CN113176046A - 多试件高温高压密封元件性能试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多试件高温高压密封元件性能试验装置及试验方法。该装置包括介质密封系统、加热温控系统、载荷测控系统、介质给定系统、位移测量系统、泄漏率测量系统、冷却隔热系统、数据采集系统，并能测量密封元件多种性能。采用本发明提供的多试件高温高压密封元件性能试验装置及试验方法能够对不同工况下垫片的压缩回弹率、泄漏率等进行测量，并对垫片的寿命进行评价，能够同时满足工程测试和理论研究的需要。

Description

多试件高温高压密封元件性能试验装置及试验方法
技术领域
本发明提供一种多试件高温高压密封元件性能试验装置及试验方法，该试验装置及试验方法能测量垫片压缩回弹性能及密封性能，开展加速寿命试验，并能准确预测其寿命。
背景技术
过程工业的设备和管道中，螺栓法兰密封连接应用十分广泛。随着工业装置向着大型化、高参数化发展，现代工业对密封连接的要求越来越严格，密封连接一旦失效，不仅会带来巨大的经济损失，而且会造成环境污染，甚至酿成重大人员伤亡事故。因此，对垫片进行寿命预测，及早采取有效防治措施，可避免恶性事故发生，具有重要的工程意义。
近年来，国内外对螺栓法兰连接结构的密封特性进行了较为全面研究。在此研究领域最富成果的就是对垫片性能的深入研究。早在1974年美国压力容器委员会(PVRC)的螺栓法兰连接分会开始了垫片常温性能的研究，对ASME锅炉和压力容器规范给出的垫片系数m、y进行评定。采用美国材料试验学会(ASTM)标准，对石棉垫和缠绕垫进行了常温氮气和水密封试验，研究垫片预紧应力和法兰表面光洁度对密封性能的影响，以及m、y与垫片宽度、预紧载荷、泄漏率和介质压力之间的相互关系。后来又提出了更为广泛的包括里程碑试验和工况试验的“垫片试验计划Ⅱ”，作为提供更有效的规范设计参数和ASTM试验标准的基础。历时十多年的研究，PVRC对垫片室温性能有了较充分的了解，在试验基础上可预测各种预紧载荷和室温操作条件下垫片的密封性能。
1982年，垫片试验与高温连接性能研究小组(S/C ON GT&ETJB)启动了垫片高温性能研究计划，开始了一系列法兰垫片连接在高温循环载荷下密封性能的试验和分析工作。探讨了螺栓法兰垫片各个连接件的高温行为及连接的密封机理，研究了影响连接系统泄漏的诸因素及它们之间的关系，并建立了一系列设计方法，使连接系统在高温工况下的泄漏率减至最小。
Bazergui，Marchand和Payne于1988年研制出了垫片热时效试验装置和热紧密性装置。可以分别作单试件的蠕变松弛试验和短期密封试验。他们模拟实际的操作工况，对热态垫片的特性进行了系统的试验研究。法国的Birembaut和Bravo在1988年试验研究了石棉橡胶垫片和石棉缠绕垫片的高温性能。这一试验研究比较全面地揭示了垫片的力学性能和密封性能，但缺乏对其性能的定量研究。
PVRC的BFC分委员会与高温设计分委员会联合组成一个研究小组于1988年和1989年建立了垫片长期热态性能研究的试验装置，探讨了垫片应力、蠕变与松弛对系统紧密性的影响。1998年，L Marchand等人又研制了一套老化松弛夹具，可以对垫片材料进行长期老化，进一步研究垫片的长期热态性能。
国内研制了多功能全自动的垫片性能试验机和垫片高温性能试验装置，用于常温和高温时垫片材料性能试验。石油大学在参考美国ASTM F586-79标准和美国PVRC推荐的A、B试验方法的基础上，对缠绕垫、耐油石棉橡胶板、金属包覆垫、八角和金属椭圆等型式的垫片性能进行了研究，获得了大量试验数据，标绘了力学和密封特性曲线。在此基础上，指出了各种垫片的结构尺寸、使用范围、制造要求及其密封参数值，推荐了法兰连接密封设计的新方法。
现代工业的飞速发展对垫片密封的要求愈来愈严格，减少泄漏率、延长密封元件的使用寿命是环境保护、节约能源、安全生产十分迫切的要求。严格定量控制泄漏率是保证现代系统和设备安全运行的重要条件，PVRC于1977年提出了泄漏率的定量指标，推荐一般工业泄漏率指标为10-3cm3/s，对原子能和某些化学工业，泄漏率指标控制在10-7cm3/s以下，当装置的泄漏率达到指标量即可认为密封已经失效。PVRC认为也可以以螺栓载荷松弛至初始载荷的75％作为密封失效的判据。
国内外对垫片密封寿命已作过一系列的研究。国内南京工业大学顾伯勤等设计了一套多功能多试件密封垫片寿命评价试验装置，并对非金属垫片寿命进行预测；陆晓峰等对垫片密封作了高温情况下变形协调分析，以最大允许泄漏率为失效准则，提出了基于高温蠕变的垫片密封寿命预测方法，袁立明等建立了非石棉纤维橡胶垫片的老化损伤模型，并结合热氧老化试验得到寿命预测公式，胡少波提出用二级模糊综合评判法对垫片密封寿命进行评估。国外Sassoulas等研究了金属垫片长期蠕变松弛的规律，结合力学分析，得到了垫片残余应力与温度、时间的关系，Paunescu等在常温试验的基础上确定了振动载荷下以紧密性为评判依据的垫片密封的安全工作周期。
尽管已出现不少垫片密封寿命的评价方法，但是这些方法主要集中在力学理论推导和试件数量很少的试验研究基础上，尚未有与工程实际相吻合的以泄漏率指标为评判依据，以及相应的试验方法和装置。因此开发与改进试件性能试验装置及试验方法就显得极为重要。
发明内容
为了弥补现有垫片密封试验装置功能分散、试件数量少、试验温度低等缺点，本发明提供一种多试件高温高压密封元件性能试验装置。
