CN115326303A - 一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统及测试方法 - Google Patents

一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统及测试方法 Download PDF

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范志超
陈学东
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Abstract

本发明涉及密封垫片测试技术领域，具体涉及一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统及测试方法。本发明包括上压板及下压板，被测垫片、上压板和下压板围合形成的空间形成密封腔，密封腔通过密封侧管路及开关阀连通高压气源；上压板或下压板处布置中空腔体状的平衡腔，平衡腔通过平衡侧管路及开关阀连通连通高压气源；在平衡侧管路与密封侧管路之间桥接有用于测量两管路压差的差压传感器；平衡侧管路和/或密封侧管路上设置用于测量当前管路的压力传感器；上压板或下压板处设置温度传感器。本发明能实现高温高压环境下密封垫片泄漏率的准确测量，以便评估密封垫片在高温高压下的密封性能。

Description

一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及密封垫片测试技术领域，具体涉及一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统及测试方法。
背景技术
密封垫片是石化、核电等领域广泛应用的一种静密封件，其密封性能对装置的长周期安全运行至关重要。随着装置及设备服役温度、压力越来越高，对极端环境下密封垫片的质量尤其是密封性能提出了更高要求，而准确的测量密封垫片在高温高压环境下的泄漏率是开展密封垫片质量评价、密封失效机理研究以及密封结构设计的前提条件。当前，尽管已有部分高温高压环境下的密封垫片泄漏率的测试，但仍存在各种问题：如当试验温度较高时，如何解决测漏空腔温度不均匀的问题；某些设备需在装置低压区需设置测漏空腔，温度较高时测漏空腔的密封也较麻烦；某些设备的介质气体标准无法统一，更是缺失明确的泄漏率测量测试方法等。至此，如何提供一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统及测试方法，以期望实现高温高压环境下密封垫片泄漏率的准确测量，从而在装置标准化和流程统一化的同时，还能有效且准确的评估密封垫片在高温高压下的密封性能，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理且方便实现的高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其能实现高温高压环境下密封垫片泄漏率的准确测量，以便评估密封垫片在高温高压下的密封性能。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其特征在于：包括彼此配合从而以指定压紧载荷夹紧被测垫片的上压板及下压板，被测垫片、上压板和下压板围合形成的空间形成密封腔，密封腔通过密封侧管路及开关阀连通高压气源；上压板或下压板处布置中空腔体状的平衡腔，平衡腔通过平衡侧管路及开关阀连通连通高压气源；在平衡侧管路与密封侧管路之间桥接有用于测量两管路压差的差压传感器；平衡侧管路和/或密封侧管路上设置用于测量当前管路的压力传感器；上压板或下压板处设置温度传感器。
优选的，密封腔与平衡腔彼此靠近，且两者容积相等。
优选的，所述高压气源的出口经由减压阀RV、开关阀一V1、开关阀二V2及压力传感器后连通平衡腔；密封侧管路一端连通密封腔，另一端设置分叉支路，分叉支路的一端经由开关阀一V1连通高压气源，分叉支路的另一端经由放空阀V3连通大气环境或气体收集设备。
优选的，该系统还包括用于标定密封腔或平衡器容积的标准容器，所述标准容器经由开关阀四V4连通至开关阀一V1和开关阀二V2之间的一段管路处。
优选的，所述压力传感器为绝压型压力传感器。
优选的，各开关阀均为隔膜阀。
优选的，一种应用所述高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.将被测垫片对中放置在上压板和下压板之间，并给被测垫片施加所需的压紧载荷；
