深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试装置及方法与流程

本发明涉及一种深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试装置及方法，特别涉及一种深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性动态模拟测试装置及方法，属于深海控制阀领域。

背景技术：

我国海洋油气勘探和开发起步较晚，缺乏具有自主知识产权的海洋石油水下装备关键技术和设备，基本依赖进口。随着我国石油勘探开发向海洋的战略转移，对海洋石油装备的需求进一步加大，对国外的技术和装备依赖性更大，所以无论是从国家能源安全方面还是从装备制造业未来发展方面考虑，研制适合我国油气勘探和开发的钻采装备都迫在眉睫。

水下阀门装置技术及设备长期被国外公司垄断，国内缺少此方面的投入和研究，近年来，我国的部分企业已经就海洋石油水下装备专项技术及产品展开了研究，取得了很大的进步。

由于陆地使用的阀门，一般无需考虑外部环境压力对阀杆的密封影响，且从外部便于观察和发现密封缺陷，易于维修，故只需考虑阀门内部的介质压力对阀杆密封的影响，即单一压力方向的密封可靠性和维修性。

针对深海环境下使用的阀门，除了要考虑阀门内部的介质压力对阀杆密封的影响外，还需考虑阀门阀杆的密封装置一端受水下执行机构内部海水压力的影响，且该平衡压力随外部深海环境水深压力的变化而同步变化。此时的阀杆密封装置将受到介质压力和水深压力的两个方向共同作用影响；为保证阀门装置在水下长周期寿命、免维护、高可靠性地使用，就需对设计的可靠性进行必要的真实工况模拟测试验证，就包括阀杆与填料之间的密封可靠性地验证，验证可靠后方可在阀门本体上进行实际工程应用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试装置及方法，能够独立地对深海阀门阀杆与填料之间的双向密封性能进行动态模拟测试和验证，为阀杆、填料在阀门本体上推广使用提供试验依据和保证。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试装置，其特征在于，包括：

阀盖组件，包括阀盖，穿设过所述阀盖的填料函孔的内部且两端伸出所述阀盖外部的被测阀杆，以及安装在所述填料函孔的内圆周壁和所述被测阀杆的外圆周壁之间的被测填料组件；所述阀盖和被测填料组件上开设有相互连通的通孔，作为填料密封检测口f；

第一承压壳体，位于所述被测填料组件侧并套置在所述阀盖的外部一端；所述第一承压壳体的内圆周壁和阀盖的外圆周壁之间为密封配合，所述被测阀杆的一端伸出所述第一承压壳体的外部，所述被测阀杆的外圆周壁和所述第一承压壳体之间为密封配合；所述第一承压壳体的内周壁、阀盖的外壁、被测阀杆的外周壁以及被测填料组件的外壁之间围成第一密封空腔，第一承压壳体上开设有与所述第一密封空腔连通的接口c；

第二承压壳体，与所述第一承压壳体呈相对分布并套置在所述阀盖的外部，所述第二承压壳体的内圆周壁和所述阀盖的外圆周壁之间为密封配合，所述第二承压壳体通过双头螺柱和第一承压壳体紧固连接；所述第二承压壳体的内周壁、阀盖的外周壁之间围成第二密封空腔，被测阀杆的另一端位于所述第二密封腔室内，所述第二承压壳体上开设有与所述第二密封腔室连通的接口d；

驱动机构，所述驱动机构的输出端与所述被测阀杆伸出所述第一承压壳体外部的一端连接。

优选地，所述第一承压壳体上开设有供所述被测阀杆的一端穿过的通孔，在所述通孔内设置密封调整套，所述被测阀杆穿过密封调整套伸出所述第一承压壳体的外部，所述密封调整套和所述通孔的内圆周壁之间为密封配合，所述密封调整套和所述被测阀杆的外圆周壁之间为密封配合。

优选地，密封调整套呈t型圆柱体结构，所述密封调整套插置在所述通孔内，在位于所述第一承压壳体内部一侧的所述密封调整套设置有t型凸肩，伸出所述第一承压壳体外部的所述密封调整套通过紧固件锁紧；所述密封调整套上开设有供所述被测阀杆穿过的轴向通孔，在所述密封调整套的内圆周壁和外圆周壁上开设有环形凹槽，所述环形凹槽内放置密封件。

