CN110501123A - 高压及低温环境下密封垫片性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种高压及低温环境下密封垫片性能测试装置，包括测试腔体、液氮致冷系统、电加热控温系统、压力调节系统、抽真空系统、数据采集系统、可视化观察系统。本发明可在较大范围内对系统温度及压力进行控制，可实现测试压力0～5MPa、控温范围‑160℃～+80℃内密封垫片的密封性能测试。

Description

高压及低温环境下密封垫片性能测试装置

技术领域

本发明涉及密封垫片，特别是一种高压及低温环境下密封垫片性能测试装置。

背景技术

在工业生产领域和航空航天等领域的相关设备结构件使用场合，许多情况下既有高压力特征，又有低温度工作条件需求。对于可拆卸式结构而言，其密封件的性能至关重要。为了对密封件产品进行极端条件下的质量和密封效果检测，就需要具备一套检测系统来实现所需的低温及高压真实工况模拟功能。

通过对现有的技术检索发现，已公开专利大都为常温高压、高温高压下的密封垫密封性能测试装置。如CN200910183433.4“高温密封垫片泄漏率测试方法及其测试装置”，CN201820375895.0“一种密封垫的高温状态密封性测试装置”，CN201420143181.9“密封垫片可靠性测试装置”，CN201520173137.7“一种用于密封垫片气密性检测的测试装置”等，而关于既高压又低温的测试装置鲜有报道。专利公开号为CN108332959A的专利“一种高低温密封测试实验台”根据其所述的特征，将密封圈安装于测试缸的密封槽内，整体一并置于调温箱中，虽然题目中涉及高低温，但并未具体阐明调温箱可控温度范围，特别是样件及液压工质所能达到的温度有多低，其调温箱内为非真空状态，未述及气体置换措施，如果是深低温工况，降温后易起雾、结霜，测试缸表面结露、挂霜，难以直观分辨密封件是否泄漏。专利公开号为CN206074195U的专利“一种低温密封试验测试装置”采用氦质谱仪检漏的方式实现漏率检测，低温真空罐浸泡在液氮内，由于测试腔内部是真空环境，没有热传导及对流换热，测试工装降温难，且该系统较适合极微小的漏率，如漏率稍大，就可能直接损坏氦质谱检漏仪，此外，其待测密封件需焊接在低温真空罐顶部，这将破坏测试件。除上述相关专利外，并未发现其他与此有关的发明专利，因此，并未有一种测试装置可对密封件及其工质在同时满足受控深低温度区间及高压力条件情况下进行密封垫片密封性能测试，并且具备直观可视化功能的实验装置。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高压及低温环境下密封垫片性能测试装置，该装置同时实现压力0～5MPa，温度-160℃～+80℃范围内的连续调节控制，实现低温条件下测试过程中密封圈泄漏与否的可视化观测功能，从而评估密封圈在上述压力及温度范围内的密封性能。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种高压及低温环境下密封垫片性能测试装置，包括测试腔体、液氮致冷系统、电加热控温系统、压力调节系统、抽真空系统、数据采集系统和可视化观察系统；

所述的测试腔体用于装载工质并提供温度测量的实验空间；所述的测试腔体包括测试腔、平面法兰、紫铜块、螺纹型温度传感器、进液通道、排液通道、排污阀组成，所述的测试腔由圆柱形紫铜空心管构成，内部装载测试工质，顶部安装螺纹型温度传感器，该温度传感器的引线经由穿舱接插件与外部的控温仪相连相连构成所述的数据采集系统；所述的测试腔的顶面开有进液通道接口、排气通道接口，所述的测试腔的底部与可拆卸的上下平面法兰相连，被测密封件安装在所述的上、下平面法兰之间，下平面法兰的底部开孔并安装排污阀，所述的测试腔被两个紫铜块夹持，并用螺栓锁紧；在两者之间的接触壁面涂抹低温导热脂，加强传热效果，整个测试腔体通过3根丝杆吊挂在不锈钢真空腔的顶部壁面，所述的丝杆的底部与所述的下平面法兰的螺纹连接，一方面起到支撑作用，另一方面可以调节测试腔体的高度，使被测密封件的密封面与所述的不锈钢真空腔的观察窗同水平，处于最佳观测位置；