S2.开启开关阀四V4，以便采用标准容器标定密封腔的容积v，单位m3；
S3.打开开关阀一V1、开关阀二V2，通过减压阀RV向平衡腔和密封腔中通入既定压力的介质气体，读取温度传感器和压力传感器的示值，记为T0和P0，其中温度单位为K，压力单位为Pa；
S4.关闭开关阀一V1、开关阀二V2，将上压板、下压板和被测垫片加热到规定的试验温度T，读取压力传感器的示值，记为P1；
S5.计算试验温度T时平衡腔和密封腔的当量温度：
此时平衡腔的当量温度T′eq1为：
Figure BDA0003729893760000031
此时密封腔的当量温度Teq1为：
Teq1＝T′eq1；
S6.打开开关阀一V1和开关阀二V2，通过减压阀RV和放空阀V3调整介质气体压力至预定的试验压力，关闭开关阀一V1、开关阀二V2和放空阀V3，保持时间t后读取压力传感器和差压传感器的示值，记为P2和ΔP，时间t的单位为s；
S7.计算经过时间t后平衡腔和密封腔的当量温度：
此时平衡腔的当量温度T′eq2为：
Figure BDA0003729893760000032
此时密封腔的当量温度Teq2为：
Teq2＝T′eq2；
S8.根据理想气体状态方程，计算时间t内密封垫片的质量泄漏率Lm：
Figure BDA0003729893760000033
其中：
M为介质气体的分子量，单位为g/mol；
R为理想气体常数，单位为J/(mol·K)。
优选的，S3步骤中，所述既定压力为环境温度与试验温度的比值再乘以预定的试验压力。
本发明的有益效果在于：
1)、通过上述方案，本发明依靠在两压板上靠近密封腔的位置设置平衡腔，采用压力传感器测量升温前后平衡腔内气体压力的变化，间接计算得到密封腔在试验温度下的当量温度；随后，再通过差压传感器测量一定时间内平衡腔和密封腔之间的压力差，根据理想气体状态方程，即可计算得到高温高压环境下密封垫片的质量泄漏率。
至此，本发明为实现高温高压环境下密封垫片泄漏率的准确测量提供了理论平台，搭配测试方法，能更方便的评估密封垫片在高温高压下的密封性能；具有结构简单、方便实现、测量精确等优点。
更进一步的，本发明采用压降法测量泄漏率，无需另外设置集漏腔来收集泄漏出来的气体，避免了高温下集漏腔的密封难题。通过设置平衡腔，采用差压传感器测量平衡腔和密封腔之间的压力差，获得测漏前后密封腔内压力的变化，解决了高温高压环境下压力法测量泄漏率精度不高的问题。同时，通过测量升温前后及测漏前后平衡腔内压力的变化，利用气体状态方程间接计算得到密封腔的当量温度，解决了高温下由于密封腔温度不均匀无法准确测量的难题，保证了高温下泄漏率测量的精度，成效显著。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
a-被测垫片 b-密封腔 c-平衡腔
11-上压板 12-下压板
20-高压气源 31-差压传感器 32-压力传感器 33-温度传感器
40-标准容器
具体实施方式
为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
如图1所示，一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，包括作为高压气源20的高压气瓶、减压阀RV、开关阀一V1、开关阀四V4、标准容器40、开关阀二V2、差压传感器31、压力传感器32、上压板11、温度传感器33、被测垫片a、下压板12、放空阀V3。在图1所示结构中，上压板11处布置平衡腔c；试验时通过上压板11和下压板12压紧被测垫片a，上压板11、下压板12和被测垫片a之间自然形成密封腔b。密封腔b通过密封侧管路分别与差压传感器31的低压侧、开关阀一V1、开关阀二V2和放空阀V3相连。上压板11上设置平衡腔c，平衡腔c通过平衡侧管路分别与差压传感器31的高压侧和开关阀二V2相连。平衡腔c与差压传感器31之间的连接管路上设置压力传感器32，压力传感器32为绝压型压力传感器。同时，开关阀一V1和开关阀二V2之间的管路上连接有开关阀四V4和标准容器40。上压板11上还设置温度传感器33。
设计时，平衡腔c的容积应当与密封腔b相当，且平衡腔c的位置需尽量靠近密封腔b。此外，开关阀一V1、开关阀二V2、放空阀V3和开关阀四V4均采用密封性能较好的隔膜阀。
在上述系统的基础上，本发明还提供了以下测试方法，包括以下步骤：
S1.将被测垫片a对中放置在上压板11和下压板12之间，并给被测垫片a施加所需的压紧载荷；
