复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置及方法

摘要

本发明的目的在于提供一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置及方法。其将待测试的法兰密封结构放置在施力管段的法兰盘和承力管段的法兰盘之间，然后将施力管段和承力管段固定在试验箱体内的底板上，试验箱体放置在振动台台面上；施力管段和承力管段周围设有加热装置；通过加压气体输入与监控管路向承力管段的内部充入预定压力值的气体；施加轴向力的调节拉杆对施力管段施加轴向力，施加侧向力的调节拉杆对施力管段施加侧向力。本发明能够完成法兰密封结构在法兰受载条件下经过高温振动的密封性能考核，实现了密封性能实时检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热振联合密封试验装置及方法，具体而言，本发明涉及 一种考核法兰密封结构及材料在法兰轴向力、侧向力条件下快速升温后的热 振联合密封试验装置及方法。

背景技术

对于某些在复杂工况条件下使用的法兰密封结构和法兰密封材料而言， 需要同时考核在热、振动以及受载条件下的密封性能。密封性能的检测方法 主要有气泡法、保压法以及氦质谱检漏法，这些检测方法在热和振动的条件 下都无法直接应用。另一方面，对于密封领域而言，所选用的加热方法需要 实现尽可能快的加热速度，以尽可能真实考核密封结构和密封材料在高温下 密封能力，消除加热过程对于密封结构和材料的损坏。一般可以选用石英灯 加热法以及电弧加热法等。振动的实施一般选用具有相应量级的振动台完成。 当将热、振动以及加载结合在一起进行考核密封性能时，需要解决加热系统、 振动系统、加载系统如何互不干涉、协同工作的问题以及如何实施密封检测 的问题。查阅现有技术文献，没有相关试验方法报道。因此，需要建立能够 在热、振动以及受载条件下考核法兰密封结构及材料的密封性能的试验装置 及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂受载条件下的考核法兰密封结构及材料 在法兰轴向力、侧向力条件下快速升温后的热振联合密封试验装置及方法。

本发明所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置， 其包括下端带法兰盘的施力管段和上端带法兰盘的承力管段，在施力管段的 顶端焊接有连接顶板，在承力管段底端焊接有连接底板；待测试的法兰密封 结构放置在施力管段的法兰盘和承力管段的法兰盘之间，然后通过若干个螺 栓和螺母将两个法兰盘密封紧固；上述连接后的施力管段和承力管段，通过 连接底板竖直固定在试验箱体内的底板上，试验箱体放置在振动台台面上， 使所有部件都处在振动环境下；加压气体输入与监控管路穿过试验箱体与承 力管段的管段内空腔相连通；竖直设置的施加轴向力的调节拉杆一端固定在 连接顶板的顶端中心，另一端固定在箱体顶板上；水平设置的施加侧向力的 调节拉杆一端固定在施力管段的侧面，另一端固定在箱体侧板上；在试验箱 体内，放置待测试法兰密封结构的施力管段的法兰盘和承力管段的法兰盘周 围设有加热装置，该加热装置采用单独的支架支撑。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置，其 所述的承力管段和连接底板之间连接若干个加强筋条。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置，其 采用螺栓和螺母将连接底板竖直固定在试验箱体内的底板上。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置，其 所述的加热装置为石英灯辐射的加热方式。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置，其 所述的水平设置的施加侧向力的调节拉杆一端固定在施力管段的侧面距离施 力管段的法兰盘上方100～200mm。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置，其 所述的加压气体输入与监控管路初始端连接气瓶，在加压气体输入与监控管 路上还设有压力传感器和控制气体流量的截止阀；所述的加压气体输入与监 控管路采用焊接方式与承力管段的管段内空腔相连通。

本发明所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验方法， 其包括如下步骤：

(a)将待测试的法兰密封结构放置在上下设置的施力管段的法兰盘和承 力管段的法兰盘之间，其中在施力管段的顶端焊接有连接顶板，在承力管段 底端焊接有连接底板；然后通过若干个螺栓和螺母将两个法兰盘密封紧固；

(b)采用螺栓和螺母将上述步骤(a)连接后的施力管段和承力管段竖 直固定在密封的试验箱体内的底板上，试验箱体放置在振动台台面上；在试 验箱体内，待测试法兰密封结构的施力管段的法兰盘和承力管段的法兰盘周 围放置加热装置，该加热装置采用单独的支架支撑；加压气体输入与监控管 路穿过试验箱体与承力管段的管段内空腔采用焊接方式相连通；

(c)常温条件下，通过加压气体输入与监控管路向承力管段的内部充入 预定压力值的气体，进行试验前保压试验；

(d)将竖直设置的施加轴向力的调节拉杆一端固定在连接顶板的顶端中 心，另一端固定在箱体顶板上；施加轴向力的调节拉杆对施力管段施加轴向 力；将水平设置的施加侧向力的调节拉杆一端固定在施力管段的侧面且距离 施力管段的法兰盘一定距离处，另一端固定在箱体侧板上；施加侧向力的调 节拉杆对施力管段施加侧向力，同时产生法兰弯矩；