所述的液氮致冷系统为测试腔体提供冷量，所述的液氮致冷系统包含液氮加注口、液氮装载腔、液氮热沉、导冷铜辫子，通过液氮加注口对所述的液氮装载腔)充入液氮作为冷源，所述的液氮热沉与所述的液氮装载腔的底部相连，所述的导冷铜辫子的一端与所述的液氮热沉相连，另一端与所述的紫铜块相连，将冷量传递给紫铜块及测试腔，对测试腔体内的工质降温；

所述的电加热控温系统为测试腔体提供可控加热手段，所述电加热控温系统包含电云母加热板、低温导线、PID控温仪，所述的云母电加热板)与所述的紫铜空心管外两个紫铜块相连，所述的云母电加热板的电极通过低温导线经由穿舱接插件与外部的控温仪相连；

所述的液氮致冷系统和所述的电加热控温系统联合实现对腔内工质的温度进行控制；

所述的压力调节系统用于腔内及回路中的液体压力控制；所述压力调节系统包含氮气瓶、减压器、工质加注口、进气阀、出气阀、金属卡套三通、增压阀、进液阀、排气阀、压力传感器、调压腔、调压手轮，所述的氮气瓶提供高压气源并与减压器相连，控制输出压力范围至0-5MPa区间，减压后的气体通过管路将所述的进气阀、调压腔、出气阀、增压阀相连通，所述的调压腔两端的管路上设有所述的压力传感器，在所述的调压腔上设有所述的调压手轮，对调压腔内的气体的压力进行微调，实现测试系统压力精确控制，在所述的增压阀通过进液管路经所述的不锈钢真空腔与所述的测试腔的进液通道接口相通，在进入所述的不锈钢真空腔之前的进液管路上设有工质加注的所述的进液阀，实现带压气体对进液管内工质的增压与控压功能，所述的排气阀通过管道与所述的测试腔的排气通道接口相通；

所述的抽真空系统用于维持整个不锈钢真空腔(26)内的真空度，防止测试腔体内部环境的结霜、结露，所述抽真空系统包含机械泵与分子泵串联组合，该机械泵与分子泵串联组的真空阀门通过波纹管与所述的不锈钢真空腔上的抽真空口相连，所述的机械泵分子泵组合启动后将所述的不锈钢真空腔内真空度抽至10^-4Pa以下；

所述的可视化观察系统包含在真空腔的侧壁上360°均布的4个耐真空观察窗，真空腔内设2个LED牛角灯，腔内照明对准所述的测试腔的上下平面法兰的密封面，通过观察窗可实现对密封面的实时观察。

本发明高压及低温环境下密封垫片性能测试装置的优点包括：

(1)具备低温工况测试功能：通过液氮致冷系统可对工质降温至-160℃，可覆盖被测样件的低温测试。

(2)具备精确控温能力：该装置通过PID调节，可实现-160℃至80℃任意温度点可调可控，且控温误差小于±1℃。

(3)密封件预紧压力可调节：在密封样件的安装过程中，通过数显扭力扳手来达到用户要求的预紧压力。

(4)具备工质压力控制与测量能力：该装置具有压力调节系统，通过减压器初步调节压力范围，再通过调压腔与调压手轮精确调节压力，可对0-5MPa内任意压力精确调节与测量。

(5)漏热小控温效率高：该装置的真空腔体可实现10^-4Pa高真空，提高了测试腔体的升降温速率，并且完全隔绝空气中的水蒸气对测试的干扰。

(6)具备直接的可视化观测功能：测试过程中，可直接观测密封件表面的泄漏情况。

(7)保压压力读数验证功能：工质温度稳定后，如不泄漏，系统压力维持不变，以此与直观判定的方法形成双效检测。

本发明可在较大范围内对系统温度及压力进行控制，可实现测试压力0～5MPa、控温范围-160℃～+80℃内密封垫片的密封性能测试。

附图说明

图1是本发明高压及低温环境下密封垫片性能测试装置的结构示意图；

图2是本发明高压及低温环境下密封垫片性能测试装置的立体示意图；

图3是本发明的测试腔体及冷、热源系统装配后的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1、图2、图3，图1是本发明高压及低温环境下密封垫片性能测试装置的结构示意图；图2是本发明高压及低温环境下密封垫片性能测试装置的立体示意图；图3是本发明的测试腔体及冷、热源系统装配后的结构示意图。由图可见本发明高压及低温环境下密封垫片性能测试装置，包括测试腔体、液氮致冷系统、电加热控温系统、压力调节系统、抽真空系统、数据采集系统、可视化观察系统；