S2.开启开关阀四V4，以便采用标准容器40标定密封腔b的容积v，单位m3；
S3.打开开关阀一V1、开关阀二V2，通过减压阀RV向平衡腔c和密封腔b中通入既定压力的介质气体，读取温度传感器33和压力传感器32的示值，记为T0和P0，其中温度单位为K，压力单位为Pa；该既定压力为环境温度与试验温度的比值再乘以预定的试验压力；
S4.关闭开关阀一V1、开关阀二V2，将上压板11、下压板12和被测垫片a加热到规定的试验温度T，读取压力传感器32的示值，记为P1；
S5.计算试验温度T时平衡腔c和密封腔b的当量温度：
此时平衡腔c的当量温度T′eq1为：
Figure BDA0003729893760000061
此时密封腔b的当量温度Teq1为：
Teq1＝T′eq1；
S6.打开开关阀一V1和开关阀二V2，通过减压阀RV和放空阀V3调整介质气体压力至预定的试验压力，关闭开关阀一V1、开关阀二V2和放空阀V3，保持时间t后读取压力传感器32和差压传感器31的示值，记为P2和ΔP，时间t的单位为s；
S7.计算经过时间t后平衡腔c和密封腔b的当量温度：
此时平衡腔c的当量温度T′eq2为：
Figure BDA0003729893760000062
此时密封腔b的当量温度Teq2为：
Teq2＝T′eq2；
S8.根据理想气体状态方程，计算时间t内密封垫片的质量泄漏率Lm：
Figure BDA0003729893760000063
其中：
M为介质气体的分子量，单位为g/mol；
R为理想气体常数，单位为J/(mol·K)。
上述中，差压传感器31和压力传感器32的示值单位均为帕，温度传感器33示值单位为开；所述的容积单位为立方米；时间t的单位为秒。
实施例1：
为便于进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明中的高温高压密封垫片泄漏率测量系统及方法进行详细说明：
实施例为采用本测试系统及方法对DN80的管法兰用蛭石缠绕被测垫片a进行泄漏率测量。
被测垫片a的压应力70MPa、试验温度673K、介质气体压力10MPa，介质气体为氮气；测试系统的差压传感器31量程100KPa、精度±0.1％；压力传感器32量程15MPa、精度±0.1％；温度传感器33为PT100热电阻；试验用的上压板11及下压板12外径均为200mm。
测试过程如下：
S1.用丙酮将两压板的相应密封面擦拭干净，将被测垫片a对中放置在上压板11和下压板12之间，将各压板及被测垫片a组合放置于液压试验机上，施加所需的压紧载荷，确保被测垫片a上的垫片压应力为70MPa；
S2.采用标准容器40标定密封腔b的容积，获得密封腔b容积v为6.48×10-5m3；
S3.打开开关阀一V1、开关阀二V2，向平衡腔c和密封腔b中通入4.43×106Pa的氮气，此时温度传感器33的示值T0为298.8K，压力传感器32示值P0为4.43×106Pa；
S4.关闭开关阀一V1和开关阀二V2，通过加热设备将上压板11、下压板12和被测垫片a加热到规定的试验温度673K，待温度波动不超过±3K，也即温度稳定后，获得压力传感器32的示值为9.28×106Pa；
S5.计算试验温度T时平衡腔c和密封腔b的当量温度：
此时平衡腔c的当量温度T′eq1为：
Figure BDA0003729893760000081
此时密封腔b的当量温度Teq1为：
Teq1＝T′eq1＝625.9K；
S6.打开开关阀二V2和开关阀一V1，调整减压阀RV，使介质气体压力为试验压力1.0×107Pa，关闭开关阀一V1、开关阀二V2，开始测漏，时间t＝600s；经过600s后，读取压力传感器32的示值P2为1.002×107Pa，差压传感器31的示值ΔP为3.56×104Pa；
S7.计算测漏结束时平衡腔c和密封腔b的当量温度：
此时平衡腔c的当量温度T′eq2为：
Figure BDA0003729893760000082
此时密封腔b的当量温度Teq2为：
Teq2＝T′eq2＝627.2K；
S8.已知氮气的分子量M＝28.01g/mol；理想气体常数R＝8.314J/(mol·K)；根据理想气体状态方程，计算时间600s内密封垫片的质量泄漏率：
Figure BDA0003729893760000083
综上，采用本发明的测试系统及测试方法，可方便、准确地测量出密封垫片在高温高压环境下的泄漏率大小，以便评估密封垫片在高温高压下的密封性能；具有结构简单、方便实现、测量精确等优点，最终可为开展高温高压环境下密封垫片质量评价、密封失效机理研究以及密封结构设计提供相关数据支撑。
