CN112326223A - 一种高压气体密封用接触特性分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压气体密封用接触特性分析系统，包括泄漏检测点、螺栓连接件、高压筒、压力表、氢气进气/出气口、待测密封件、形状记忆合金检测模块、筒盖、密封件。本发明在待测密封件密封面增设形状记忆合金检测模块，配合使用加热块、上软垫、形状记忆合金、内测距片、下软垫、支撑块、压紧弹簧、外测距片，利用形状记忆合金温度变形记忆效应，记录系统测试过程中待测密封件的变形情况，进而分别通过形状记忆合金和压紧弹簧的变形情况获得待测密封件在高压氢环境下的变形量和接触应力大小，实现待测密封件接触特性的分析。

Description

一种高压气体密封用接触特性分析系统

技术领域

本发明属于高压气体密封技术领域，特别涉及一种高压气体密封用接触特性分析系统。

背景技术

过度依赖化石燃料造成的能源资源短缺和环境恶化是世界各国面临的严重而紧迫的问题，世界各国均在积极推进清洁、环保、高效能源的开发。氢能以其来源多种多样、能量转化率高、无污染、零排放、可储存、可再生等优点，成为极具发展前景的二次能源，利用氢能作为下一代能源载体有望解决能源供应、安全、清洁的关键问题。鉴于此，世界各国都在加紧规划和发展氢能，致力于氢能领域关键技术的攻关和氢能产品商业应用的开发。

氢能产品的氢气补给需要通过加氢站实现。加氢站主要利用储氢容器和氢能产品间的压力差进行氢气加注，因此加氢站储氢容器的压力应当高于氢能产品的储氢系统压力。而目前一些氢能产品，如氢燃料电池汽车储氢压力最高可达70MPa，为进一步提高储氢系统单位体积氢气能量密度，提升氢燃料电池汽车的单次行驶里程，增大加氢站储氢容器的储氢压力、发展更高压力下的储氢技术将成为未来发展的一大趋势。而密封部件是加氢站储氢容器不可缺少的重要组成部分，受储氢介质压力高、环境温度波动等因素影响，密封部件往往又是最薄弱环节，一旦密封部件失效，将造成火灾甚至爆炸等无法估量的严重后果。因此，有必要对高压氢气密封部件进行研究。

进一步地，高压氢气密封一般为静密封形式，其密封件在工作过程中接触应力大小和变形情况与密封可靠程度息息相关，测试系统需要实现密封件接触特性的分析。而目前国内已有的测试系统不够成熟，无法有效地实现高压氢环境下密封性能的检测与密封件接触特性的分析。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高压气体密封用接触特性分析系统，可以实现高压氢环境下密封性能的检测与密封件接触特性的分析。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压气体密封用接触特性分析系统，包括高压筒3及其筒盖8，高压筒3的底部有用于氢气加注和释放的氢气进气/出气口5，氢气进气/出气口5连接有用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警的压力表4，筒盖8的外侧壁设有环形密封槽，待测密封件6设置于所述环形密封槽中，环绕所述待测密封件6设置有形状记忆合金检测模块7，所述形状记忆合金检测模块7内壁与待测密封件6外壁接触，外壁与高压筒3内壁接触，用于待测密封件6的接触特性测试。

所述高压筒3和筒盖8通过螺栓连接件2连接，所述高压筒3顶端端面与筒盖8之间有密封件9。

所述筒盖8加工有气孔，气孔位于待测密封件6和高压筒3之间的泄漏通道处，连接用于待测密封件6泄漏量检测的泄漏检测点1。

所述形状记忆合金检测模块7包括形状记忆合金704以及用于加热形状记忆合金704的加热块702，形状记忆合金704的内壁与待测密封件6的外壁接触，外壁与内测距片705连接，内测距片705通过径向的压紧弹簧708与外测距片709连接。

所述形状记忆合金704的截面为梯形，其上底连接内测距片705，下底与待测密封件6的外壁接触，加热块702截面为开口朝向轴心方向的U形，两端面分别作用于形状记忆合金704的上下两斜面，且上端面与上斜面之间设置有上软垫703，下端面与下斜面之间设置有上软垫下软垫706。

所述加热块702内设置有支撑块707，支撑块707截面为开口朝向轴心方向的U形，外测距片709的外壁固定在支撑块707的U形底中。

所述支撑块707的上下方分别设有上隔热块701和下隔热块7010，上隔热块701和下隔热块7010组成截面为开口朝向轴心方向U形的结构，将支撑块707包裹在内，并用锁紧螺钉7011连接为一体。

所述上隔热块701和形状记忆合金704均加工有线路布置孔，所述上软垫703和下软垫706为具备弹性和导热能力的材料，压紧弹簧708为碳素弹簧钢丝，均布于支撑块707内，两端分别连接内测距片705、外测距片709。