所述的测试腔体用于装载工质并提供温度测量的实验空间；所述的测试腔体包括测试腔22、平面法兰24、紫铜块19、螺纹型温度传感器21、进液通道、排液通道、排污阀25组成，所述的测试腔22由圆柱形紫铜空心管构成，内部装载测试工质，顶部安装螺纹型温度传感器21，该温度传感器21的引线经由穿舱接插件12与外部的控温仪相连构成所述的数据采集系统；

所述的测试腔22的顶面开有进液通道接口、排气通道接口，所述的测试腔22的底部与可拆卸的上下平面法兰24相连，被测密封件23安装在所述的上、下平面法兰24之间，下平面法兰的底部开孔并安装排污阀25，所述的测试腔22被两个紫铜块19夹持，并用螺栓锁紧；在两者之间的接触壁面涂抹低温导热脂，加强传热效果，整个测试腔体通过3根丝杆20吊挂在不锈钢真空腔26的顶部壁面，所述的丝杆20的底部与所述的下平面法兰24的螺纹连接，一方面起到支撑作用，另一方面可以调节测试腔体的高度，使被测密封件23的密封面与所述的不锈钢真空腔26的观察窗(17)同水平，处于最佳观测位置；

所述的液氮致冷系统为测试腔体提供冷量，所述的液氮致冷系统包含液氮加注口13、液氮装载腔14、液氮热沉15、导冷铜辫子16，通过液氮加注口13对所述的液氮装载腔14充入液氮作为冷源，所述的液氮热沉15与所述的液氮装载腔14的底部相连，所述的导冷铜辫子16的一端与所述的液氮热沉15相连，另一端与所述的紫铜块19相连，将冷量传递给紫铜块19及测试腔22，对测试腔22体内的工质降温；

所述的电加热控温系统为测试腔体提供可控加热手段，所述电加热控温系统包含电云母加热板18、低温导线、PID控温仪，其中云母电加热板18与所述的紫铜空心管22外两个紫铜块19相连，所述的云母电加热板18的电极通过低温导线经由穿舱接插件12与外部的控温仪相连；

所述的液氮致冷系统和所述的电加热控温系统联合实现对腔内工质的温度进行控制；

所述的压力调节系统用于腔内及回路中的液体压力控制；所述压力调节系统包含氮气瓶1、减压器2、工质加注口13、进气阀3、出气阀7、金属卡套三通、增压阀8、进液阀9、排气阀10、压力传感器4、调压腔5、调压手轮6)所述的氮气瓶1提供高压气源并与减压器2相连，控制输出压力范围至0-5MPa区间，减压后的气体通过管路将所述的进气阀3、调压腔5、出气阀7、增压阀8相联通，所述的调压腔5两端的管路上设有所述的压力传感器4，在所述的调压腔5上设有所述的调压手轮6，对调压腔5内的气体的压力进行微调，实现测试系统压力精确控制，在所述的增压阀8通过进液管路经所述的不锈钢真空腔26与所述的测试腔22的进液通道接口相连，在进入所述的不锈钢真空腔26之前的进液管路上设有工质加注的所述的进液阀9，实现带压气体对进液管内工质的增压与控压功能，所述的排气阀10通过管道与所述的测试腔22的排气通道接口相连；

所述的抽真空系统用于维持整个不锈钢真空腔26内的真空度，防止测试腔体内部环境的结霜、结露，所述抽真空系统包含机械泵与分子泵串联组合28，该机械泵与分子泵串联组合28的真空阀门27通过波纹管与所述的不锈钢真空腔26上的抽真空口11相连，所述的机械泵分子泵组合28启动后将所述的不锈钢真空腔26内真空度抽至10^-4Pa以下；

