CN112161790B - 一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，包括支撑导向部分、径向压力加载部分、轴向推力加载部分、密封环及管道的等效试件部分，所述的支撑导向部分包括C形机架，导向螺栓、支点块，所述径向压力加载部分包括径向加载手轮、径向加载推杆，所述的轴向推力加载部分包括轴向加载手轮、增力螺杆、垂直楔形增力块、水平楔形增力块，所述的密封环及管道的等效试验件部分包括等效密封环梁、等效管道梁、管道块、锁紧螺钉。本发明试验机构结构简洁紧凑、轻便，成本低，操作方便，加载过程平稳，试验精度高，特别适合于产品的非标准化研发中。

Description

一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，属于连接器测试技术领域。

背景技术

目前海底管道的连接方式包括焊接和非焊接两种，其中非焊接连接方式主要包括：卡压式连接、螺栓式法兰连接、卡箍式连接以及卡爪式连接等。其中卡压式连接是一种近年来发展迅速的连接方式，相对其他连接方式具有体积小、连接速度快、可靠性高、耐压能力强等优势。例如，“一种新型海底管道连接器”(发明专利201610115655.2)，是一种结构紧凑、性能可靠的卡压式连接装置，“卡压式机械连接器的连接工具”(发明专利201310276554.X)作为与之配套的连接机具，结合水下机器人操作即可实现海底管道的连接。“可拆卸式管道连接器”(发明专利201310047214.X)是一种可拆卸的卡压式连接器，实现了快速安装与快速拆卸。

卡压式连接器在使用中，连接装置与管道均承受冲击等环境因素，容易导致结构松动甚至密封失效。因此需对连接装置的密封部件的机械性能进行详细测试。

现存技术缺点：

卡压式密封原理是径向金属静密封，即通过连接器的金属密封环与管道外表面直接嵌合实现密封作用。这种密封的特点是，只需很少的过盈量即可获得极大的表面接触应力。但因金属弹塑性特点及表面粗糙度的影响，能够形成连续可靠的密封的最低过盈量难以确定。这是因为在试验后，密封面的两侧已经紧密结合，且包含在连接器内部不可见，任何试图打开试验样件的做法，都将影响试验结果，因此无法直接观测贴合表面的状态，进而无法进行直观的评价。目前的试验结果均为间接测量，精确度很低。

另外，目前尚无试验装置能够对连接器的单、双向轴向过载影响下的密封性能进行直接观测，目前的试验方法，因密封面不可见，只能通过轴向极限拉压力试验，对连接器整体的轴向过载工况进行粗略的判断，只能获得连接破坏时刻的极限轴向拉压力值，无法在拉压力的变化过程中进行实时的观测。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，通过将连接器内部环形的径向金属静密封结构等效为梁之间的金属静密封机构，实现对管道径向、轴向载荷作用下密封情况进行实时直接观察与精确测量。

本发明的目的是这样实现的：包括支撑导向部分、径向压力加载部分、轴向推力加载部分、密封环及管道的等效试件部分，所述支撑导向部分包括C形机架、对称设置在C形机架内的两个导向螺栓、分别套在导向螺栓上的两个支点块、设置在C形机架两侧开口处的挡板；所述密封环及管道的等效试件部分包括上下设置在两个导向螺栓上的等效密封环梁、等效管道梁，等效密封环梁的下端中间位置设置有密封凸台，在等效管道梁上端中间位置设置有浅矩形凹槽，浅矩形凹槽内设有管道块，等效管道梁的下端面与两个支点块接触；所述径向压力加载部分包括径向加载手轮、与径向加载手轮连接的径向加载推杆，径向加载推杆旋在C形机架上端中间位置的通孔内；所述轴向推力加载部分包括轴向加载手轮、与轴向加载手轮连接的增力螺杆、通过螺纹与增力螺杆连接的垂直楔形增力块、与垂直楔形增力块的斜面配合的水平楔形增力块，水平楔形增力块的端面设置有与等效管道梁接触的曲面凸起。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述C形机架包括上侧、背侧、下侧三个壁，在上侧壁和下侧壁两端的内表面上分别设置有与水平楔形增力块上下两端设置的矩形凸导轨配合的矩形导向槽；在上侧壁的内表面上相对中间位置对称的分布有两个用于与导向螺栓末端的螺纹配合的螺纹盲孔，在下侧壁对应的位置设置有两个用于穿过导向螺栓的光滑通孔，导向螺栓末端为螺纹其余为光滑圆柱面。