基于本试验装置，本发明还提供一种多试件高温高压密封元件性能试验方法。
本发明所采用技术方案如下：
一种多试件高温高压密封元件性能试验装置，该装置包括介质密封系统、加热温控系统、载荷测控系统、介质给定系统、位移测量系统、泄漏率测量系统、冷却隔热系统、数据采集系统；
介质密封系统，用于承载试验垫片并形成密封的试验腔；
加热温控系统，用于介质密封系统的加热控温；
载荷测控系统，用于对介质密封系统施加载荷；
介质给定系统，用于向介质密封系统输送介质；
位移测量系统，用于测量介质密封系统中试验垫片变形产生的位移；
泄漏率测量系统，用于测量试验腔内泄漏出的介质；
冷却隔热系统，用于介质密封系统与载荷测控系统之间的保温隔热；
数据采集系统，用于采集各传感器的测量数据；
所述介质密封系统包括依次密封连接的多级密封单元，每级密封单元包括上法兰、下法兰和波纹管式集漏套，其中上、下法兰相套装，试验垫片设置在上、下法兰之间，上、下法兰固定连接；
所述波纹管式集漏套用于收集试验腔内泄漏出的介质，分为波纹管、以及上连接面和下连接面，所述波纹管套装在上、下法兰外，上连接面与上法兰密封连接，下连接面与下法兰密封连接，由此在上、下法兰外周与波纹管式集漏套之间形成一个密封的集漏腔；
每级密封单元的上、下法兰均设有中心孔，最上级的上法兰中心孔上端封闭，最下级下法兰中心孔下端封闭，其余上、下法兰的中心孔均为通孔；组装后各级密封单法兰中心孔连通，介质的进气管可设置在任一密封单元的上法兰上，每级密封单元的下法兰上均设置一个出气管，每级中集漏腔经连接孔与出气管连通；所述进气管与介质给定系统连接，出气管与泄漏率测量系统连接。
进一步地，每级密封单元中，上法兰为T型，顶部为凸台，下法兰上为凹型，上法兰与下法兰相适配。
进一步地，波纹管式集漏套与上法兰和下法兰之间采用密封垫片和压紧螺钉连接；级与级之间的密封采用级间密封垫片进行密封。
进一步地，所述介质密封系统由八级密封单元组成。
进一步地，所述加热温控系统，包括加热炉、加热板、热电偶和温度控制器；介质密封系统设置在加热炉内，介质密封系统的每一级均装有加热板和热电偶；加热板、加热炉和热电偶均与温度控制器相连；加热温控系统的信号输出端与数据采集系统的温度采集端连接。
进一步地，还包括设置在加热炉外的位移测量系统，该系统对应每级密封单元设置有位移传感器，用于测量上、下法兰之间的位置信号。
进一步地，所述载荷测控系统包括加载试验机、载荷传感器、加压块、底座和固定螺栓；底座由固定螺栓固定在加载试验机上，介质密封系统安装于底座上方，加压块位于介质密封系统上方，载荷传感器安装在加载试验机上；载荷传感器的信号输出端连接数据采集系统的垫片载荷采集端。
进一步地，所述泄漏率测量系统包括第一测漏阀、第二测漏阀、第一温度传感器、第三测漏阀、第二温度传感器、氦质谱检漏仪、微压传感器、泄气阀、金属软管和U型管；泄漏率测量系统与出气管相连，出气管的出口分三路，第一路与第一测漏阀的一端相连，另一端连接氦质谱检漏仪；第二路与第二测漏阀的一端相连，另一端与微压传感器相连，第二测漏阀与泄气阀之间采用金属软管连接，第一温度传感器安装在金属软管左侧，第二温度传感器安装在微压传感器左侧；第三路与第三测漏阀的一端相连，另一端与U型管相连。
进一步地，所述冷却隔热系统包括冷却水槽、垫块、上隔热板和下隔热板，上隔热板位于介质密封系统上方，上隔热板上方设有冷却水槽，垫块置于冷却水槽内，冷却水槽壁上设有进水管和出水管，下隔热板位于介质密封系统下方。
进一步地，所述冷却隔热系统还包括翅片式换热器，用于位移测量系统的位移传感器的安装部件换热，减小法兰温度对位移传感器的影响。
一种多试件高温高压密封元件性能试验方法，基于上述试验装置，可对密封元件进行多种试验，包括对垫片的高温及常温下的压缩回弹性能、泄漏率或加速寿命进行试验。
本发明相比现有技术，具有如下有益效果：
(1)多功能，测量多种性能。本装置能够对不同工况(温度、载荷、介质压力)下垫片的压缩回弹率、泄漏率等进行测量，并对垫片的寿命进行评价，能够同时满足工程测试和理论研究的需要。
(2)多试件，缩短试验周期。本装置能够同时对多个垫片进行加速寿命试验，大大缩短了试验时间，不到普通寿命试验时间的10％，从而避免少量试件试验造成的寿命预测误差。
(3)多方法，扩大测漏范围。该装置可采用氦质谱检漏仪测量法、集漏空腔增压法和U型管法三种方法进行泄漏率测量，能够对较宽泄漏率范围的情况进行试验。
(4)任意级，灵活级数组合。根据试验垫片数量的要求，介质密封系统可以实现任意级数的组合，操作简便。
(5)高安全性、高可靠性。该装置下法兰为凹形，上法兰为T型，试验垫片置于下法兰凹型腔内，能够防止试验时吹出爆炸，安全性高。并采用了可靠的冷却隔热系统，可有效避免因高温而导致的对仪器和人员的伤害，可靠性高。
(6)高参数、高精度。该装置采用加热板和加热炉同时对试验垫片加热，能够实现高的试验温度，最高试验温度可达900℃，通过对每一级加热板的控制，可以保证各级的试验垫片温度一致，温控误差±0.5％。采用增压泵提高介质压力，能够实现高的试验压力，试验压力可达20MPa，误差≤1％。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明进一步说明：
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明的介质给定系统示意图；
图3为本发明的介质密封系统；
图4为本发明的位移测量系统；