所述的可视化观察系统包含在真空腔26的侧壁上360°均布的4个耐真空观察窗17，真空腔26内设2个LED牛角灯，腔内照明对准所述的测试腔22的上下平面法兰24的密封面，通过观察窗17可实现对密封面的实时观察。

上述高压及低温环境下密封垫片性能测试装置的具体操作流程如下：

第一步，装载测试样品：测试样品为各种不同材质的指定规格的密封圈，首先拧开不锈钢真空腔26上的压紧螺栓，并断开增压系统上增压阀8进口前的管路，将主系统与不锈钢真空腔26及增压系统脱离，主系统如图3所示，此时可通过吊葫芦、铝型材支架等工装将主系统支撑起来，然后便可卸下平面法兰24的下法兰面，装入密封圈样件，并通过扭力扳手，控制用户要求的压力值，旋紧螺栓，即可测试指定密封压力下的密封性能，随后恢复主系统与真空腔26及增压系统的管路连接；

第二步，系统抽真空：启动分子泵组28，打开真空阀27，将真空腔26内的压力抽至10^-4以下，系统抽真空用于维持整个真空腔26内真空度，起到很好的绝热效果，并可以防止低温工况下真空腔内结霜、结露；

第三步，工质加注：充注工质之前，在工质中混入少量红色染色剂，打开加注管路上的进液阀9，同时打开排气阀10，将工质加注满整个测试腔22及管路部分，直到排气阀10有工质溢出，此时整个测试腔及回路已经充满工质液，此时关闭进液阀9及排气阀10，完成工质加注；

第四步，增压及调压：将安装在氮气瓶1上的减压器2打开，高压氮气经过减压器2后，输出压力范围为0-5MPa，打开进气阀3、出气阀7，关闭增压阀8，此时带压氮气进入调压腔5，当完成上述工质加注流程后，打开增压阀8，带压气体将直接与工质接触，实现对工质的增压，此时系统压力有所下降，通过手轮6对调压腔5内的气体增压，通过压力传感器4观察压力变化，实现精确的系统压力控制。在降温过程中，受低温环境影响，系统压力将随着温度下降而降低，此时通过调压手轮6，对系统管路及测试腔22增压，保证工质的压力不受低温影响而减小；

第五步，液氮致冷：从液氮加注口13中加入液氮，直到液氮装载腔14加满为止，液氮将冷量传递给液氮装载腔底部的相连的热沉15，并通过导冷铜辫子16将冷量传导给紫铜块19，紫铜块19与测试腔22之间涂抹导热脂增强界面接触，紫铜块19将冷量传递给测试腔及内部工质，实现对工质的降温。

第六步，控温与升温：通过加热板18对所述的紫铜块19的壁面加热，电加热板18通过穿舱接插件12与真空系统外部的PID控温仪相连，可对加热功率进行精确控制，对目标工质精确控温。

第七步，密封性能的判定方法：

根据上述测试方法中第二步所述，充注到测试腔22内的工质带有红色染色剂，若工质有明显泄漏，可通过观察窗17直接观测到。若在要求的测试时间内，观测不到密封面上有明显泄漏痕迹，且压力传感器4的保压读数无变化，即判定该密封件的性能良好。

第八步，完成测试后，系统即可复温，使用电加热快速复温后，破真空，打开排污阀25，放掉工质，拧开不锈钢真空腔26上的压紧螺栓，并断开增压系统上增压阀8进口前的管路，将主系统与不锈钢真空腔26及增压系统脱离，主系统如图3所示，此时可通过吊葫芦、铝型材支架等工装将主系统支撑起来，然后便可卸下平面法兰24的下法兰面，卸下平面法兰24，取出密封件完成测试，或返回第一步更换新的密封件进行新的测试。

实验表明，本发明能在较大范围内对系统温度及压力进行控制，可实现测试压力0～5MPa、控温范围-160℃～+80℃内密封垫片的密封性能测试。

Claims (1)