2.所述挡块内侧表面设置有与垂直楔形增力块端面设置的矩形凸导轨配合的导向凹槽。

3.等效密封环梁的两端各设置有一道锁紧开口，并配有一枚锁紧螺钉实现与两个导向螺栓的连接；等效管道梁上设置有两个长圆孔且导向螺栓穿过对应的长圆孔。

4.所述支点块为半圆形柱体，其上设置有与导向螺栓配合的光滑通孔。

5.通过螺纹与增力螺杆连接的垂直楔形增力块是指：增力螺杆为圆柱形，具有外螺纹，垂直楔形增力块上贯穿螺纹通孔，螺纹通孔与所述增力螺杆配合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可将卡压式连接器回转体内部的密封过程等效为两种梁之间的密封过程，实现了紧密贴合的两个回转密封面的等效直接观察与实时测量；本发明能够对卡压式连接器的轴向过载工况下的密封性能进行直接观察，从而实现了可定量加载的卡压式管道单向及双向轴向过载试验，并可获得实时的精确结果；试验机构结构简洁紧凑、轻便，成本低，操作方便，加载过程平稳，试验精度高，特别适合于产品的非标准化研发中。

附图说明

图1为一种典型的卡压式机械连接器的三维结构示意图；

图2为该卡压式机械连接器在连接完成状态下的剖视图；

图3为该卡压式机械连接器连接前及连接后状态下的密封部位的局部剖视图；

图4为等效试验装置的单向轴向过载试验时的三维结构示意图；

图5为等效试验装置的双向轴向过载试验时的二维结构示意图；

图6为水平楔形增力块的三维结构示意图；

图7为密封环及管道的等效试验件部分的三维结构剖视图；

图8为径向密封等效试验操作过程示意图；

图9为轴向过载等效试验操作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图9，本发明的等效试验装置包括：支撑导向部分、径向压力加载部分、轴向推力加载部分、密封环及管道的等效试件部分等组成。

所述的支撑导向部分，包括：C形机架，导向螺栓、支点块。所述的C形机架，包括上侧、背侧、下侧三个壁，结构是左右对称的，在上侧壁正中位置，有一个螺纹通孔，可与径向加载推杆的螺纹配合。在上侧壁的内表面上，相对中间位置对称的分布有两个螺纹盲孔，用于与导向螺栓末端的螺纹配合。在下侧壁中间对称的与所述螺纹盲孔相同的对应位置，有两个光滑通孔，用于穿过导向螺栓。在上、下侧壁两端的内表面上，设有一定长度的矩形导向槽，用于与水平楔形增力块配合。在C形机架左右两端各通过螺丝固定安装一块挡板。所述挡板内侧有一矩形导向凹槽。所述导向螺栓为相同的两根，末端为螺纹，其余部分为光滑圆柱面。两根所述螺栓，分别从所述螺纹通孔插入后，旋拧紧在所述C形机架的螺纹盲孔内。所述支点块为相同的两枚，半圆形柱体，有贯穿的一个光滑通孔，与所述导向螺栓外径配合，并套在螺栓的光杆部分上。

所述径向压力加载部分，包括：径向加载手轮、径向加载推杆。所述的径向加载手轮与径向加载推杆固定连接。所述的径向加载推杆具有外螺纹，旋拧在所述C形机架的螺纹通孔内。

所述的轴向推力加载部分，包括：轴向加载手轮、增力螺杆、垂直楔形增力块、水平楔形增力块。所述轴向加载手轮与增力螺杆固定连接。所述的增力螺杆为圆柱形，具有外螺纹。所述垂直楔形增力块有楔形面，楔块中贯穿螺纹通孔，螺纹通孔与所述增力螺杆配合，在斜面对侧有矩形凸导轨与所述挡板的导向槽配合。所述水平楔形增力块有楔形面，上下表面设置矩形凸导轨与所述C形机架上下侧壁内侧的所述矩形导向槽配合，斜面与所述垂直楔形增力块的斜面配合，斜面的对侧有一个曲面凸起。

所述的密封环及管道的等效试验件部分，包括：等效密封环梁、等效管道梁、管道块、锁紧螺钉。所述的等效密封环梁是截面为矩形的梁，在梁的中间位置设置有密封凸台用于模拟相同截面形状的卡压式连接器的密封环，在矩形梁的两端，各设置有一道锁紧开口，并配有一枚锁紧螺钉。所述等效管道梁是截面为矩形的梁，在梁上表面的中间位置开有浅矩形的凹槽，凹槽尺寸与所述管道块的外型相匹配。在中间对称的与所述螺纹盲孔相同的对应位置，开有两个一定长度的长圆孔，为通孔，所述导向螺栓的光杆部分穿过所述长圆孔，因此，所述等效管道梁可在水平方向上相对所述导向螺栓在所述长圆孔的长度距离内移动。所述管道块为薄片状立方体，几何尺寸需根据实验目的确定，试验中嵌入在所述等效管道梁的凹槽内使用。