(e)通过加压气体输入与监控管路向承力管段的内部充入一定压力数值 的气体，该压力数值利用气体膨胀原理在试验温度下能够达到预定压力值； 启动加热装置，在一定时间内达到试验温度；调整力载荷到初始状态；

(f)当承力管段的内部充入的气体压力达到预定压力值后保压，开始振 动，振动分为两个阶段，正弦扫描和随机振动；振动过程中监测压力变化和 力载荷变化；

(g)振动结束后，卸压，关闭加热装置，降温到常温后，监测压力变化。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验方法，其 在加压气体输入与监控管路上还设有压力传感器和控制气体流量的截止阀； 在整个振动期间，采用压力传感器观测压力变化；采用测力计，观测力学载 荷变化。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验方法，其 所述的加热装置采用石英灯辐射的加热方式。

如上所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验方法，其 所述的水平设置的施加侧向力的调节拉杆一端固定在施力管段的侧面距离施 力管段的法兰盘上方100～200mm。

本发明的效果在于：

本发明所述的复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验装置及方 法，能够完成法兰密封结构在法兰受载条件下经过高温振动的密封性能考核， 试验装置在3分钟内能够达到预定温度和预定压力、高温试验过程中能够加 载至预定载荷、高温试验过程中振动载荷能够达到预定量级，通过压力电传 系统监测不同时段压力变化，实现了密封性能实时检测。

本发明的试验装置内，所施加的力载荷不作用在振动台上而作用在施力 管段上，所有部件都处在振动环境下。压力的施加采用利用气体膨胀原理达 到预定压力的方式，保证高温条件下压力恒定性。

附图说明

图1为本发明所述的一种复杂受载条件下的法兰密封结构热振联合试验 装置结构示意图；

图2为图1中施力管段和承力管段结构示意图。

图中：1-施加轴向力的调节拉杆；2-施加水平力的调节拉杆；3-试 验箱体；4-加热装置；5-振动台台面；6-压力传感器；7-截止阀；8- 气瓶；9-连接顶板；10-施力管段；11-螺栓；12-承力管段；13-加压 气体输入与监控管路；14-加强筋条；15-连接底板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种复杂受载条件下的法兰 密封结构热振联合试验装置及方法作进一步描述。

实施例1

考核法兰密封结构在330℃、施加法兰轴向力15000N(允许偏差20％)和 法兰侧向力4000N(允许偏差20％)、密封压力为0.95MPa条件下的热振联合 试验。

试验装置结构如图1和图2所示。该装置包括下端带法兰盘的施力管段10 和上端带法兰盘的承力管段12，待测试的法兰密封结构放置在上下设置的施 力管段10的法兰盘和承力管段12的法兰盘之间，然后通过若干个螺栓11和螺 母将两个法兰盘密封紧固。

在承力管段12底端焊接有连接底板15，承力管段12和连接底板15之间焊 接若干个加强筋条14，连接底板15竖直固定安装在试验箱体3内的底板上。试 验箱体3放置在振动台台面5上，使所有部件都处在振动环境下。加强筋条14 用于防止承力管段12在热振试验过程中受力变形。

加压气体输入与监控管路13一端穿过试验箱体3与承力管段12的管段内 空腔采用焊接方式相连通，另一端连接气瓶8，在加压气体输入与监控管路13 上还设有压力传感器6和控制气体流量的截止阀7。在承力管段内通入气体， 用于对待考核法兰密封结构进行充压。

在施力管段10的顶端焊接有连接顶板9，竖直设置的施加轴向力的调节拉 杆1一端固定在连接顶板9的顶端中心，另一端固定在箱体3顶板上。水平设置 的施加侧向力的调节拉杆2一端固定在施力管段10的侧面且距离施力管段10 的法兰盘上方100mm处，另一端固定在箱体3侧板上，该侧向力在法兰盘处产 生法兰弯矩。承力管段12用于承受向法兰盘所施加的轴向力和侧向力。

在试验箱体3内，放置待测试法兰密封结构的施力管段10的法兰盘和承力 管段12的法兰盘周围设有加热装置。加热装置用单独的支架支撑(该支架可 固定在地面上)，加热装置采用石英灯辐射的加热方式，与振动、力载荷工 装不存在接触关系。

试验方法如下：

(a)如图1所示，将待测试的法兰密封结构放置在上下设置的下端带法 兰盘的施力管段10和上端带法兰盘的承力管段12的两个法兰盘之间，然后通 过若干个螺栓11和螺母将两个法兰盘密封紧固；