图5为本发明的泄漏率测量系统示意图。
图中：1.加载试验机，2.出水管，3.加热炉，4.翅片，5.翅片式换热器，6.位移传感器，7.位移传感器夹具，8.位移传感器支架，9.位移传感器垫块，10.出气管，11.下隔热板，12.底座，13.固定螺栓，14.密封垫片，15.波纹管式集漏套，16.压紧螺钉，17.下法兰，18.试验垫片，19.上法兰，20.加热板，21.级间密封垫片，22.热电偶，23.进气管，24.加压块，25.上隔热板，26.进水管，27.冷却水槽，28.垫块，29.载荷传感器，30.介质给定系统，31.温度控制器，32.数据采集系统，33.计算机，34.氦气瓶压力表，35.供气阀，36.真空泵，37.真空阀，38.介质密封系统，39.进气阀，40.稳压罐，41.稳压罐压力表，42.增压泵，43.氦气瓶，44.第一测漏阀，45.第二测漏阀，46.第一温度传感器，47.第三测漏阀，48.第二温度传感器，49.氦质谱检漏仪，50.微压传感器，51.泄气阀，52.金属软管，53.U型管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的描述：
实施例一：
在图1中，本发明的装置包括八个系统，分别为：介质密封系统、加热温控系统、载荷测控系统、介质给定系统、位移测量系统、泄漏率测量系统、冷却隔热系统和数据采集系统；
介质密封系统，用于承载试验垫片并形成密封的试验腔；加热温控系统，用于介质密封系统的加热控温；载荷测控系统，用于对介质密封系统施加载荷；介质给定系统，用于向介质密封系统输送介质；位移测量系统，用于测量介质密封系统中试验垫片变形产生的位移；泄漏率测量系统，用于测量试验腔内泄漏出的介质；冷却隔热系统，用于介质密封系统与载荷测控系统之间的保温隔热；数据采集系统，用于采集各传感器的测量数据。
介质密封系统38包括依次密封连接的多级密封单元，每级密封单元包括上法兰19、下法兰17和波纹管式集漏套15，其中上、下法兰相套装，试验垫片18设置在上、下法兰之间，上、下法兰固定连接；
波纹管式集漏套15用于收集试验腔内泄漏出的介质，分为波纹管、以及上连接面和下连接面，所述波纹管套装在上、下法兰外，上连接面与上法兰19密封连接，下连接面与下法兰17密封连接，由此在上、下法兰外周与波纹管式集漏套15之间形成一个密封的集漏腔；
每级密封单元的上、下法兰均设有中心孔，最上级的上法兰19中心孔上端封闭，最下级下法兰17中心孔下端封闭，其余上、下法兰的中心孔均为通孔；组装后各级密封单法兰中心孔连通，介质的进气管23可设置在任一密封单元的上法兰19上，每级密封单元的下法兰17上均设置一个出气管10，每级中集漏腔经连接孔与出气管10连通；所述进气管23与介质给定系统30连接，出气管10与泄漏率测量系统连接。
实施例二：
本实例的进一步设计在于，如图中所示，图2为介质给定系统，图3为介质密封系统，图4为位移测量系统，图5为泄漏率测量系统示意图。该试验装置能对密封元件进行多种试验，包括对垫片的高温及常温下的压缩回弹性能、泄漏率或加速寿命进行试验。
在图1中，本发明的载荷测控系统包括加载试验机1、载荷传感器29、加压块24、底座12和固定螺栓13；底座12由固定螺栓13固定在加载试验机1上，介质密封系统38安装于底座12上方，加压块24位于介质密封系统38上方，载荷传感器29安装在加载试验机1上；载荷传感器29的信号输出端连接数据采集系统32的垫片载荷采集端。
该装置采用四柱加载试验机1施加载荷，加载试验机1上装有高精度的载荷传感器29；加载试验机1为该试验装置提供精确稳定的载荷，以便进行垫片各项性能的试验。
在图2中，本发明的介质给定系统30包括真空泵36、真空阀37、氦气瓶43、氦气瓶压力表34、供气阀35、增压泵42、稳压罐40、稳压罐压力表41和进气阀39；真空泵36与真空阀37的一端相连，真空阀37另一端与介质密封系统38的进气管23相连；氦气瓶43的出气口分别连通氦气瓶压力表34和供气阀35的一端，供气阀35的另一端与增压泵42的进气端相连，增压泵42的出气端与稳压罐40的进气口相连，稳压罐压力表41安装在稳压罐40上；稳压罐40的出气口与进气阀39的一端相连，进气阀39的另一端与介质密封系统38的进气管23相连。
真空泵36可以抽去介质密封系统38内的空气，使测量结果更加准确；增压泵42可以为试验提供高压力的试验介质；氦气瓶压力表34和稳压罐压力表41可用于显示氦气瓶43和稳压罐40内的介质压力，以便对试验介质压力进行调节，保证试验介质压力稳定。
在图3中，本发明的介质密封系统38包括上法兰19、试验垫片18、下法兰17、波纹管式集漏套15、密封垫片14、压紧螺钉16、级间密封垫片21、进气管23和出气管10；介质密封系统38由八级密封组成，级与级之间的密封采用级间密封垫片21进行密封；每级密封单元的上、下法兰均设有中心孔，最上级的上法兰19中心孔上端封闭，最下级下法兰17中心孔下端封闭，其余上、下法兰的中心孔均为通孔；组装后各级密封单法兰中心孔连通；上法兰19为T型，其顶部设有凸台，凸台上放置级间密封垫片21，下法兰17为凹型，波纹管式集漏套15与上法兰19和下法兰17适配之间采用密封垫片14和压紧螺钉16连接；最上面一级密封的上法兰19上设有进气孔，进气孔内插有进气管23，并与上法兰19焊在一起；每一级密封的下法兰17上都设置一个出气孔，出气孔内插有出气管10，并与下法兰17焊在一起；除最上一级的上法兰19和最下一级的下法兰17外，其他法兰中间均开有通孔。