优选地，所述第一承压壳体的纵截面呈凹形结构，所述第一承压壳体的内圆周壁上形成有与所述阀盖配合的第一凹型沉孔，所述第一凹型沉孔的内圆周壁和所述阀盖的外圆周壁之间设置密封件，所述第一承压壳体上开设有与所述双头螺柱的一端配合的螺纹盲孔；所述第二承压壳体的纵截面呈几字形结构，所述第二承压壳体的内圆周壁形成与所述阀盖配合的第二凹型沉孔，所述第二凹型沉孔的内圆周壁和阀盖的外圆周壁之间设置密封件；第二承压壳体上开设供所述双头螺柱的另一端穿过的螺柱通孔，所述双头螺柱的另一端通过所述紧固件锁紧。

优选地，在所述第一承压壳体的外部紧固设置连接支架，所述驱动机构固定在所述连接支架上；所述驱动机构的输出端通过连轴套与所述被测阀杆伸出所述第一承压壳体外部的一端连接。

优选地，所述密封件采用0形密封圈，所述紧固件采用螺母或螺栓。

优选地，所述驱动机构采用液压缸或液压马达。

本发明还提供了一种基于上述深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试装置的测试方法，包括如下步骤：

1)进行上述测试装置与阀盖组件的安装；

2)完成步骤1)后，第一密封腔室、第二密封腔室内的气压均在大气压力下，启动驱动机构，驱动机构的输出端带动被测阀杆作多次往复运动；

3)完成步骤2)后，通过接口d向第二密封腔室通入低压压缩空气，并保压至少5分钟，保压期间观察填料密封检测口f以及测试装置上的各密封配合处是否有漏气，如有漏气，应检查被测填料组件和整个测试装置的密封配合处；或者，更换被测填料组件和/或调整整个测试装置的密封配合处，然后重新测试；如无漏气，则将第二密封腔室内的压力泄放至大气压；

4)完成步骤3)后，通过接口c向第一密封腔室通入低压压缩空气，并保压至少5分钟，保压期间观察填料密封检测口f、以及测试装置上的各密封配合处是否有漏气，如有漏气，应检查被测填料组件和整个测试装置的密封配合处；或者，更换被测填料组件和/或调整整个测试装置的密封配合处，然后重新测试；如无漏气，则将第一密封腔室内的压力泄放至大气压；

5)完成步骤4)后，将测试装置水平放置到未注水的试验水池或水槽内，且应保证填料密封检测口f垂直向上，各试验管路、远程监控连接检查完好后，重复步骤3)和步骤4)，其中，向第一密封腔室和第二密封腔室内加载的试验介质为氮气，且介质压力为阀门公称压力的1.1倍，保压时间延长至1小时，其他操作不变；

6)完成步骤5)后，向试验水池或水槽内注入干净的清水，并完全浸没测试装置，远程监测系统对准填料密封检测口f；向第二密封腔室内通入高压氮气p2，并开始保压，同时通过驱动机构带动被试阀杆做往返开关动作，且动作行程至少为被试阀杆的设计行程的1倍，被试阀杆动作期间应观察填料密封检测口f是否有气泡冒出，记录单位时间内的气泡数，并观察保压压力的变化，确保整个试验结束时的试验压力不低于阀门公称压力；如气泡数小于阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的的最大限制，则继续试验，直到完成要求的动作次数为止，结束第二密封腔室侧的试验；如气泡数超过阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的最大限制，则被试阀杆与被测填料组件之间一侧密封失效，结束第二密封腔室侧试验；