1.一种高压及低温环境下密封垫片性能测试装置，包括测试腔体、液氮致冷系统、电加热控温系统、压力调节系统、抽真空系统、数据采集系统、可视化观察系统，其特征在于，

所述的测试腔体用于装载工质并提供温度测量的实验空间；所述的测试腔体包括测试腔(22)、平面法兰(24)、紫铜块(19)、螺纹型温度传感器(21)、进液通道、排液通道、排污阀(25)组成，所述的测试腔(22)由圆柱形紫铜空心管构成，内部装载测试工质，顶部安装螺纹型温度传感器(21)，该温度传感器(21)的引线经由穿舱接插件(12)与外部的控温仪相连构成所述的数据采集系统；所述的测试腔(22)的顶面开有进液通道接口、排气通道接口，所述的测试腔(22)的底部与可拆卸的上下平面法兰(24)相连，被测密封件(23)安装在所述的上、下平面法兰(24)之间，下平面法兰的底部开孔并安装排污阀(25)，所述的测试腔(22)被两个紫铜块(19)夹持，并用螺栓锁紧；在两者之间的接触壁面涂抹低温导热脂，加强传热效果，整个测试腔体通过3根丝杆(20)吊挂在不锈钢真空腔(26)的顶部壁面，所述的丝杆(20)的底部与所述的下平面法兰(24)的螺纹连接，一方面起到支撑作用，另一方面可以调节测试腔体的高度，使被测密封件(23)的密封面与所述的不锈钢真空腔(26)的观察窗(17)同水平，处于最佳观测位置；

所述的液氮致冷系统为测试腔体提供冷量，所述的液氮致冷系统包含液氮加注口(13)、液氮装载腔(14)、液氮热沉(15)、导冷铜辫子(16)，通过液氮加注口(13)对所述的液氮装载腔(14)充入液氮作为冷源，所述的液氮热沉(15)与所述的液氮装载腔(14)的底部相连，所述的导冷铜辫子(16)的一端与所述的液氮热沉(15)相连，另一端与所述的紫铜块(19)相连，将冷量传递给紫铜块(19)及紫铜空心管，对测试腔(22)体内的工质降温；

所述的电加热控温系统为测试腔体提供可控加热手段，所述电加热控温系统包含电云母加热板(18)、低温导线、PID控温仪，其中云母电加热板(18)与所述的紫铜空心管(22)外两个紫铜块(19)相连，所述的云母电加热板(18)的电极通过低温导线经由穿舱接插件(12)与外部的控温仪相连；

所述的液氮致冷系统和所述的电加热控温系统联合实现对腔内工质的温度进行控制；

所述的压力调节系统用于腔内及回路中的液体压力控制；所述压力调节系统包含氮气瓶(1)、减压器(2)、工质加注口(13)、进气阀(3)、出气阀(7)、金属卡套三通、增压阀(8)、进液阀(9)、排气阀(10)、压力传感器(4)、调压腔(5)、调压手轮(6)，所述的氮气瓶(1)提供高压气源并与减压器(2)相连，控制输出压力范围至0-5MPa区间，减压后的气体通过管路将所述的进气阀(3)、调压腔(5)、出气阀(7)、增压阀(8)相联通，所述的调压腔(5)两端的管路上设有所述的压力传感器(4)，在所述的调压腔(5)上设有所述的调压手轮(6)，对调压腔(5)内的气体的压力进行微调，实现测试系统压力精确控制，在所述的增压阀(8)通过进液管路经所述的不锈钢真空腔(26)与所述的测试腔(22)的进液通道接口相连，在进入所述的不锈钢真空腔(26)之前的进液管路上设有工质加注的所述的进液阀(9)，实现带压气体对进液管内工质的增压与控压功能，所述的排气阀(10)通过管道与所述的测试腔(22)的排气通道接口相连；

所述的抽真空系统用于维持整个不锈钢真空腔(26)内的真空度，防止测试腔体内部环境的结霜、结露，所述抽真空系统包含机械泵与分子泵串联组合(28)，该机械泵与分子泵串联组合(28)的真空阀门(27)通过波纹管与所述的不锈钢真空腔(26)上的抽真空口(11)相连，所述的机械泵分子泵组合(28)启动后将所述的不锈钢真空腔(26)内真空度抽至10^-4Pa以下；

所述的可视化观察系统包含在真空腔(26)的侧壁上360°均布的4个耐真空观察窗(17)，真空腔(26)内设2个LED牛角灯，腔内照明对准所述的测试腔(22)的上下平面法兰(24)的密封面，通过观察窗(17)可实现对密封面的实时观察。