(b)采用螺栓和螺母将上述连接后的施力管段10和承力管段12竖直固定 在密封的试验箱体3内的底板上，试验箱体3放置在振动台台面5上；

在试验箱体3内，将加热装置设置在放置待测试法兰密封结构的施力管段 10的法兰盘和承力管段12的法兰盘周围；

加压气体输入与监控管路13穿过试验箱体3与承力管段12的管段内空腔 采用焊接方式相连通；

(c)常温条件下，通过加压气体输入与监控管路13向承力管段12的内部 充入1.0MPa的氦气，进行试验前保压试验；

(d)将竖直设置的施加轴向力的调节拉杆1一端固定在连接顶板9的顶端 中心，另一端固定在箱体3顶板上；施加轴向力的调节拉杆1对施力管段10施 加轴向力为15000N；

将水平设置的施加侧向力的调节拉杆2一端固定在施力管段10的侧面且 距离施力管段10的法兰盘100mm处，另一端固定在箱体3侧板上；施加侧向力 的调节拉杆2对施力管段10施加侧向力为4000N，同时产生400Nm法兰弯矩；

(e)通过加压气体输入与监控管路13向承力管段12的内部充入0.5MPa 氦气；启动加热装置，采用石英灯加热器进行加热，使放置有待测试法兰密 封结构的施力管段10的法兰盘和承力管段12的法兰盘周围温度在3min内达 到330℃并稳定后，调整力载荷到初始状态；

(f)当承力管段12的内部充入的氦气压力达到0.95MPa，保压后，开 始振动，振动分为两个阶段，低频段正弦扫描和高频段随机振动，所述的低 频段正弦扫描振动试验条件如表1所示，所述的高频段随机振动条件如表2 所示。在整个振动期间，采用压力传感器(6)观测压力变化，测得压力在 0.95～1.05MPa；采用测力计，测得施加轴向力为12000～15000N，施加侧向 力为3500～4000N。

(g)振动结束后，卸压，关闭加热装置。试验装置降温到常温后，进行 试后保压试验，通过压力传感器监测，没有发生压降。

表1低频段正弦扫描振动试验条件

表2高频段随机振动条件

实施例2

考核法兰密封结构在360℃、施加法兰轴向力16000N(允许偏差20％)和 法兰侧向力2000N(允许偏差20％)、密封压力为1.25MPa条件下的热振联合 试验。

试验装置结构基本同实施例1。

试验方法如下：

(a)如图1所示，将待测试的法兰密封结构放置在上下设置的下端带法 兰盘的施力管段10和上端带法兰盘的承力管段12的两个法兰盘之间，其中施 力管段10的顶端焊接有连接顶板9，承力管段12的底端焊接有连接底板15；然 后通过若干个螺栓11和螺母将两个法兰盘密封紧固；

(b)采用螺栓和螺母将上述连接后的施力管段10和承力管段12竖直固定 在密封的试验箱体3内的底板上，试验箱体3放置在振动台台面5上；

在试验箱体3内，将加热装置设置在放置待测试法兰密封结构的施力管段 10的法兰盘和承力管段12的法兰盘周围；

加压气体输入与监控管路13穿过试验箱体3与承力管段12的管段内空腔 采用焊接方式相连通；

(c)常温条件下，通过加压气体输入与监控管路13向承力管段12的内部 充入1.25MPa的氦气，进行试验前保压试验；

(d)将竖直设置的施加轴向力的调节拉杆1一端固定在施力管段10的顶 端中心，另一端固定在箱体3顶板上；施加轴向力的调节拉杆1对施力管段10 施加轴向力为16000N；

将水平设置的施加侧向力的调节拉杆2一端固定在施力管段10的侧面且 距离施力管段10的法兰盘200mm处，另一端固定在箱体3侧板上；施加侧向力 的调节拉杆2对施力管段10施加侧向力为2000N，同时产生400Nm法兰弯矩；

(e)通过加压气体输入与监控管路13向承力管段12的内部充入0.6MPa 氦气；启动加热装置，采用石英灯加热器进行加热，使放置有待测试法兰密 封结构的施力管段10的法兰盘和承力管段12的法兰盘周围温度在3min内达 到360℃并稳定后，调整力载荷到初始状态；

(f)当承力管段12的内部充入的氦气压力达到1.25MPa，保压后，开 始振动，振动分为两个阶段，低频段正弦扫描和高频段随机振动，所述的低 频段正弦扫描振动试验条件如表1所示，所述的高频段随机振动条件如表2 所示。在整个振动期间，采用压力传感器6观测压力变化，测得压力在1.25～ 1.3MPa；采用测力计，测得施加轴向力为13000～16000N，施加侧向力为 1700～2000N。

(g)振动结束后，卸压，关闭加热装置。试验装置降温到常温后，进行 试后保压试验，通过压力传感器监测，没有发生压降。

表1低频段正弦扫描振动试验条件

表2高频段随机振动条件