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其特征在于：包括彼此配合从而以指定压紧载荷夹紧被测垫片(a)的上压板(11)及下压板(12)，被测垫片(a)、上压板(11)和下压板(12)围合形成的空间形成密封腔(b)，密封腔(b)通过密封侧管路及开关阀连通高压气源(20)；上压板(11)或下压板(12)处布置中空腔体状的平衡腔(c)，平衡腔(c)通过平衡侧管路及开关阀连通连通高压气源(20)；在平衡侧管路与密封侧管路之间桥接有用于测量两管路压差的差压传感器(31)；平衡侧管路和/或密封侧管路上设置用于测量当前管路的压力传感器(32)；上压板(11)或下压板(12)处设置温度传感器(33)。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其特征在于：密封腔(b)与平衡腔(c)彼此靠近，且两者容积相等。
3.根据权利要求2所述的一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其特征在于：所述高压气源(20)的出口经由减压阀RV、开关阀一V1、开关阀二V2及压力传感器(32)后连通平衡腔(c)；密封侧管路一端连通密封腔(b)，另一端设置分叉支路，分叉支路的一端经由开关阀一V1连通高压气源(20)，分叉支路的另一端经由放空阀V3连通大气环境或气体收集设备。
4.根据权利要求3所述的一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其特征在于：该系统还包括用于标定密封腔(b)或平衡器容积的标准容器(40)，所述标准容器(40)经由开关阀四V4连通至开关阀一V1和开关阀二V2之间的一段管路处。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其特征在于：所述压力传感器(32)为绝压型压力传感器。
6.根据权利要求3或4所述的一种高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统，其特征在于：各开关阀均为隔膜阀。
7.一种应用如权利要求1或2或3或4所述高温高压环境下密封垫片泄漏率测试系统的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.将被测垫片(a)对中放置在上压板(11)和下压板(12)之间，并给被测垫片(a)施加所需的压紧载荷；
S2.开启开关阀四V4，以便采用标准容器(40)标定密封腔(b)的容积v，单位m3；
S3.打开开关阀一V1、开关阀二V2，通过减压阀RV向平衡腔(c)和密封腔(b)中通入既定压力的介质气体，读取温度传感器(33)和压力传感器(32)的示值，记为T0和P0，其中温度单位为K，压力单位为Pa；
S4.关闭开关阀一V1、开关阀二V2，将上压板(11)、下压板(12)和被测垫片(a)加热到规定的试验温度T，读取压力传感器(32)的示值，记为P1；
S5.计算试验温度T时平衡腔(c)和密封腔(b)的当量温度：
所述平衡腔(c)的当量温度T′eq1为：
Figure FDA0003729893750000021
所述密封腔(b)的当量温度Teq1为：
Teq1＝T′eq1；
S6.打开开关阀一V1和开关阀二V2，通过减压阀RV和放空阀V3调整介质气体压力至预定的试验压力，关闭开关阀一V1、开关阀二V2和放空阀V3，保持时间t后读取压力传感器(32)和差压传感器(31)的示值，记为P2和ΔP，时间t的单位为s；
S7.计算经过时间t后平衡腔(c)和密封腔(b)的当量温度：
所述平衡腔(c)的当量温度T′eq2为：
Figure FDA0003729893750000031
所述密封腔(b)的当量温度Teq2为：
Teq2＝T′eq2；
S8.根据理想气体状态方程，计算时间t内密封垫片的质量泄漏率Lm：
Figure FDA0003729893750000032
其中：
M为介质气体的分子量，单位为g/mol；
R为理想气体常数，单位为J/(mol·K)。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：S3步骤中，所述既定压力为环境温度与试验温度的比值再乘以预定的试验压力。
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