在图1中，加热温控系统包括加热炉3、加热板20、热电偶22和温度控制器31；加热炉3为对开式，其内设有介质密封系统38，介质密封系统38的每一级密封上都装有加热板20和热电偶22；加热板20、加热炉3和热电偶22均与温度控制器31相连；加热温控系统的信号输出端与数据采集系统32的温度采集端连接。
加热炉3对整个介质密封系统38加热，外设保温层保温；加热炉3在进气管23和出气管10位置留有孔道，直径比管径略大，在下部开有小孔，用于将加热板20和热电偶22导线接出，加热保温时用石棉或玻璃纤维纸堵塞空隙，以减小热量损失；每一级密封都安装有一块加热板20，这样可以对介质密封系统38内外同时进行加热，提高升温速度和所能达到的最高温度；每一级密封上都装有一个热电偶22，能够测量出每一级密封的温度，通过温度控制器31对试验垫片18的温度进行精确控制，保证各级的试验垫片18温度一致。
在图4中，本发明的位移测量系统包括位移传感器6、位移传感器夹具7、位移传感器支架8以及位移传感器垫块9；位移传感器支架8上设有位移传感器夹具7，位移传感器6安装在位移传感器夹具7上；出气管10上装有位移传感器垫块9，使其与位移传感器6伸缩杆下部相接触，位移传感器夹具7可在位移传感器支架8上上下移动，以便调节安装位置，用于不同厚度垫片的测量；位移测量系统的信号输出端与数据采集系统32的位移采集端连接。
在图5中，本发明的泄漏率测量系统包括第一测漏阀44、第二测漏阀45、第一温度传感器46、第三测漏阀47、第二温度传感器48、氦质谱检漏仪49、微压传感器50、泄气阀51、金属软管52、U型管53；泄漏率测量系统与出气管10相连，出气管10的出口分三路，第一路与第一测漏阀44的一端相连，另一端连接氦质谱检漏仪49；第二路与第二测漏阀45的一端相连，另一端与微压传感器50相连，第二测漏阀45与泄气阀51之间采用金属软管52连接，第一温度传感器46安装在金属软管52左侧，第二温度传感器48安装在微压传感器50左侧；第三路与第三测漏阀47的一端相连，另一端与U型管53相连。
每一级密封都通过波纹管式集漏套15来收集泄漏出来的介质，以便于测量各级密封的泄漏率。泄漏率的测量方法有三种，分别是氦质谱检漏仪49测量法、集漏空腔增压法和U型管53测量法；在测量泄漏率时，可根据泄漏率的大小选择最合适的方法进行测量，当泄漏率大于10-3Pa·m3/s时，采用集漏空腔增压法或U型管法，当泄漏率小于10-3Pa·m3/s时，采用氦质谱检漏仪49进行测量。
在图1中，本发明的冷却隔热系统包括进水管26、冷却水槽27、垫块28、出水管2、上隔热板25、下隔热板11、翅片4和翅片式换热器5；上隔热板25位于介质密封系统38上方，上隔热板25上方设有冷却水槽27，冷却水槽27壁上设有进水管26和出水管2，进水管26、冷却水槽27和出水管2共同构成冷却水循环管路，通入循环冷却水，减小温度对载荷传感器29的影响；冷却水槽27内设有垫块28，略高于冷却水槽27，下隔热板28位于介质密封系统38下方；翅片式换热器5和翅片4安装于出气管10上，减小温度对位移传感器6的影响。
在图1中，本发明的数据采集系统32包括放大器、A/D转换接口、接口设备和存储器，数据采集系统32的采集控制信号端与计算机33的采集控制信号端相连接。
数据采集系统32以微型计算机为核心，传感器将各种被测参数(如：垫片载荷、试验介质压力、泄漏介质压力、温度等)转换成模拟电压信号，通过放大器进行放大或衰减，并经A/D转换器转换成数字量，通过输入接口与计算机相连。试验过程中，数据采集系统根据不同试验内容对被测参数进行巡回检测、采集、储存。试验结果可以以数据、表格、曲线或拟合公式的形式通过外围设备给出。
该装置可进行垫片多种密封性能参数的试验，包括对垫片的高温及常温下的压缩回弹性能、泄漏率或加速寿命进行试验。
基于实施例二的多试件高温高压密封元件性能试验装置，可对密封元件进行多种试验，包括对垫片的高温及常温下的压缩回弹性能、泄漏率或加速寿命进行试验，试验方法具体如以下各实施例：
实施例三：
垫片常温下的压缩回弹性能试验的具体方法如下：
步骤1：用游标卡尺测出8个试验垫片18的原始厚度；
步骤2：将8个试验垫片18安装入介质密封系统38中；
2.1)在底座12上安装第1级密封的下法兰17；
2.2)在下法兰17内部放入试验垫片18；
2.3)将上法兰19安装到下法兰17上去；
2.4)在上法兰19中心通孔内插入一个细长钢丝；
2.5)将第2级密封的下法兰17小孔对准钢丝安装在第1级密封的上法兰19上；
2.6)重复步骤2的2.2和2.3完成第2级密封安装；
2.7)第3-7级密封按步骤2的2.5和2.6安装；
2.8)在第7级密封上法兰19上安装第8级密封的下法兰17；
2.9)在下法兰17内放入试验垫片18；
2.10)抽出细长钢丝；
2.11)安装第8级密封上法兰19；
2.12)在第8级上法兰19上放置加压块24；
2.13)将载荷传感器29安装在加载试验机1上；
步骤3：安装位移传感器6；
3.1)在第1级密封的位移传感器支架8上安装位移传感器夹具7；
3.2)将位移传感器6安装到位移传感器夹具7上；
3.3)在正对位移传感器6下方出气管10位置上安装位移传感器垫块9；
3.4)调节位移传感器6位置，使位移传感器6的伸缩杆与位移传感器垫块9接触；
3.5)重复步骤3的3.1-3.4完成2-8级密封位移传感器6的安装；