所述形状记忆合金704形状记忆效应为单程记忆效应。

所述待测密封件6为橡胶材料或金属材料；测试的高压气体为氢气、氮气、氦气或空气。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在待测密封件6密封面增设形状记忆合金检测模块7，配合使用加热块702、上软垫703、形状记忆合金704、内测距片705、下软垫706、支撑块707、压紧弹簧708、外测距片709，利用形状记忆合金温度变形记忆效应，记录系统测试过程中待测密封件6的变形情况，进而分别通过形状记忆合金704和压紧弹簧708的变形情况获得待测密封件6在高压氢环境下的变形量和接触应力大小，实现待测密封件6接触特性的分析。

附图说明

图1为本发明总体控制线路部分示意图。

图2为形状记忆合金检测模块内部结构示意图。

图3为形状记忆合金检测模块结构示意图。

图4为形状记忆合金结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种高压气体密封用接触特性分析系统，包括通过螺栓连接件2的连接高压筒3及其筒盖8，在高压筒3顶端端面与筒盖8之间有密封件9。高压筒3的底部有用于氢气加注和释放的氢气进气/出气口5，氢气进气/出气口5连接有用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警的压力表4。筒盖8的外侧壁设有环形密封槽，待测密封件6设置于环形密封槽中，环绕待测密封件6设置有形状记忆合金检测模块7，形状记忆合金检测模块7内壁与待测密封件6外壁接触，外壁与高压筒3内壁接触，用于待测密封件6的接触特性测试。

筒盖8加工有气孔，气孔位于待测密封件6和高压筒3之间的泄漏通道处，与用于待测密封件6泄漏量检测的泄漏检测点1连接，在密封件9的作用下，可保证高压筒3内部泄漏的氢气完全通过泄漏检测点1进行检测。

进一步地，可将橡胶材料、金属材料、非金属材料等置于高压筒3内，研究不同压力、压力循环、保压时间下材料的性能劣化规律。

参考图2、图3和图4，形状记忆合金检测模块7包括形状记忆合金704以及用于加热形状记忆合金704的加热块702，形状记忆合金704的内壁与待测密封件6的外壁接触，外壁与内测距片705连接，内测距片705通过径向的压紧弹簧708与外测距片709连接，形状记忆合金704形状记忆效应为单程记忆效应，即形状记忆合金704只在加热过程中存在形状记忆现象。

本实施例中，形状记忆合金704的截面为梯形，其上底连接内测距片705，下底与待测密封件6的外壁接触，加热块702截面为开口朝向轴心方向的U形，两端面分别作用于形状记忆合金704的上下两斜面，且上端面与上斜面之间设置有上软垫703，下端面与下斜面之间设置有上软垫下软垫706。

加热块702内设置有支撑块707，支撑块707截面为开口朝向轴心方向的U形，外测距片709的外壁固定在支撑块707的U形底中。

支撑块707的上下方分别设有上隔热块701和下隔热块7010，上隔热块701和下隔热块7010组成截面为开口朝向轴心方向U形的结构，将支撑块707包裹在内，并用锁紧螺钉7011连接为一体。

上隔热块701加工有线路布置孔，用于实现加热块702加热线路的布置。形状记忆合金704也加工有线路布置孔，用于实现内测距片705、外测距片709测试线路的布置。上软垫703和下软垫706为弹性高、具备导热能力的材料，使加热块702可通过上软垫703、下软垫706对形状记忆合金704进行加热，并利用上软垫703、下软垫706弹性高的特点为形状记忆合金704的变形提供空间。压紧弹簧708为碳素弹簧钢丝，但不限于碳素弹簧钢丝，也可以为具有低可塑性和强弹性的其他材料，均布于支撑块707内，两端分别连接内测距片705、外测距片709，内测距片705和外测距片709用于测试压紧弹簧708的变形量。

本发明的工作原理为：在待测密封件6密封面增设形状记忆合金检测模块7，利用形状记忆合金温度变形记忆效应，记录系统测试过程中待测密封件6的变形情况，进而分别通过形状记忆合金704和压紧弹簧708的变形情况获得待测密封件6在高压氢环境下的变形量和接触应力大小，实现待测密封件6接触特性的分析。

具体使用时，通过加热块702的加热，达到形状记忆合金704变形的温度，使形状记忆合金704受待测密封件6作用产生相应的变形，并使压紧弹簧708受压；测试结束后，取出形状记忆合金检测模块7，重新对加热块702加热，形状记忆合金704恢复到测试与待测密封件6接触时的变形；根据形状记忆合金704的变形获得待测密封件6在高压氢环境下的变形量，根据压紧弹簧708的变形量、弹性系数换算出待测密封件6在高压氢环境下的接触应力，从而实现待测密封件6接触特性的分析。测试系统用模块、检测点、压力表等均可反馈到远程计算机，并可通过远程计算机实现远程的操作。

