个系统，总费用的增加是相当大的。但是尽管如此，现在的情况就是现有的材料均不能通过ASTM试验，尽管事实上工程师们知道，一些特定的现有密封装置是完全能够胜任的。这样，必须要投入时间、人力和金钱，证实一个该试验程序的例外，但这要增加开发费用和延长开发时间。

因此需要有一种简单的、直接的并能得出可靠结果的密封元件试验方法。

本发明的主要目的是提供一种能可靠地对用于富氧环境中的密封元件进行试验的装置。

本发明的另一个目的是提供一种能在再现的实际应用环境中对阀门密封件和密封圈均可进行试验的装置。

本发明还有一个目的是提供一种装置，它能够代替现有的富氧环境中所用物品的试验装置。

这些和其它一些目的在本发明中得到实现，本发明是一种用于富氧环境中所选定密封用途的密封元件的试验装置，它包括下列部件。一个通常为圆柱状的外壳，在其中构成一个纵向伸展的内腔，带有流体入口，用于向外壳的内腔提供选定高压的富氧流体。一个为该外壳提供往复直线运动动力源的致动装置，包括一根伸入外壳的内腔的致动器轴。密封元件的试验部分位于外壳的内腔之内，包括密封元件支撑装置，用于将密封元件固定在致动器轴上，该支撑装置适合于给密封元件提供选定的固定方法、密封程度和密封表面，且设计成能再现选定的密封应用场合。一个第一监测装置，确定密封元件是否与密封表面形成有效的密封;以及一个第二监测装置，确定密封元件与富氧环境之间是否发生了有害反应。

本发明的一个优选型式是对阀门密封件和密封圈同时进行试验，它包括下列部件。一个通常为圆柱状的外壳，在其中构成一个纵向伸展的内腔。附着其上的是一个流体入口装置，包括一个氧气供应装置，用于以选定的高压向外壳的内腔提供气态氧;氮气供应装置，用于以选定的高压向外壳的内腔提供气态氧;氮气供应装置，用于以选定的高压向外壳的内腔提供气态氮;以及选择装置、用于在氧气供应装置和氮气供应装置之间进行转换。致动轴装置，适于使外壳做往复直线运动，且伸入外壳的内腔之内。一个缓冲装置，位于流体与外壳内部的联通处，用于改变可用来吸收在其中传播的压缩波的流体量。

试验是利用位于外壳装置内部的测试阀门密封件和密封圈的密封元件试验装置实现的。这个系统包括一个阀门密封件试验部分，该部分本身包括支撑阀门密封件的阀门密封件定位器，该定位器可拆卸式地安装在致动轴上，做往复直线运动;与阀门密封件相互作用的联接管装置，包括一个入口部分，它与流体入口装置有流体联通;阀门密封件密封表面装置，适于与阀门密封件呈密封接触。该阀门密封装置和联接管装置适于根据特定的应用场合为阀门密封件提供选定的固定方法、密封度和密封角。阀门密封泄漏监测装置，确定阀门密封件和阀门密封表面的相互作用是否形成有效的密封。

密封圈试验部分包括将密封圈固定在致动轴上的密封圈定位器，和根据选定的应用情况支撑密封圈的密封圈密封表面装置。密封圈泄漏监测装置用于确定密封圈与密封圈密封表面装置的相互作用是否形成了有效的密封，密封圈温度监测装置确定密封圈是否处于选定的应用场合的温度极限之内。试验控制装置使致动轴装置在一个关闭位置和一个打开位置之间做往复运动，在关闭位置，阀门密封件在选定的压力下压在阀门密封件密封表面装置上，在开放位置，阀门密封件位于与阀门密封件密封表面相距一选定距离之处，其运动根据选定的应用情况以选定的速度进行。

以下将结合附图来详细描述本发明，附图中：

图1是本发明一个实施例硬件部分的侧面图，部分剖视以表示其内部零件;

图2是图1所绘实施例试验组件的纵剖面图;

图3是图2所示试验组件部分放大的细部截面图;

图4是本发明优选实施例的示意图;

