多重自密封无焊缝液位电极装置的制作方法

本发明涉及锅炉等高温高压容器的电极水位计装置，尤其涉及一种多重自密封无焊缝液位电极装置。

背景技术：

在中国国产电极水位计的水位取样、电极传感、电测三环节串联系统中，电极传感环节可靠性最低，原因是电极绝缘管与钎焊焊缝寿命最短、易腐蚀。如图1所示，为传统电极结构：极芯杆100贯穿绝缘管200和极座300；极芯杆100与绝缘管200、绝缘管200与极座300皆由钎焊封接；极座300为台阶螺柱，可由螺纹及密封垫实现与取样筒007之间的硬靠密封连接；极芯杆100与极座300之间的间隙内有绝缘环和绝缘塞。极芯杆100与极座300由绝缘管200隔开，便形成了电极的两极。电极传感汽、水取样筒中水位原理是：对地阻值为低阻，则极芯杆头在水中；对地阻值为高阻，则极芯杆头在汽中。现有电极结构原理性能的特征之一是，绝缘管承担绝缘与承压的双重功能。绝缘属于原理性基础功能，两极间不绝缘则没有电极式水位传感器，则绝缘功能第一。现有电极的绝缘管外部承受汽、水介质压力，内部为大气压力，内外压强(即压力)差很大。因绝缘管最小抗压壁厚远远大于最小绝缘壁厚，故安全设计只考虑抗压壁厚。国产电极绝缘管在高温高压汽、水中的抗腐蚀性能较差，当绝缘管壁厚因腐蚀减小到允许抗压极限以下，而绝缘厚度仍有很大的安全余量时，突发的泄漏破坏了绝缘功能，即绝缘并非因电压击穿而失效，此为绝缘与抗压双重功能结构的最大缺陷。目前尚未研制出在高温高压汽水中几乎不腐蚀的、具有良好机械性能的绝缘陶瓷，更没有与金属钎焊的成熟技术。钎焊难点在于，不同绝缘材质与不同金属的钎焊与工艺设计均不同，钎焊与工艺过程设计复杂，且必须经过多次优化试验方可达到焊缝质量与寿命的预计目标。中国国产电极钎焊设计与工艺优化程度低，例如大量使用的超纯氧化铝陶瓷电极的钎焊设计与工艺几十年来几乎没有改进，以致焊缝厚度合格率较低、光洁度与抗腐蚀较差，寿命低等。

目前国内已有隐蔽焊缝的电极设计，所采用的绝缘件与金属电极芯材质均耐腐蚀、耐冲刷，电极结构示意图，如图2所示。带有肩盘106的极芯杆100插入绝缘管200，且肩盘106位于绝缘管200的凹槽底部，肩盘106与凹槽底部以钎焊连接；再将带有台阶的绝缘件203套在极芯杆100上，且位于绝缘管200的凹槽内，台阶与肩盘106以钎焊连接。那么肩盘106两侧的钎焊焊缝107隐蔽在两个绝缘件之间，尽管可以减小汽、水对焊缝的冲刷与腐蚀，却加大了钎焊技术难度，钎焊与工艺过程设计不经过一系列优化与试验，难于达到预定寿命目标，显然要解决的难点多，优化过程长。

目前国内大量使用的电极，为了预防绝缘破坏事故，不得不定期更换电极，其周期是：用于老式取样测量筒，为6～10个月；用于能大幅度改善电极工作条件的最先进测量筒，为2～3年。

因此，亟待解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种无需钎焊且可实现极芯杆、绝缘管和极座之间自密封连接的多重自密封无焊缝液位电极装置。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种多重自密封无焊缝液位电极装置，包括极座、插入极座内的绝缘管以及依次穿过绝缘管和极座的极芯杆，且该极芯杆通过密封紧固组件与极座固定；其中，在极座内部，绝缘管的外壁与极座的内壁之间形成四周密闭的第一密封涵室，并在该第一密封涵室内设有石墨外环，位于绝缘管的内壁端部的极芯杆上套设推压环，该推压环、绝缘管内壁和极芯杆之间形成四周密闭的第二密封涵室，并在该第二密封涵室内设有石墨内环。