步骤4：测量试验垫片18压缩量；
4.1)操作加载试验机1，对试验垫片18施加所需载荷；
4.2)等待载荷稳定，读出各位移传感器6示数并记录；
步骤5：测量试验垫片18回弹量；
5.1)操作加载试验机1，逐渐减小载荷；
5.2)等待载荷稳定，读出各位移传感器6示数并记录；
步骤6：拆除试验装置；
步骤7：整理现场，试验结束。
实施例四：
垫片高温下的压缩回弹性能试验的具体方法如下：
步骤1：用游标卡尺测出8个试验垫片18的原始厚度；
步骤2：将8个试验垫片18安装入介质密封系统38中；
2.1)在底座12上安装下隔热板11；
2.2)在下隔热板11上安装加热板20；
2.3)在下隔热板11上安装第1级密封的下法兰17；
2.4)在下法兰17内部放入试验垫片18；
2.5)将上法兰19安装到下法兰17上去；
2.6)在上法兰19上安装加热板20；
2.7)在上法兰19中心通孔内插入一个细长钢丝；
2.8)将第2级密封的下法兰17中心通孔对准钢丝安装在第1级密封的上法兰19上；
2.9)重复步骤2的2.4-2.6完成第二级密封安装；
2.10)第3-7级密封按步骤2的2.8和2.9安装；
2.11)在第7级密封上法兰19上安装第8级密封下法兰17；
2.12)在下法兰17内放入试验垫片18；
2.13)抽出细长钢丝；
2.14)安装第8级密封上法兰；
2.15)在第8级上法兰19上放置加热板20和加压块24；
2.16)在加压块24上安装上隔热板25；
2.17)将载荷传感器29安装在加载试验机1上；
步骤3：安装8个热电偶22；
步骤4：安装加热炉3；
步骤5：安装冷却隔热系统；
5.1)在上隔热板25上安装冷却水槽27；
5.2)在冷却水槽内放置垫块28；
5.3)在8个出气管10上安装翅片4及翅片式换热器5；
步骤6：安装位移传感器6；
6.1)在第1级密封的位移传感器支架8上安装位移传感器夹具7；
6.2)将位移传感器6安装到位移传感器夹具7上；
6.3)在正对位移传感器6下方出气管10位置上安装位移传感器垫块9；
6.4)调节位移传感器6位置，使位移传感器6伸缩杆下部刚好位于位移传感器垫块9上；
6.5)重复步骤6的6.1-6.4完成2-8级密封位移传感器6的安装；
步骤7：测量试验垫片18压缩量；
7.1)向冷却水槽27和翅片式换热器5内通入循环冷却水；
7.2)打开加热温控系统对试验装置进行加热；
7.3)等试验装置温度达到所需温度，操作加载试验机1，对试验垫片18施加所需载荷；
7.4)等待载荷稳定，读出各位移传感器6示数并记录；
步骤8：测量试验垫片18回弹量；
8.1)操作加载试验机1，逐渐减小载荷；
8.2)等待载荷稳定，读出各位移传感器6示数并记录；
步骤9：关闭加热温控系统；
步骤10：待试验装置冷却至常温，拆除试验装置；
步骤11：整理现场，试验结束。
实施例五：
垫片常温下的泄漏率试验的具体方法如下：
步骤1：将8个试验垫片18安装入介质密封系统38中；
1.1)在底座12上安装第1级密封的下法兰17；
1.2)在下法兰17内部放入试验垫片18；
1.3)安装波纹管式集漏套15；
1.4)将上法兰19安装到下法兰17上去；
1.5)在上法兰19上表面放置级间密封垫片21；
1.6)在上法兰19中心通孔内插入一个细长钢丝；
1.7)将第2级密封的下法兰17中心通孔对准钢丝安装在级间密封垫片21上；
1.8)重复步骤1的1.2-1.5完成第二级密封安装；
1.9)第3-7级密封按步骤1的1.7和1.8安装；
1.10)在级间密封垫片21上安装第8级密封下法兰17；
1.11)在下法兰17内放入试验垫片18；
1.12)抽出细长钢丝；
1.13)安装波纹管式集漏套15；
1.14)安装第8级密封上法兰19；
1.15)在第8级上法兰19上安装加压块24；
1.16)将载荷传感器29安装到加载试验机1上；
步骤2：在出气管10上接入泄漏率测量系统；
步骤3：在进气管23上接入介质给定系统30；
步骤4：操作加载试验机1，对试验垫片18施加所需载荷；
步骤5：待载荷稳定，向介质密封系统38内通入试验介质；
5.1)打开真空阀37，接通电源，使真空泵36将介质密封系统38内抽真空；
5.2)关闭真空阀37，断开真空泵36电源；
5.3)打开供气阀35和增压泵42电源，启动增压泵42，使试验介质经增压泵42增压，增压后的试验介质通入稳压罐40；
5.4)打开进气阀39，向介质密封系统38内通入试验介质；
步骤6：选择泄漏率测量方法；
6.1)打开第二测漏阀45，观察微压传感器50示数变化是否明显；
6.2)若示数变化明显且压力变化在微压传感器50量程范围内，则选用集漏空腔增压法测量泄漏率；
6.3)若示数变化超过微压传感器50量程范围，则关闭第二测漏阀45，打开第三测漏阀47，选用U型管53测量泄漏率；
6.4)若微压传感器50示数变化不明显，则关闭第二测漏阀45，打开第一测漏阀44，选用氦质谱检漏仪49测量泄漏率；
步骤7：氦质谱检漏仪测量方法；
7.1)关闭第二测漏阀45和第三测漏阀47，打开第一测漏阀44的排气通道，将波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出；
7.2)将氦质谱检漏仪49的吸嘴与管道相连；
7.3)待波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出，关闭第一测漏阀44的排气通道，打开其测漏通道，并开始计时，记录规定时间内氦质谱检漏仪49漏率指示器示数变化；