图5是本发明另一实施例的示意图。

本发明涉及密封装置，尤其是用于富氧环境的密封装置。本发明适用于各种类型的密封装置，但在优选实施例中所涉及的是由弹性材料制成且具有两种基本结构之一的最普通的密封装置。一种通常为环形，放在槽内或压盖内，这种密封件在此一般称为“密封圈”或“O型环”。另一种密封件常见于阀门机构，一般为盘形的密封元件，它固定在阀杆上，且与阀座的密封表面呈密封接合。这种密封件在此一般称为“阀门密封件”。必须指出的是，本发明并不局限于这两种指明类型的密封元件，它们只起说明作用。

根据本发明的密封结构试验装置示于图1。一般而言，完整的密封结构试验装置可以看作两个组件，致动装置联结组件12和试验装置组件14（最好见图2），它与其附属电子系统相连，构成示意性地示于图4和图5中的系统。试验组件设计为可以重现密封件的工作环境，包括定位装置、密封表面和类似部件，以及提供在适当压力和温度下的引入的流体。还提供了监测适当的系统变量（通常为相关点的压力和温度）的传感器。此组件可以重现被试密封件的工作环境，因此有些特殊的设计细节将相应改变。

该致动装置联接组件起往复直线运动动力源的作用，输出到试验装置的输入轴32。该运动由致动器16产生，如下所述，可以电力传动也可以液压传动。动力最好是由电动线性致动器提供。在致动器轴22和试验装置输入轴32之间有一个弹簧套管组件24、一个测力传感器联结装置26和一个测力传感器28。对于此技术，所有这些元件都是广为人知的和易于获得的，就所述实施例，测力传感器的额定范围最好为0～5，000磅。在结构上，致动器的前安装凸缘18固定在致动器的壳体本身上，定位组件20靠螺纹拧在其上。该定位组件最好有四根杆，在其每端均有螺纹，或者也可采用其它结构，一是采用不同数目的杆，再是采用固体结构（例如，用一段管材）。试验组件凸缘则利用传统方法（如螺纹）联结在定位组件上。

如上所述，根据所试验的密封件，试验组件14可以采取几种不同结构。这里所示的典型实施例（最好见图2）设计为可适应各种阀门密封件和动态密封圈。试验组件一般要求有一个外壳，例如外壳34，设计为能承受所需的压力;固定所试密封件的夹具和提供密封表面，例如阀座定位器62和联接管70;和一个与合适的流体供应源相联的联接装置，例如套管74。人们已经发现，在外壳内提供衬管50对于重现试验环境是有利的。所有这些元件应尽可能地用与工作环境中所用相同的材料制作。

外壳最好为圆柱形，用高强度、耐腐蚀的材料（如SS-304不锈钢）制成。一个突出的安装台肩35自外壳的尾端径向凸出，一个压力腔36向外壳内部轴向延伸达一定深度，最好刚好超过其长度的一半，在其靠近外端处有螺纹。输入孔38自压力套管的底部向外壳的尾端轴向延伸。

衬管50的尺寸适于装入压力腔36，其长度小于套管无螺纹部分的深度。衬管和压力套管之间的密封可由密封圈52建立，对于本领域的技术人员这是可以理解的。一个轴向孔使衬管的长度延伸，包括衬管输入孔56，且与外壳输入孔相配合并具有相同的内径。压力试验孔58的内径大于衬管输入孔的内径。衬管必须用强度极好、阻燃、光滑、和能保持良好表面光洁度的材料制成。一般而言，选择衬管的材料有必要与轴32所用的材料有所区别以避免磨损。例如，优选的衬管材料是Monel    K500（蒙乃尔高强度耐蚀镍铜合金）和A464    Naval    Brass（海军黄铜）。

联接管70在衬管上部装入压力套管，伸入衬管试验孔之内。在联接管上有阶梯73，所以一部分联接管的外径与试验孔的内径大约相等，而联接管阶梯之下的部分直径较小。联接管的尺寸是定好的，所以它不会伸入到压力套管的螺纹部分。联接管通道72沿轴向延伸，长度与联结管相等。

带螺纹的入口套管74拧入压力套管内支撑在联接管上（随后为衬管）。在套管的内端可以在适当的压盖内提供密封圈77，而其外端可制成有助于拧紧的形式，最好是六角形。结合密封圈52和77，套管和压力套管所采用的螺纹类型应选择能在设计的负载下提供足够的密封强度的，在本实施例中为10，000psi。装配件75提供了与高压试验气源的连接。高压气源在所示的情况下为高压氧气（GOX）或氮气（GN2），详述如下。应该清楚，在此所用的术语“高压试验气体”指的是GOX或GN2之一。