优选的，位于所述绝缘管的另一端部的极芯杆径向向外延伸形成一级台阶面，该台阶面上开设环形凹槽，所述绝缘管插入环形凹槽内，并与环形凹槽之间形成四周密闭的第三密封涵室，在该第三密封涵室内设有石墨环。

其中，所述极芯杆包括由下降梯状形式依次连接的粗杆部、细杆部、光杆部和螺杆部组成的台阶式螺杆，所述绝缘管包括由粗管部和细管部构成的中空管体，所述极座靠近绝缘管的端部从外至内以上升梯状形式依次包括第一阶梯孔，第二阶梯孔和第三阶梯孔；其中，所述粗管部与第一阶梯孔相配合，细管部与第二阶梯孔相配合，细管部的端面与第二阶梯孔的底面之间留有缝隙，且细管部与第一阶梯孔之间形成第一密封涵室，该第一密封涵室内设有石墨外环；所述极芯杆的细杆部与绝缘管的内壁相配合，光杆部上套设有推压环，该推压环的外壁与绝缘管的内壁相配合，推压环的一端面与第二阶梯孔的底面相贴合，该推压环、光杆部与绝缘管内壁之间形成第二密封涵室，该第二密封涵室内设有石墨内环。

优选的，所述极芯杆的粗杆部与细杆部之间形成的台阶面上设有环形凹槽，所述绝缘管的粗管部插入环形凹槽内，该粗管部的外壁与环形凹槽内壁相配合，且该粗管部与环形凹槽之间形成第三密封涵室，该第三密封涵室内设有石墨环。

再者，所述极座远离绝缘管的一端部从外至内以上升梯状形式依次包括第四阶梯孔，第五阶梯孔，该第五阶梯孔的底部与第三阶梯孔相通；所述极芯杆的螺杆部上从内向外依次套设有支撑垫、弹簧垫、螺母、锁紧螺母、锁紧垫片、陶瓷管、紧固垫片、紧固螺母、垫片、滚花螺母，其中支撑垫沉入第四阶梯孔内与第四阶梯孔的底面相贴合。