7.4)调节试验介质压力，向介质密封系统38内通入不同压力的试验介质；
7.5)重复步骤7的7.1-7.4，直至测完所有介质压力工况下的泄漏率；
步骤8：集漏空腔增压法测量方法；
8.1)对测漏空腔容积进行标定；
8.2)打开第二测漏阀45和泄气阀51，关闭第一测漏阀44和第三测漏阀47，将波纹管式集漏套15和管道里的泄漏介质排出；
8.3)待波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出后，关闭泄气阀51，并开始计时，记录在规定时间内微压传感器50的压力变化；
8.4)打开泄气阀51，调节试验介质压力，向介质密封系统38内通入不同压力的试验介质；
8.5)重复步骤8的8.2-8.4，直至测完所有介质压力工况下的泄漏率；
步骤9：U型管测量方法；
9.1)关闭第一测漏阀44和第二测漏阀45，打开第三测漏阀47的排气通道，将波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出；
9.2)待波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出后，关闭第三测漏阀47的排气通道，打开其测漏通道，将泄漏介质输入U型管53，并开始计时，记录规定时间内U型管53两管内的液位变化；
9.3)调节试验介质压力，向介质密封系统38内通入不同压力的试验介质；
9.4)重复步骤9的9.1-9.3，直至测完所有介质压力工况下的泄漏率；
步骤10：结束试验；
10.1)关闭供气阀35、进气阀39和增压泵42电源；
10.2)打开真空阀37，将介质密封系统38内试验介质排干净；
10.3)操作加载试验机1，卸去载荷；
10.4)拆除试验装置；
10.5)整理现场，试验结束。
实施例六：
垫片高温下的泄漏率试验的具体方法如下：
步骤1：将8个试验垫片18安装入介质密封系统38中；
1.1)在底座12上安装下隔热板11；
1.2)在下隔热板11上装加热板20；
1.3)在下隔热板11上安装第1级密封的下法兰17；
1.4)在下法兰17内部放入试验垫片18；
1.5)安装波纹管式集漏套15；
1.6)将上法兰19安装到下法兰17上去；
1.7)在上法兰19上表面放置级间密封垫片21以及加热板20；
1.8)在上法兰19中心通孔内插入一个细长钢丝；
1.9)将第2级密封的下法兰17中心通孔对准钢丝安装在级间密封垫片21上；
1.10)重复步骤1的1.4-1.7完成第二级密封安装；
1.11)第3-7级密封按步骤1的1.9和1.10安装；
1.12)在第7级上法兰19的级间密封垫片21上安装第8级密封下法兰17；
1.13)在下法兰17内放入试验垫片18；
1.14)抽出细长钢丝；
1.15)安装波纹管式集漏套15；
1.16)安装第8级密封上法兰19；
1.17)在第8级上法兰19上放置加热板20和加压块24；
1.18)在加压块24上安装上隔热板25；
步骤2：安装8个热电偶22；
步骤3：安装加热炉3；
步骤4：安装冷却隔热系统；
4.1)在上隔热板25上安装冷却水槽27；
4.2)在冷却水槽内放置垫块28；
4.3)将载荷传感器29安装在加载试验机1上；
步骤5：在出气管10上接入泄漏率测量系统；
步骤6：在进气管23上接入介质给定系统30；
步骤7：向冷却水槽27内通入冷却水；
步骤8：对试验装置加热；
8.1)打开加热炉3及9个加热板20；
8.2)观测8个热电偶22所测数据；
步骤9：待试验装置温度达到所需温度，操作加载试验机1，对试验垫片18施加所需载荷；
步骤10：待载荷稳定，向介质密封系统38内通入试验介质；
10.1)打开真空阀37，接通电源，使真空泵36将介质密封系统38内抽真空；
10.2)关闭真空阀37，断开真空泵36电源；
10.3)打开供气阀35和增压泵42电源，启动增压泵42，使试验介质经增压泵42增压，增压后的试验介质通入稳压罐40；
10.4)打开进气阀39，向介质密封系统38内通入试验介质；
步骤11：选择泄漏率测量方法；
11.1)打开第二测漏阀45，观察微压传感器50示数变化是否明显；
11.2)若示数变化明显且压力变化在微压传感器50量程范围内，则选用集漏空腔增压法测量泄漏率；
11.3)若示数变化超过微压传感器50量程范围，则关闭第二测漏阀45，打开第三测漏阀47，选用U型管53测量泄漏率；
11.4)若微压传感器50示数变化不明显，则关闭第二测漏阀45，打开第一测漏阀44，选用氦质谱检漏仪49测量泄漏率；
步骤12：氦质谱检漏仪测量方法；
12.1)关闭第二测漏阀45和第三测漏阀47，打开第一测漏阀44的排气通道，将波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出；
12.2)将氦质谱检漏仪49的吸嘴与管道相连；
12.3)待波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出，关闭第一测漏阀44的排气通道，打开其测漏通道，并开始计时，记录规定时间内氦质谱检漏仪49漏率指示器示数变化；
12.4)调节试验介质压力，向介质密封系统38内通入不同压力的试验介质；
12.5)重复步骤12的12.1-12.4，直至测完所有介质压力工况下的泄漏率；
步骤13：集漏空腔增压法测量方法；