输入轴32通过外壳输入孔38和输入腔56伸入试验组件，而后再伸入压力试验腔58。该轴和衬管之间的滑动配合很重要，而且该轴最好用不锈钢制成（例如316L或304L）且其表面保持8RMS左右。在轴上提供有动态密封圈试验支撑装置60，其位置可使轴的往复运动能在衬管内的端点之间运送试验密封圈。

为了试验阀座，在输入轴的端头安装有阀座定位器62（最好用螺纹），如图所示。阀座罩64向外伸出，与压力试验腔的壁呈滑动配合，在其中形成阀座孔腔67，被试阀座66被带入阀座孔腔由适当的装置（如螺钉68）固定。

必须指出，联接管70和阀座定位器62适于试验特定设计的阀座。在试验选定设计类型的阀座时，必须要考虑进行某种改变，包括阀座的尺寸和形状、所采用的固定方法、密封的程度和用来影响密封的密封角度。为了使阀座准确地经受实际使用中所受的应力，设计人员应提供一个联接管，它能重现将用到该阀座的密封环境。所示示的实施例给出了一种这样的联接管/定位器，其中一个圆形阀座支撑在一个凸台上，而且通过与有一定角度的密封表面79相接触而起到密封作用。应该清楚，要试验另一种设计类型的阀座可以通过过简单地更换阀座定位器和联接管（以及下面将讨论的改变软件）来实现。这样要试验多种阀座只需要很少的硬件储备，且改变阀座时所需的设定也最小。

这样，这个装置为两种不同的密封系统提供了实际的应用情况下的试验，重现实际应用中所遇到的压力、温度、磨损和冲击载荷。为了试验阀座，阀座66固定在阀座定位器62上，且紧紧地压在联接管的密封表面79上，此时驱动轴运动至其闭合位置，且高压试验气体通过入口75、通道76和72供入。围绕阀座的任何泄漏均可在由衬管内壁、联接管管体和定位器的阀座保护罩64所限定的试验区69内观察到。为了探测任何的这种泄漏，在衬管上有阀座监测口59，与外壳的压力孔42相对正。最好提供四个这样的孔，其数目可由本领域专业人员根据特殊需要加以改变。如下所述，这些孔的压力要进行监测以测量阀座密封的效果。

所要试验的第二个密封系统是形成在致动轴上的动态密封圈试验支撑装置60内的O型密封圈61。这里的情况有点复杂，因为动态密封圈的主要问题是由于使用过程中摩擦生热所造成的破坏。这样监测密封圈的温度就很重要。直接测量将很困难，但是一种实用的密封圈温度测量方法是通过测量靠近密封圈的衬管材料的温度获得密封圈的温度，在衬管上提供有热电偶孔55，与外壳的热电偶孔44对正。

本领域的专业人员可以理解到，关键问题是：衬管孔要加工成在该孔的端部和衬管壁之间只留下很少量的衬管材料，以使温度读数精确，但是为了保持机械稳定性还应该留下足够的材料。热电偶孔下面所留的材料量取决于特定的衬管合金和热状态，以及在衬管上构成该孔的方法（即，以60°钻头钻孔、或用端面铣刀镗孔等）。正如为本专业人员所理解的那样，考虑到周期性的压力增加和温度波动，还应该保持足够的材料厚度以承受组件内最大的压力波动。这些安全措施是针对为了提高热电偶读数的精度而减少壁厚的实际情况而采取的。在这里所示的实施例中该孔是用传统的麻花钻钻出的，所剩余的最小厚度为0.036英寸。

这个热电偶孔应与所示密封圈预期的轴向位置对中，并在其中放入适用的热电偶装置，以监测密封圈的任何温度变化。围绕所试密封圈的压力泄漏将在密封圈后面观测到，且可以在位于外壳上且穿通到轴孔的密封圈压力监测孔46中探测到。