进一步，所述绝缘管、推压环和支撑垫为高强度绝缘陶瓷。

优选的，所述极芯杆的光杆部和螺杆部部分与极座的第三阶梯孔和第五阶梯孔之间形成绝缘间隙。

其中，所述极座靠近绝缘管的外壁依次包括光面部，外螺纹部、凸台和外六角部。

再者，所述极座的外壁带有肩台。

优选的，所述第一阶梯孔的直径大于第四阶梯孔的直径。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先该多重自密封无焊缝液位电极装置中绝缘管的细管部既不承受径向压差力作用，又不承受轴向力作用，可根绝承压破坏绝缘的隐患，与传统电极绝缘管内外承受很大差压存在巨大区别；其次绝缘管、极芯杆和极座之间的缝隙能减缓取样筒中汽、水直接冲刷涵室腐蚀细管部，石墨内环和石墨外环受挤压密封过程中，因石墨柔性与延展性能好，能向外延展封堵缝隙而保护细管部，且石墨承压回弹性能好、不腐蚀，封堵寿命长；石墨外环密封绝缘管的台阶面，且可完全屏蔽细管部的外壁，使之不接触汽、水介质；又有石墨内环屏蔽细管部内壁；粗管部作为细管部的延伸段，也可进一步保护细管部，粗管部与极芯杆之间的间隙使粗管部内外压差为0，保护细管部的安全余量最大化；还有，本发明在内外石墨密封环的密封隔离下，细管部作为绝缘管的主绝缘段不接触汽水介质，从而免受汽水腐蚀，相当于提高细管部的绝缘寿命，为采用抗腐蚀性能低于国外绝缘材质的国产绝缘材质制造长寿命电极绝缘管提供可能，其绝缘寿命可以接近或高于国外电极绝缘管寿命；再者，绝缘管的粗管部仅承受轴向压力，由于设计的轴向抗压强度大，安全余度大，即便壁厚因腐蚀而减薄，仍能保证施加密封紧力的可靠性；且石墨内环和石墨外环的自紧密封可靠性高，且介质压力愈高，密封愈紧，能可靠地避免介质泄漏到极座的阶梯孔内部导致极芯杆对地短路；然后，极芯杆与绝缘管的连接密封结构为三重串并联式柔性自密封，完全堵死了绝缘管的粗管部与极芯杆细杆部之间的两端间隙，使得汽、水介质不能进入该间隙，从而保障绝缘管粗管部内表面不受腐蚀，即便绝缘管的粗管部因腐蚀或因受外力作用出现裂纹等泄漏点，只要保证施加密封紧力，即可保证细管部的绝缘安全；该间隙亦与大气隔绝，在电极处于热态运行下的间隙内压力远大于大气压，则可降低了粗管部内外差压，提高绝缘管的抗压能力，保证施加密封紧力的可靠性；最后，本发明以双涵室石墨自密封结构实现绝缘管、极座以及极芯杆之间机械密封连接，从而替代了现有技术中难度大的外露式或隐蔽式钎焊焊缝连接，解决了更换绝缘管、极座和极芯杆材质必须研发相对应的钎焊技术之难题；该密封结构使得电极成为整体化的一个元器件，便于制造，可实现电极尺寸小型化，且在应用中不必更换取样筒的固定座，有利于电极装置的应用推广。

附图说明

图1为现有技术中压入式电极装置结构与其安装结构示意图；

图2为现有技术中隐蔽钎焊焊缝电极装置结构与其安装结构示意图；

图3为本发明电极装置的第一种结构示意图；

图4为本发明电极装置的第二种结构示意图；

图5为本发明电极与自密封固定座的连接形式的结构示意图；

图6为本发明电极与硬靠密封连接形式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图3所示，本发明第一种多重自密封无焊缝液位电极装置，包括极芯杆100、绝缘管200、极座300、石墨外环400、推压环500和石墨内环600，其中极芯杆100依次穿过绝缘管200和极座300，并通过密封紧固组件与极座300相固定。其中，在极座300内部，绝缘管200的外壁与极座300的内壁之间形成四周密闭的第一密封涵室，并在该第一密封涵室内设有石墨外环400，位于绝缘管200的内壁端部的极芯杆100上套设推压环500，该推压环500、绝缘管200内壁和极芯杆100之间形成四周密闭的第二密封涵室，并在该第二密封涵室内设有石墨内环600。本发明位于所述绝缘管200的另一端部的极芯杆100径向向外延伸形成一级台阶面，该台阶面上开设环形凹槽105，所述绝缘管200插入环形凹槽105内，并与环形凹槽105之间形成四周密闭的第三密封涵室，在该第三密封涵室内设有石墨环700。本发明以双涵室石墨自密封结构实现绝缘管、极座以及极芯杆之间机械密封连接，通过结构原理的性能改进使绝缘管不承受径向压差力与轴向力作用，可根绝承压破坏绝缘的隐患，并提高绝缘管寿命，且替代了现有技术中难度大的外露式或隐蔽式钎焊焊缝连接，并解决了更换绝缘管、极座和极芯杆材质必须研发相对应的钎焊技术之难题。