所述等效管道梁与所述管道块两个部分嵌合组成，这种嵌合方式实现了筒体结构向梁结构的力学参数等效。

所述的等效密封环梁材料与所述连接器基体的材料相同，所述管道块的材料与所述管道的材料相同，而所述等效管道梁的材料的刚度必须大于真实的所述管道的材料刚度，这三种材料刚度的匹配，在实现等效的同时，实现了密封接触表面两侧均为真实材料。

所述试验装置整体为对称结构，两侧均可进行单向的轴向过载的等效试验(如图4所示结构)，对侧安装相同的所述轴向推力加载部分后，即可进行双向的轴向过载的等效试验(如图5所示结构)。

所述的径向加载推杆的外螺纹螺距较短，因此具有微调功能，能够缓慢的竖直向下移动。

所述的增力螺杆的外螺纹螺距较短，因此具有微调功能，同时，通过所述垂直楔形增力块及所述水平楔形增力块的楔形增力作用，进一步提高了微动效果，能够以非常小的水平推进量缓慢移动。

因所述等效实验装置的对称性，下面以一种卡压式机械管道连接器的密封环的单向轴向过载试验为例，说明安装过程及密封原理。

被试验连接器为一款典型的卡压式机械管道连接器，如图1所示，所述连接器由压紧环1及连接器基体2组成，用于连接两侧的管道3。所述连接器的径向金属静密封是由图3所示的两道环形金属凸起4径向挤压管道实现的，另外卡齿5实现所述连接器的轴向锚定作用，连接完成的状态如图3(b)所示。下面用所述的等效试验装置，模拟其中一道环形金属凸起的径向密封过程，以及所述环形金属凸起在承受管道单向轴向过载的过程。所述卡齿等其他部分的试验步骤与此相同，不再赘述。

1、试验预备：

试验前，基于弹塑性力学理论，按已知的被测卡压式连接器几何参数、管道和连接器材料属性、试验装置的两枚支点块8之间的跨度，计算出等效密封环梁12、等效管道梁10、管道块11的厚度和宽度。其中所述管道块的轴向长度需大于试验所需的轴向过载所产生的轴向位移量。

装配等效试验装置，将等效密封环梁、等效管道梁分别安装于图4所示位置。然后，将该装置整体置于显微观察设备上(本例使用万能工具显微镜)，显微视野置于管道块部位。缓慢旋转径向加载手轮19，在径向加载推杆18的推动下，等效密封环梁在导向螺栓7的引导下，向管道块方向移动，当观察到等效密封环梁的密封凸台23与管道块表面接触时停止，此时为试验的初始状态。

2、径向密封等效试验：

试验目的是模拟卡压式连接器的径向密封过程中，两密封接触面的变形情况。试验开始，继续缓慢旋转径向加载手轮，如图8所示(箭头指示的是旋转或移动方向)，在径向加载推杆的推动下，等效密封环梁继续向管道块方向缓慢挤压。C形机架9材料刚度很大，又有导向螺栓提供拉力，因此试验中不变形。管道等效梁在支点块的支撑下无法移动，因此以支点块的接触点为支点，管道等效梁开始发生弹性梁弯曲，因管道块刚度比管道等效梁小，此时已发生塑性形变。继续缓慢旋转手轮以便挤压管道等效梁，直至于管道块的接触面移动至所需的径向位移量，停止旋转手轮。此时凸台的顶面与管道片紧密嵌合，形成密封接触状态，实现了所述连接器金属静密封的等效模拟。此时径向密封等效试验已完成。观察记录等效密封环梁、等效管道梁、管道块三者的变形状态，即可与数值仿真结果进行对比分析。