很明显，衬管的位置必须与外壳仔细对正以确保多个监测孔的对准。为了保持其位置，一个定位螺钉40自外壳的外表面插入到在衬管表面上适当位置处形成的狭缝54内。这样，随着定位螺钉的就位衬管可以插入外壳内适当位置，而且随后可拧紧入口套管而不会改变衬管的位置。

在轴进入外壳壳体之处提供有适宜的密封材料，例如人字形密封82，由底板84保护。对于动态密封圈试验，用Furon公司以OMNISEAL商标出售的密封件来代替可能是比较理想的，这对于熟悉本专业的人员是显而易见的。试验组件可用本专业内众所周知的方式联接到凸缘30上。如图所示，一种方便和优选的设计的特点是，在外壳壳体34的尾端有一个台肩35装入与之相配合的轭凸缘30上的凹槽内且由卡环80定位，最好由螺栓或类似物固定。

在操作中，密封结构试验装置10作为密封试验系统100的一部分与其相连，如图4所示的与密封结构试验装置相连的传感器和类似元件是传统的，根据图4和下面的讨论本专业人员将很容易明白。试验状态的控制由数字计算机99提供，运行市场上可买到的软件控制整个系统。人们发现，为了这个目的，一台MACINTOSH个人计算机运行LabView2软件已经足够了。

输入系统102向试验组件提供高压试验气体。阀门VA1和VA2相互配合选择GOX或GN2气源，合适的气体在增压泵P1的作用下升高到选定的试验压力。对于本专业人员其安全特性是清楚的，包括释放阀RV1和检查阀CV1。如图中所标明的，所示系统的设计最高压力为10，000psi，释放阀的额定压力为10，500psi，但是也可采用其它压力（按照需要高些或低些）。

要检查阀和试验装置入口之间提供有一个缓冲装置A，有助于试验绝热效应。当缓冲装置阀AV1关闭时，由于压缩波只作用在试验组件内少量气体上，绝热压缩效应增大。打开阀门AV1可提供更大量的空气吸收压缩波，同时减弱绝热压缩。

利用外壳压力孔42（图2），阀座试验通过压力试验子系统104进行监测。压力传感器与合适的阀门（MV4和MV5）等传统部件相连，提供指示试验区69（图2）内压力的信号。在各压力孔42之处分别采用了多个传感器，其布置和协调在本专业内是众所周知的。与其相似，动态密封圈的温度通过温度控制子系统106进行监测，密封圈后部的压力由密封圈压力监测子系统108进行监测。由于温度过高造成潜在危险，所以温度控制子系统包括一个控制回路，能在达到点火温度之前对系统进行释放。

图4所示的系统可以程序化地进行试验，重现实际使用条件。计算机控制GOX或GN2的输入、致动轴在其打开和关闭位置间的操作和监测试验结果。例如，控制计算机可以选择阀门周期时间、阀门密封冲击力（由电动直线致动器的循环速率和轴的速度决定）和气体压力。随后该系统可开始按所选定的循环次数完成指明的试验，进行监测以确保其结果保持在安全范围内，并给出试验结果报告。本专业人员将能够设定这种试验的技术参数以及具体指示该系统监测适用的辅助变量，例如输入气体压力和温度（通过压力和温度传感器PT2和TC1）、环境温度（温度传感器TC3）和类似参数。

在此重要的一点是，在用GOX进行试验之前能够用GN2完成全部试验。与GOX相比，GN2当然是一种惰性介质，高压试验可在初级进行，没有引发点火的危险，而这种点火会在用GOX时造成事故。因此，试验一般进行两次，一次在GN2环境下进行，随后（假设第一轮试验成功）在GOX环境下进行。

图4给出优选实施例，其致动器由电动直线致动器111传动。另外，如图5所示，致动器联结组件也可由液压泵115驱动的液压缸113传动。电动致动器较好，因为它避免了试验表面被液压流体污染的问题，以及附属物点火的危险。

另一个要点是能够具体规定出用于特定用途的专用试验装置。所示的实施例给出了一个密封圈和阀门密封件均能测试的系统。其它的实施例可以设定为只试验密封圈，试验分别利用了该系统的密封圈试验部分（致动轴上的密封圈压盖61）（图2），以及压力和温度监测子系统108和106（图4）。与其类似，另一个实施例可以只试验阀门密封件，试验利用了该装置的阀门密封件部分（夹持器62、联接管70和图2中所示的附件，以及阀门密封件压力监测系统104）。