上述极芯杆100包括由下降梯状形式依次连接的粗杆部101、细杆部102、光杆部103和螺杆部104组成的台阶式螺杆，绝缘管200包括由粗管部201和细管部202构成的中空管体，极座300靠近绝缘管的端部从外至内以上升梯状形式依次包括第一阶梯孔301，第二阶梯孔302和第三阶梯孔303；所述极座300远离绝缘管的一端部从外至内以上升梯状形式依次包括第四阶梯孔304，第五阶梯孔305，该第五阶梯孔305的底部与第三阶梯孔303相通；且第一阶梯孔301的直径大于第四阶梯孔304的直径，其中直径大的第一阶梯孔部分定义为极座300的头部，直径小的第四阶梯孔部分定义为极座300的尾部。上述极座300靠近绝缘管的外壁依次包括光面部306，外螺纹部307、凸台308和外六角部309。或者极座300的外壁带有肩台310。本发明多重自密封无焊缝液位电极装置001安装于液位取样装置(测量筒)的固定座002上，根据电极装置001与固定座002连接密封方式的不同，极座300的外壁结构亦不同。

本发明的极芯杆的螺杆部104上从内向外依次套设有支撑垫800、弹簧垫801、螺母802、锁紧螺母803、锁紧垫片804、陶瓷管805、紧固垫片806、紧固螺母807、垫片808、滚花螺母809，其中支撑垫800沉入第四阶梯孔304内与第四阶梯孔304的底面相贴合。其中，支撑垫800、弹簧垫801、螺母802、锁紧螺母803、锁紧垫片804、陶瓷管805、紧固垫片806、紧固螺母807、垫片808和滚花螺母809起到密封紧固。所述极芯杆100的光杆部103和螺杆部104部分与极座的第三阶梯孔303和第五阶梯孔305之间形成绝缘间隙900。本发明的绝缘管200、推压环500和支撑垫800为高强度绝缘陶瓷，其机械性能接近钢材。

如图3所示，本发明中绝缘管200插入极座300内，粗管部201与第一阶梯孔301相配合，细管部202与第二阶梯孔302相配合，细管部202的端面与第二阶梯孔302的底面之间留有缝隙，且细管部202与第一阶梯孔301之间形成第一密封涵室，该第一密封涵室内设有石墨外环400；所述极芯杆100的细杆部102与绝缘管200的内壁相配合，光杆部103上套设有推压环500，该推压环500的外壁与绝缘管200的内壁相配合，推压环500的一端面与第二阶梯孔302的底面相贴合，该推压环500、光杆部103与绝缘管200内壁之间形成第二密封涵室，该第二密封涵室内设有石墨内环600。本发明中细管部202作为绝缘管200的关键部位，是不承压的绝缘件。极座300在固定座002中的位置固定不变，为死点，螺柱预紧密封力与介质自紧密封力的合力作用于绝缘管200的粗管部201挤压石墨外环400，同时又作用于极芯杆100的细杆部102挤压石墨内环600，石墨内、外环内部压强皆等于合力与两环截面积之和的比值，所以细管部202的径向内外压力大小相等，方向相反，则压强差(差压)等于0。即本发明的细管部202是一个不承径向差压的绝缘件，区别于传统电极绝缘管内外承受很大差压。尽管本发明的细管部内部承受很大径向力，但由于压力小于允许绝缘材质受压极限，不会损坏细管部。在挤压密封过程中，绝缘管200只有粗管部201承受轴向力，细管部可以在极座300的第二阶阶梯孔302内壁与推压环500之间的环形槽中移动，而槽中压力为大气压，所以细管部202不承受轴向力。该多重自密封无焊缝液位电极装置中绝缘管的细管部既不承受径向压差力作用，又不承受轴向力作用，可根绝承压破坏绝缘的隐患，与传统电极绝缘管内外承受很大差压存在巨大区别；其次绝缘管、极芯杆和极座之间的缝隙能减缓取样筒中汽、水直接冲刷涵室腐蚀细管部，石墨内环和石墨外环受挤压密封过程中，因石墨柔性与延展性能好，能向外延展封堵缝隙而保护细管部，且石墨承压回弹性能好、不腐蚀，封堵寿命长；石墨外环密封绝缘管的台阶面，且可完全屏蔽细管部的外壁，使之不接触汽、水介质；又有石墨内环屏蔽细管部内壁；粗管部作为细管部的延伸段，也可进一步保护细管部，粗管部与极芯杆之间的间隙使粗管部内外压差为0，保护细管部的安全余量最大化。其中绝缘管的粗管部仅承受轴向压力，由于设计的轴向抗压强度大，安全余度大，即便壁厚因腐蚀而减薄，仍能保证施加密封紧力的可靠性；且石墨内环和石墨外环的自紧密封可靠性高，且介质压力愈高，密封愈紧，能可靠地避免介质泄漏到极座的阶梯孔内部导致极芯杆对地短路。

