付 強，王御龍，張 為，姚丙南，楊 彬

(1.吉林工程技術(shù)師范學院，吉林 長春 130052；2.長春理工大學，吉林 長春 130022；3.中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

目前，在高溫承壓的嚴苛環(huán)境下，金屬纏繞墊片的應(yīng)用非常廣泛，因此，對金屬纏繞墊片的密封性能進行研究十分重要[1-4]。相比于常溫工況，高溫工況下的法蘭螺栓墊片密封系統(tǒng)隨著服役時間的增長，金屬纏繞墊片更容易發(fā)生金屬蠕變和壓縮回彈性能降低，產(chǎn)成泄漏現(xiàn)象，造成密封失效[5-8]。因此，利用高溫承壓環(huán)境下墊片密封性能測試裝置對法蘭螺栓墊片系統(tǒng)進行高溫承壓環(huán)境下的密封性能研究具有重要的意義。

2 整體設(shè)計

高溫密封墊片性能測試裝置主要是利用墊片密封性能測試技術(shù)原理研制而成，能進行高溫承壓環(huán)境墊片壓縮回彈性能試驗和泄漏率試驗。試驗過程中能實時觀測時間、力、變形及位移等相互之間的關(guān)系，具有測量結(jié)果準確、運行安全穩(wěn)定和操作簡便的特點。

高溫密封墊片性能測試裝置以壓力試驗機主機為基礎(chǔ)，具有強大的處理控制功能，主要由壓力試驗機主機、溫控系統(tǒng)、供氣管路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等6個部分組成。該裝置能對數(shù)據(jù)進行自動采集和處理，并實現(xiàn)人機交互。高溫密封墊片性能測試裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，裝置實物圖見圖2。

1、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng) 2、溫度傳感器 3、下法蘭壓板4、壓力傳感器 5、油源 6、壓力源 7、載荷傳感器8、密封空腔 9、上法蘭壓板 10、放氣管路及閥門11、閥門 12、標準容器 13、閥門14、緩沖罐 15、閥門 16、試驗介質(zhì)圖1 高溫密封墊片性能測試裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 高溫密封墊片性能測試裝置實物圖

2.1 壓力試驗機主機

該主機是一種功能先進的試驗儀器，主要包括由油缸、油缸活塞副、機座、支撐柱、上下固定梁、上下壓板組成的主機單元和由油泵電機、電液比例伺服閥、溢流閥、電氣拖動部分組成的伺服液壓單元。伺服液壓單元是測試裝置的動力部分，最大加載力為500kN，主要包括油泵電機、電液比例伺服閥、濾油器、溢流閥、電氣拖動等部分。綜合計算機數(shù)字控制、寬調(diào)速范圍比例伺服閥等先進技術(shù)，組成全數(shù)字式閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)試驗過程的自動化、精確測量與控制。該壓力試驗機主機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 壓力試驗機主機主要技術(shù)參數(shù)

2.2 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)主要采用電阻盤中材質(zhì)為鐵鉻鋁合金的電加熱絲進行加熱。電阻盤的材質(zhì)為95瓷，兩塊電阻盤通過熱傳遞的方式分別對上下壓板進行加熱。電阻盤采用4圈加熱絲為上下壓板加熱，在提高了加熱效率的同時，保證了上下壓板加熱的均勻性。采用溫控表準確控制溫度范圍，將K型鎧裝熱電偶水平插入上下壓板中，熱電偶尖端置于墊片邊緣處，保證了墊片溫度的準確測量。上下壓板周圍采用圓柱形隔熱屏進行固定和保溫，隔熱屏采用304不銹鋼制成，隔熱屏與壓板之間填充保溫棉材料進行保溫。最后將熱電偶采集到的溫度數(shù)值與試驗預(yù)設(shè)溫度數(shù)值比較，通過控制器控制可控硅實現(xiàn)裝置的升溫和停止。

2.3 供氣管路系統(tǒng)

整個供氣管路系統(tǒng)主要由高壓氣瓶、緩沖罐、標準容器、不銹鋼管路、304不銹鋼波紋管、減壓閥等組成，試驗介質(zhì)采用純度為99.999%的氮氣，其壓力最高可達10MPa。進氣過程是試驗介質(zhì)從高壓氣瓶流出，經(jīng)過耐高壓不銹鋼管路到達減壓閥處，手動調(diào)節(jié)減壓閥達到試驗需求后，通過不銹鋼波紋管，經(jīng)下壓板進入密封空腔。密封空腔進口處采用世偉洛克四通卡套接頭，其中一個接頭插入壓力變送器，采集密封空腔處的介質(zhì)壓力，一個接頭插入熱電偶，采集密封空腔處的介質(zhì)溫度，其余兩個接頭分別接不銹鋼波紋管管路和密封空腔。放氣閥位于上壓板處，采用截止閥控制密封空腔的放氣。