13.1)对测漏空腔容积进行标定；
13.2)打开第二测漏阀45和泄气阀51，关闭第一测漏阀44和第三测漏阀47，将波纹管式集漏套15和管道里的泄漏介质排出；
13.3)待波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出，关闭泄气阀51，并开始计时，记录在规定时间内微压传感器50的压力变化；
13.4)记录热电偶22、第一温度传感器45以及第二温度传感器48的示数；
13.5)打开泄气阀51，调节试验介质压力，向介质密封系统38内通入不同压力的试验介质；
13.6)重复步骤13的13.2-13.5，直至测完所有介质压力工况下的泄漏率；
步骤14：U型管测量方法；
14.1)关闭第一测漏阀44和第二测漏阀45，打开第三测漏阀47的排气通道，将波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出；
14.2)待波纹管式集漏套15和管道内的泄漏介质排出，关闭第三测漏阀47的排气通道，打开其测漏通道，将泄漏介质输入U型管53，并开始计时，记录规定时间内U型管53两管内的液位变化；
14.3)调节试验介质压力，向介质密封系统38内通入不同压力的试验介质；
14.4)重复步骤14的14.1-14.3，直至测完所有介质压力工况下的泄漏率；
步骤15：结束试验；
15.1)关闭供气阀35、进气阀39和增压泵42电源；
15.2)打开真空阀37，将介质密封系统38内试验介质排干净；
15.3)操作加载试验机1，卸去载荷；
15.4)关闭加热温控系统；
15.5)待试验装置冷却至室温，拆除试验装置；
15.6)整理现场，试验结束。
实施例七：
垫片加速寿命试验的具体方法如下：
步骤1：将8个试验垫片18安装入介质密封系统38中；
1.1)在底座12上安装下隔热板11；
1.2)在下隔热板11上安装加热板20；
1.3)在下隔热板11上安装第1级密封的下法兰17；
1.4)在下法兰17内部放入试验垫片18；
1.5)安装波纹管式集漏套15；
1.6)将上法兰19安装到下法兰17上去；
1.7)在上法兰19上表面放置级间密封垫片21以及加热板20；
1.8)在上法兰19中心通孔内插入一个细长钢丝；
1.9)将第2级密封的下法兰17中心通孔对准钢丝安装在级间密封垫片21上；1.10)重复步骤1的1.4-1.7完成第二级密封安装；
1.11)第3-7级密封按步骤1的1.9和1.10安装；
1.12)第7级上法兰19的级间密封垫片21上安装第8级密封下法兰17；
1.13)在下法兰17内放入试验垫片18；
1.14)抽出细长钢丝；
1.15)安装波纹管式集漏套15；
1.16)安装第8级密封上法兰19；
1.17)在第8级上法兰19上放置加热板20和加压块24；
1.18)在加压块24上安装上隔热板25；
步骤2：安装8个热电偶22；
步骤3：安装加热炉3；
步骤4：安装冷却隔热系统；
4.1)在上隔热板25上安装冷却水槽27；
4.2)在冷却水槽内放置垫块28；
4.3)将载荷传感器29安装在加载试验机1上；
步骤5：在出气管10上接入泄漏率测量系统；
步骤6：在进气管23上接入介质给定系统30；
步骤7：向冷却水槽27内通入冷却水；
步骤8：对试验装置加热；
8.1)打开加热炉3及9个加热板20；
8.2)观察8个热电偶22数据，使试验垫片18温度达到所需加速应力水平；
步骤9：待温度达到加速应力水平，操作加载试验机1，对试验垫片18施加所需载荷，使试验垫片18预紧应力达到加速应力水平；
步骤10：待载荷稳定，向介质密封系统38内通入试验介质；
10.1)打开真空阀37，接通电源，使真空泵36将介质密封系统38内抽真空；
10.2)关闭真空阀37，断开真空泵36电源；
10.3)打开供气阀35和增压泵42电源，启动增压泵42，使试验介质经增压泵42增压，增压后的试验介质要达到加速应力水平，然后通入稳压罐(40)；
10.4)打开进气阀39，向介质密封系统38内通入试验介质；
步骤11：打开计时器，记录时间；
步骤12：泄漏率测量；
12.1)试验之初，各级密封泄漏率较小，此时选择氦质谱检漏仪49测量法测量泄漏率；
12.2)当泄漏率大于10-3Pa·m3/s时，氦质谱检漏仪49不能够测出泄漏率，此时关闭第一测漏阀44，打开第二测漏阀45或第三测漏阀47，改用集漏空腔增压法或U型管53法测量泄漏率；
12.3)氦质谱检漏仪49测量法、集漏空腔增压法以及U型管53法同垫片高温下的泄漏率试验步骤12、步骤13和步骤14；
12.4)试验起初，每隔一周对各级密封测量一次泄漏率，随着试验时间增长，测量泄漏率周期逐步减小；
12.4)待有某一级密封泄漏率达到指标泄漏率后便记录下此时计时器时间；
12.5)待所有垫片泄漏率达到指标泄漏率后，关闭计时器，结束试验；
步骤13：结束试验；
13.1)关闭供气阀35、进气阀39和增压泵42电源；
13.2)打开真空阀37，将介质密封系统38内试验介质排干净；
13.3)操作加载试验机1，卸去载荷；
13.4)关闭加热温控系统；
13.5)待试验装置冷却至室温，拆除试验装置；
13.6)整理现场，试验结束。

Claims (10)

1.一种多试件高温高压密封元件性能试验装置，该装置包括介质密封系统、加热温控系统、载荷测控系统、介质给定系统、位移测量系统、泄漏率测量系统、冷却隔热系统、数据采集系统，其特征在于：