本发明第二种多重自密封无焊缝液位电极装置，与第一种电极装置的区别之处在于：该电极装置中的极芯杆100的粗杆部101与细杆部102之间形成的台阶面上设有环形凹槽105，所述绝缘管的粗管部201插入环形凹槽105内，该粗管部201的外壁与环形凹槽105内壁相配合，且该粗管部与环形凹槽之间形成第三密封涵室，该第三密封涵室内设有石墨环700。本发明的极芯杆100、绝缘管200和极座300三者之间的连接密封结构为串并联式三重柔性自密封，完全堵死了绝缘管的粗管部与极芯杆细杆部之间的两端间隙，使得汽、水介质不能进入该间隙，从而保障绝缘管粗管部内表面不受腐蚀；该间隙亦与大气隔绝，在电极处于热态运行下的间隙内压力远大于大气压，则可降低了粗管部内外差压，提高绝缘管的抗压能力，保证施加密封紧力的可靠性。

本发明以双涵室石墨自密封结构实现绝缘管、极座以及极芯杆之间机械密封连接，从而替代了现有技术中难度大的外露式或隐蔽式钎焊焊缝连接，解决了更换绝缘管、极座和极芯杆材质必须研发相对应的钎焊技术之难题；该密封结构使得电极成为整体化的一个元器件，便于制造，可实现电极尺寸小型化，且在应用中不必更换取样筒的固定座，有利于电极装置的应用推广。

本发明的多重自密封无焊缝液位电极装置与液位取样装置的固定座的安装形式具有多样化，其中连接形式不同，极座300的外壁结构亦做出相应的改进。

如图5所示，本发明的多重自密封无焊缝液位电极装置与液位取样装置的固定座的第一种安装形式，其中极座的外壁带有肩台310。本发明的电极装置中的极芯杆杆头部分插入固定座002内，极座300外壁上从依次套设石墨衬环003和衬垫004，并通过压盖005压紧在固定座002内，其中肩台310作为限位件，实现固定座002和电极装置组成自密封连接系统，可将电极头插入取样筒007内部检测取样水位。

如图6所示，本发明的多重自密封无焊缝液位电极装置与液位取样装置的固定座的第二种安装形式，其中极座300靠近绝缘管的外壁依次包括光面部306，外螺纹部307、凸台308和外六角部309。且固定座002为中空件，该固定座002的一端焊接在取样筒007上，另一端面开设有与凸台308相配合的凹槽，且固定座内壁具有与外螺纹部307相配合的内螺纹。在安装过程中，旋转外六角部309可将电极装置001旋入固定座002内，并穿过固定座002伸入取样筒007内部检测取样水位，极座的凸台308和固定座的凹槽之间设有垫片006，垫片006起到密封作用。该实施方式的电极装置001、垫片006和固定座002配套组成硬靠密封连接组件。

本发明与现有技术相比，在保持了电接点感装装置结构最简单特点的同时，具有绝缘及其连接密封可靠性高、寿命长、安装拆装方便、性能价格比高等优点，可使电接点传感可靠性接近或高于取样、电测两环节的可靠性，继而使电接点水位计在保证锅炉设备安全与运行安全发挥更重要作用。