2.4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要由壓力測量單元、溫控單元、變形測量單元和墊片試驗控制軟件組成，具體包括溫度傳感器、壓力變送器、電液比例伺服閥、控制器、溫控表、電流表、轉(zhuǎn)換器和集線器等。試驗過程中，除墊片的更換過程及試驗相關(guān)開關(guān)之外，從試驗選擇、試驗參數(shù)設(shè)定到試驗結(jié)果輸出，全部由試驗控制軟件的程序控制。

(1)壓力測量單元。壓力測量單元主要包括墊片受力測量和介質(zhì)壓力測量兩部分。墊片受力測量采用高精度輪輻式壓力傳感器對墊片受力進行實時的測量和反饋，介質(zhì)壓力測量采用高精度壓力變送器對試驗介質(zhì)進行實時的測量和反饋。

(2)溫控單元。溫控單元采用高精度溫度傳感器，對密封空腔的溫度進行實時的測量和反饋。電路串聯(lián)電流表，能夠?qū)﹄娂訜峤z的電流進行實時監(jiān)控與過載報警。溫度傳感器選用3支熱電偶，2支測量墊片上下端溫度，1支測量密封空腔內(nèi)部溫度。

(3)變形測量單元。2支高精度光柵位移傳感器對稱固定在引伸桿處，光柵位移傳感器發(fā)生位移時產(chǎn)生TTL信號，由控制器進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)UT-861轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)缴衔粰C，上位機試驗控制軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行實時顯示及保存。光柵位移傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 光柵位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)

2.5 水冷系統(tǒng)

高溫試驗中，上下壓板附近溫度較高，因此，設(shè)置水冷系統(tǒng)加快散熱速率，不僅能保證測試裝置安全運行，而且為后續(xù)不同溫度試驗節(jié)省降溫時間。上下壓板和上下壓板接頭等處安裝水嘴，水嘴與水嘴、水嘴與分流器之間采用牛筋軟管連接。引伸桿與壓板的連接采用焊接方式，引伸桿與水嘴的連接采用間隙配合方式。流量透視管與水排分流器之間采用螺紋連接，連接處纏生料帶增加密封性能。

3 測試試驗

壓縮回彈性能是表征金屬纏繞墊片性能的一個重要參數(shù)，在墊片的分級制造及使用壽命上，壓縮回彈性能是一個重要依據(jù)。因此，墊片的壓縮回彈性能可以有效地填補法蘭密封面的不平整度，是形成初始密封的必要條件。本裝置選擇柔性石墨金屬纏繞墊片作為試驗試樣，可實現(xiàn)不同試驗溫度、加載載荷和加卸載速度對墊片壓縮回彈性能影響的研究，探究不同工況因素對壓縮回彈性能的影響。

壓縮回彈性能測試的步驟是將壓力測量單元、溫控單元和變形測量單元等整合在一起，同時對所測量的數(shù)據(jù)進行保存運算和圖形顯示。在軟件的壓縮回彈率界面可選擇手動的方式計算墊片壓縮回彈率，或依據(jù)軟件默認的自動運算方式進行墊片壓縮回彈率的計算。具體測試步驟如下：

(1)試驗開始前，首先需確保電控柜側(cè)面電源撥至“NO”，控制臺電源開關(guān)撥至“1”，此時電源處于開啟狀態(tài)。冷水機按照實際試驗需求選擇啟停，常溫試驗不需要開啟冷水機，高溫試驗必須開啟冷水機。電控柜加熱開關(guān)按照實際試驗需求選擇啟停，常溫試驗無需開啟加熱，高溫試驗則需按下綠色加熱按鈕。

(2)試驗時，可通過自定義進行試驗參數(shù)的設(shè)置。點擊確認按鈕，對試驗參數(shù)進行保存，此時開始試驗按鈕由灰色狀態(tài)變?yōu)榫G色可點擊狀態(tài)。點擊開始試驗按鈕，系統(tǒng)會開始升溫，在達到規(guī)定值后進行保溫并進行試驗力的加載。系統(tǒng)自動加載到初始載荷，保載一段時間后進行總載荷的加載，在達到總載荷要求后進行保載過程，保載一段時間后試驗力自動卸載至初始載荷，至此壓縮回彈性能試驗結(jié)束。

(3)最后將上壓板移動到合適的位置，更換墊片，進行后續(xù)試驗。

4 結(jié) 論

本文介紹了高溫承壓密封墊片性能測試裝置的結(jié)構(gòu)組成，對壓力試驗機主機、溫控系統(tǒng)、供氣管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)進行了詳細的介紹。本裝置可實現(xiàn)高溫條件下墊片密封性能的測試，對不同溫度、壓力等對墊片密封性能影響的理論分析和試驗研究具有重要意義。