类似地，本发明也可在LOX及GOX环境下操纵而无损于其效果。本专业人员应该清楚，在不背离本发明实质的前提下，可对本发明进行几方面的改动。例如，可以制造分离的装置试验阀门密封件和密封圈。再有，出于特殊用途的需要可以改变其材料。但是，无论这些或其它一些改变均不能影响本申请的权利要求中单独规定的本发明的范围。

Claims (8)

1、一种用于所选定的富氧环境下密封用密封件的试验装置，包括：

一个外壳(34)，基本为圆柱形，在其中有纵向延伸的内腔；流体入口装置(102，74)，用于向所述外壳的内腔以选定的高压提供富氧流体；

致动器装置(16)，提供所述外壳的往复直线运动的动力源，它包括一根伸入所述外壳内腔的致动轴(32)；

一个密封件试验部分(62，70；60，50)，位于所述外壳内腔之内并且包括：

密封件支撑装置(62，60)，用于将密封件固定在所述致动轴上，所述密封件支撑装置适于为所述密封件提供选定的固定方法、密封度和密封表面，且可重现选定的密封应用情况；

第一监测装置(104，108)，用于确定密封件是否与上述密封表面构成有效的密封；

第二监测装置(106)，用于确定在密封件和富氧环境之间是否发生有害的相互作用。

2、如权利要求1所述的试验装置，其中，所述的密封件是一个阀门密封件（66），并且所述密封件试验部分包括：

支撑所述阀门密封件的阀门密封件定位器（62），所述定位器安装在所述致动轴上，做往复直线运动;

与上述阀门密封件相互作用的联接管装置（70），包括一个与所述流体入口装置呈流体连通的入口部分（72）;以及阀门密封件密封表面（79），适于与所述阀门密封件定位器形成密封接触;

所述阀门密封件定位器和所述联接管装置适合于根据所选定的密封应用情况为所述阀门密封件提供选定的固定方法、密封度和密封角;

阀门密封件泄漏监测装置（104），用于确定所述阀门密封件和所述阀门密封件密封表面之间的所述接触是否形成有效的密封。

3、如权利要求2所述的试验装置，其中，所述密封件试验部分包括使所述致动器装置推动致动轴在关闭位置和打开位置之间往复运动的阀门密封件试验控制装置（99），其中在关闭位置，所述阀门密封件以选定的压力压在所述阀门密封表面上;在打开位置，所述阀门密封件位于与所述阀门密封件密封表面相距一段给定距离之处，所述运动根据选定的应用情况在所给定的速率下完成。

4、如权利要求1的试验装置，其中，所述的密封件是一个密封圈（61），并且其中所述密封件试验部分包括：

支撑上述密封圈的密封圈定位器（60），位于所述致动轴上;

根据所选定的应用情况支撑所述密封圈的密封圈密封表面;

密封圈泄漏监测装置（108），用于确定所述密封圈和所述密封圈密封表面之间的相互作用是否形成有效的密封;

密封圈温度监测装置（106），用于确定所述密封圈是否处于给定应用场合的温度极限内。

5、如权利要求4所述的试验装置，其中，所述密封件试验部分包括密封圈试验控制装置（99），它使所述致动装置推动所述致动轴以选定的速率在第一和第二位置之间往复运动，根据选定的应用情况随时监测所述密封圈泄漏监测装置和所述密封圈温度监测装置的输出值。

6、如权利要求1所述的试验装置，其中，所述流体入口装置（102）包括：

氧气供应装置（GOX，P1），以选定的高压向所述外壳的内腔提供富氧流体;

惰性流体供应装置（GN2，P1），以选定的高压向所述外壳的内腔腔提供惰性流体;

在所述氧气供应装置和所述惰性流体供应装置之间实行转换的选择装置（VA1，VA2）。

7、如权利要求6所述的试验装置，其中，所述阀门密封件定位器可拆卸地安装在所述致动轴上。

8、如权利要求1所述的试验装置，还包括缓冲装置（A），与所述外壳的内腔呈流体连通，以改变所获得的流体量，吸收其内传播的压缩波。

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