介质密封系统，用于承载试验垫片并形成密封的试验腔；
加热温控系统，用于介质密封系统的加热控温；
载荷测控系统，用于对介质密封系统施加载荷；
介质给定系统，用于向介质密封系统输送介质；
位移测量系统，用于测量介质密封系统中试验垫片变形产生的位移；
泄漏率测量系统，用于测量试验腔内泄漏出的介质；
冷却隔热系统，用于介质密封系统与载荷测控系统之间的保温隔热；
数据采集系统，用于采集各传感器的测量数据；所述介质密封系统(38)包括依次密封连接的多级密封单元，每级密封单元包括上法兰(19)、下法兰(17)和波纹管式集漏套(15)，其中上、下法兰相套装，试验垫片(18)设置在上、下法兰之间，上、下法兰固定连接；
所述波纹管式集漏套(15)用于收集试验腔内泄漏出的介质，分为波纹管、以及上连接面和下连接面，所述波纹管套装在上、下法兰外，上连接面与上法兰(19)密封连接，下连接面与下法兰(17)密封连接，由此在上、下法兰外周与波纹管式集漏套(15)之间形成一个密封的集漏腔；
每级密封单元的上、下法兰均设有中心孔，最上级的上法兰(19)中心孔上端封闭，最下级下法兰(17)中心孔下端封闭，其余上、下法兰的中心孔均为通孔；组装后各级密封单法兰中心孔连通，介质的进气管(23)可设置在任一密封单元的上法兰(19)上，每级密封单元的下法兰(17)上均设置一个出气管(10)，每级中集漏腔经连接孔与出气管(10)连通；所述进气管(23)与介质给定系统(30)连接，出气管(10)与泄漏率测量系统连接。
2.根据权利要求1所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：每级密封单元中，上法兰(19)为T型，顶部为凸台，下法兰(17)上为凹型，上法兰(19)与下法兰(17)相适配。
3.根据权利要求2所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：波纹管式集漏套(15)与上法兰(19)和下法兰(17)之间采用密封垫片(14)和压紧螺钉(16)连接；级与级之间的密封采用级间密封垫片(21)进行密封。
4.根据权利要求1所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：所述介质密封系统(38)由八级密封单元组成。
5.根据权利要求1-4任一所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：所述加热温控系统，包括加热炉(3)、加热板(20)、热电偶(22)和温度控制器(31)；介质密封系统(38)设置在加热炉(3)内，介质密封系统(38)的每一级均装有加热板(20)和热电偶(22)；加热板(20)、加热炉(3)和热电偶(22)均与温度控制器(31)相连；加热温控系统的信号输出端与数据采集系统(32)的温度采集端连接。
6.根据权利要求5所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：还包括设置在加热炉(3)外的位移测量系统，该系统对应每级密封单元设置有位移传感器(6)，用于测量上、下法兰之间的位置信号。
7.根据权利要求6所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：所述载荷测控系统包括加载试验机(1)、载荷传感器(29)、加压块(24)、底座(12)和固定螺栓(13)；底座(12)由固定螺栓(13)固定在加载试验机(1)上，介质密封系统(38)安装于底座(12)上方，加压块(24)位于介质密封系统(38)上方，载荷传感器(29)安装在加载试验机(1)上；载荷传感器(29)的信号输出端连接数据采集系统(32)的垫片载荷采集端。
8.根据权利要求7所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：所述泄漏率测量系统包括第一测漏阀(44)、第二测漏阀(45)、第一温度传感器(46)、第三测漏阀(47)、第二温度传感器(48)、氦质谱检漏仪(49)、微压传感器(50)、泄气阀(51)、金属软管(52)和U型管(53)；泄漏率测量系统与出气管(10)相连，出气管(10)的出口分三路，第一路与第一测漏阀(44)的一端相连，另一端连接氦质谱检漏仪(49)；第二路与第二测漏阀(45)的一端相连，另一端与微压传感器(50)相连，第二测漏阀(45)与泄气阀(51)之间采用金属软管(52)连接，第一温度传感器(46)安装在金属软管(52)左侧，第二温度传感器(48)安装在微压传感器(50)左侧；第三路与第三测漏阀(47)的一端相连，另一端与U型管(53)相连。
9.根据权利要求8所述多试件高温高压密封元件性能试验装置，其特征在于：所述冷却隔热系统包括冷却水槽(27)、垫块(28)、上隔热板(25)和下隔热板(11)，上隔热板(25)位于介质密封系统(38)上方，上隔热板(25)上方设有冷却水槽(27)，垫块(28)置于冷却水槽(27)内，冷却水槽(27)壁上设有进水管(26)和出水管(2)，下隔热板(11)位于介质密封系统(38)下方。
10.一种多试件高温高压密封元件性能试验方法，基于权利要求1-9之一所述试验装置，可对密封元件进行多种试验，包括对垫片的高温及常温下的压缩回弹性能、泄漏率或加速寿命进行试验。
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