3、单向轴向过载等效试验：

试验目的是模拟连接完成后，当管道受轴向极限载荷作用时，两密封接触面发生的轴向相对轻微移动的情况。试验需在上述径向密封等效试验完成的状态进行。首先拧紧两个锁紧螺钉6，等效密封环梁的锁紧开口21收紧，使等效密封环梁两端相对于导向螺栓固定，在试验过程中不会松动，记录此时试验件相对位置状态，作为单向轴向过载试验的初始状态。此时管道等效梁已发生弹性变形，管道块已经塑性变形，等效密封环梁与管道块紧密嵌合。试验开始，如图9所示(箭头指示旋转或移动的方向)，缓慢旋转轴向加载手轮14，增力螺杆15将带动垂直楔形增力块16在挡板13的阻挡作用下竖直方向滑动，进而通过楔面的滑动作用，推动水平楔形增力块17沿着C形机架内侧在水平方向滑动，此时，水平楔形增力块的曲面凸起20从侧面推动等效管道梁，因等效管道梁与导向螺栓配合的是两个长圆孔22，因此等效管道梁只能沿着长圆孔与密封凸台产生相对移动，实现了管道与连接器单向轴向过载工况下的密封接触状态的等效模拟。期间可不间断地观察管道块的相对移动、变形情况并记录。当等效管道梁与密封凸台的触部位相对移动量达到预定轴向位移量时，试验完成。观察记录此时两侧密封面的形变情况，即可与仿真结果进行对比分析。

至此，径向密封及单向轴向过载试验均已完成。双向轴向过载试验与上述步骤相同，试验前，在上述试验装置的等效管道梁的另一侧，新增一组与现有增力块相同的水平推动组件，如图5所示。试验中用对侧的组件，从相反方向再次执行单向轴向过载等效试验，即为双向过载试验。

Claims (10)

1.一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：包括支撑导向部分、径向压力加载部分、轴向推力加载部分、密封环及管道的等效试件部分，所述支撑导向部分包括C形机架、对称设置在C形机架内的两个导向螺栓、分别套在导向螺栓上的两个支点块、设置在C形机架两侧开口处的挡板；所述密封环及管道的等效试件部分包括上下设置在两个导向螺栓上的等效密封环梁、等效管道梁，等效密封环梁的下端中间位置设置有密封凸台，在等效管道梁上端中间位置设置有浅矩形凹槽，浅矩形凹槽内设有管道块，等效管道梁的下端面与两个支点块接触；所述径向压力加载部分包括径向加载手轮、与径向加载手轮连接的径向加载推杆，径向加载推杆旋在C形机架上端中间位置的通孔内；所述轴向推力加载部分包括轴向加载手轮、与轴向加载手轮连接的增力螺杆、通过螺纹与增力螺杆连接的垂直楔形增力块、与垂直楔形增力块的斜面配合的水平楔形增力块，水平楔形增力块的端面设置有与等效管道梁接触的曲面凸起。

2.根据权利要求1所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：所述C形机架包括上侧、背侧、下侧三个壁，在上侧壁和下侧壁两端的内表面上分别设置有与水平楔形增力块上下两端设置的矩形凸导轨配合的矩形导向槽；在上侧壁的内表面上相对中间位置对称的分布有两个用于与导向螺栓末端的螺纹配合的螺纹盲孔，在下侧壁对应的位置设置有两个用于穿过导向螺栓的光滑通孔，导向螺栓末端为螺纹其余为光滑圆柱面。

3.根据权利要求2所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：所述挡板内侧表面设置有与垂直楔形增力块端面设置的矩形凸导轨配合的导向凹槽。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：等效密封环梁的两端各设置有一道锁紧开口，并配有一枚锁紧螺钉实现与两个导向螺栓的连接；等效管道梁上设置有两个长圆孔且导向螺栓穿过对应的长圆孔。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：所述支点块为半圆形柱体，其上设置有与导向螺栓配合的光滑通孔。

6.根据权利要求4所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：所述支点块为半圆形柱体，其上设置有与导向螺栓配合的光滑通孔。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：通过螺纹与增力螺杆连接的垂直楔形增力块是指：增力螺杆为圆柱形，具有外螺纹，垂直楔形增力块上贯穿螺纹通孔，螺纹通孔与所述增力螺杆配合。

8.根据权利要求4所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：通过螺纹与增力螺杆连接的垂直楔形增力块是指：增力螺杆为圆柱形，具有外螺纹，垂直楔形增力块上贯穿螺纹通孔，螺纹通孔与所述增力螺杆配合。

9.根据权利要求5所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：通过螺纹与增力螺杆连接的垂直楔形增力块是指：增力螺杆为圆柱形，具有外螺纹，垂直楔形增力块上贯穿螺纹通孔，螺纹通孔与所述增力螺杆配合。

10.根据权利要求6所述的一种卡压式机械连接器的金属静密封等效试验装置，其特征在于：通过螺纹与增力螺杆连接的垂直楔形增力块是指：增力螺杆为圆柱形，具有外螺纹，垂直楔形增力块上贯穿螺纹通孔，螺纹通孔与所述增力螺杆配合。

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