本发明具体测试步骤如下：

步骤一，装配与检查。安装待测密封件6与放置性能劣化规律研究用材料于高压筒3内后，检查测试系统各部件的连接。

步骤二，加热。对加热块702加热，使形状记忆合金检测模块7温度达到形状记忆合金704变形的温度。

步骤三，气体增压。通过氢气进气/出气口通入氢气进行加压，构建终压力由压力表4控制；压力表4测试到高压筒3内测试压力达到设定值后，停止加压。

步骤四，保压测试。控制保压时间，此时待测密封件6密封情况由泄漏检测点1是否检测到泄漏进行判断。

步骤五，系统关闭。通过氢气进气/出气口排出高压筒3内氢气；确认压力表4检测反馈出压力为“零”；关闭测试系统的总电源。

步骤六、性能测试。取出待测密封件6和高压筒3内性能劣化规律研究用材料，通过力学性能测试、化学结构分析、微观形貌观察等方式研究不同压力、压力循环、保压时间下材料的性能劣化规律；取出形状记忆合金检测模块7，重新对加热块702加热，通过形状记忆合金704和压紧弹簧708变形情况获得待测密封件6在高压氢环境下的变形量和接触应力大小，实现待测密封件6接触特性分析。

本发明中，待测密封件6不局限于橡胶材料，也可以为金属材料、非金属材料等特征尺寸满足密封槽结构的密封件。

本发明测试的高压气体不限于氢气，也可以为氮气、氦气、空气等气体。

Claims (10)

1.一种高压气体密封用接触特性分析系统，包括高压筒(3)及其筒盖(8)，高压筒(3)的底部有用于氢气加注和释放的氢气进气/出气口(5)，氢气进气/出气口(5)连接有用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警的压力表(4)，筒盖(8)的外侧壁设有环形密封槽，待测密封件(6)设置于所述环形密封槽中，其特征在于，环绕所述待测密封件(6)设置有形状记忆合金检测模块(7)，所述形状记忆合金检测模块(7)内壁与待测密封件(6)外壁接触，外壁与高压筒(3)内壁接触，用于待测密封件(6)的接触特性测试。

2.根据权利要求1所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述高压筒(3)和筒盖(8)通过螺栓连接件(2)连接，所述高压筒(3)顶端端面与筒盖(8)之间有密封件(9)。

3.根据权利要求1所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述筒盖(8)加工有气孔，气孔位于待测密封件(6)和高压筒(3)之间的泄漏通道处，连接用于待测密封件(6)泄漏量检测的泄漏检测点(1)。

4.根据权利要求1所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述形状记忆合金检测模块(7)包括形状记忆合金(704)以及用于加热形状记忆合金(704)的加热块(702)，形状记忆合金(704)的内壁与待测密封件(6)的外壁接触，外壁与内测距片(705)连接，内测距片(705)通过径向的压紧弹簧(708)与外测距片(709)连接。

5.根据权利要求4所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述形状记忆合金(704)的截面为梯形，其上底连接内测距片(705)，下底与待测密封件(6)的外壁接触，加热块(702)截面为开口朝向轴心方向的U形，两端面分别作用于形状记忆合金(704)的上下两斜面，且上端面与上斜面之间设置有上软垫(703)，下端面与下斜面之间设置有上软垫下软垫(706)。

6.根据权利要求5所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述加热块(702)内设置有支撑块(707)，支撑块(707)截面为开口朝向轴心方向的U形，外测距片(709)的外壁固定在支撑块(707)的U形底中。

7.根据权利要求6所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述支撑块(707)的上下方分别设有上隔热块(701)和下隔热块(7010)，上隔热块(701)和下隔热块(7010)组成截面为开口朝向轴心方向U形的结构，将支撑块(707)包裹在内，并用锁紧螺钉(7011)连接为一体。

8.根据权利要求7所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述上隔热块(701)和形状记忆合金(704)均加工有线路布置孔，所述上软垫(703)和下软垫(706)为具备弹性和导热能力的材料，压紧弹簧(708)为碳素弹簧钢丝，均布于支撑块(707)内，两端分别连接内测距片(705)、外测距片(709)。

9.根据权利要求4～8任一权利要求所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述形状记忆合金(704)形状记忆效应为单程记忆效应。

10.根据权利要求1所述高压气体密封用接触特性分析系统，其特征在于，所述待测密封件(6)为橡胶材料或金属材料；测试的高压气体为氢气、氮气、氦气或空气。

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