7)在完成步骤6)后，向第一密封腔室内通入高压氮气p1，并开始保压，同时通过驱动机构带动被试阀杆做往返开关动作，且动作行程至少为被试阀杆的设计行程的1倍，被试阀杆动作期间应观察填料密封检测口f是否有气泡冒出，记录单位时间内的气泡数，并观察保压压力的变化，确保整个试验结束时的试验压力不低于阀门设计水深压力；如气泡数小于阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的的最大限制，则继续试验，直到完成要求的动作次数为止，结束第一密封腔室侧的试验；如气泡数超过阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的最大限制，则被试阀杆与被测填料组件之间的另一侧密封失效，结束第一密封腔室侧的试验。

优选地，在上述步骤2)中，确保被测阀杆随驱动机构的输出端往复运动期间无明显卡滞和爬行；在上述步骤3)和步骤4)中的调整密封配合处为更换密封配合处的密封件；在上述步骤6和步骤7)中，在向第一密封腔室和第二密封腔室通入高压氮气时，压力加载应先加载到试验压力的一半，保压3分钟后，再以不高压试验压力的十分之一逐级加压到试验压力；在上述步骤6)中的高压氮气p2为阀门公称压力的1.03～1.05倍；在上述步骤7)中，高压氮气p1为阀门设计水深压力的1.1倍。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：

1、本发明的测试装置包括密封配合于阀盖两侧的第一承压壳体和第二承压壳体，在被测阀杆和被测填料组件的密封配合的两侧形成第一密封腔室和第二密封腔室，驱动机构与阀杆的一端连接；通过向第一密封腔室和第二密封腔室加压，以模拟深海压力和阀门内部介质压力条件下，驱动机构带动阀杆运动，使得阀杆连续动作，从而实现在深海压力、阀门内部介质压力以及连续动作阀杆条件下，对深海阀门阀杆与填料之间的双向密封性能(阀杆、填料的结构、尺寸、加工工艺参数等)进行动态模拟测试和验证；为阀杆、填料在阀门本体上推广使用提供试验依据和保证。

2、本发明的测试装置不依赖阀门本体及阀盖，可独立地对阀杆与填料的双向密封的可靠性进行动态模拟测试，实现阀门产品系列化、规格化、标准化的研发设计，避免在阀门本体试验失败后的整改风险；做到提前验证阀杆与填料之间的双向密封性能和动作寿命测试，提高设计可靠性，降低研发费用，缩短产品研发周期。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中，1、阀盖组件，11、阀盖，12、被测填料组件，13、被测阀杆，14、填料函孔；2、第一承压壳体，21、第一密封腔室，22、通孔，23、第一凹型沉孔，24、螺纹盲孔；3、第二承压壳体，31、第二密封腔室，32、第二凹型沉孔，33、螺柱通孔；4、驱动机构；5、双头螺柱；6、连接支架；7、连轴套；8、密封调整套；9、密封件；10、紧固件。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明提供了一种深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试装置，包括：

阀盖组件1，包括阀盖11，穿设过阀盖11的填料函孔14的内部且两端伸出阀盖11外部的被测阀杆13，以及安装在填料函孔14的内周壁和被测阀杆13的外周壁之间的被测填料组件12；阀盖11和被测填料组件12上开设有相互连通的通孔，作为填料密封检测口f；

第一承压壳体2，位于被测填料组件12侧并套置在阀盖11的外部；第一承压壳体2的内周壁和阀盖11的外周壁之间为密封配合，被测阀杆13的一端伸出第一承压壳体2的外部，被测阀杆13的外周壁和第一承压壳体2之间为密封配合；第一承压壳体2的内周壁、阀盖11的外壁、被测阀杆13的外周壁以及被测填料组件12的外壁之间围成第一密封空腔21，第一承压壳体2上开设有与第一密封空腔21连通的接口c；

第二承压壳体3，与第一承压壳体2呈相对分布并套置在阀盖11的外部，第二承压壳体3的内周壁和阀盖11的外周壁之间为密封配合，第二承压壳体3通过双头螺柱5和第一承压壳体2紧固连接；第二承压壳体3的内周壁、阀盖11的外壁之间围成第二密封空腔31，被测阀杆13的另一端位于第二密封腔室31内，第二承压壳体3上开设有与第二密封腔室31连通的接口d；

驱动机构4，驱动机构4的输出端与被测阀杆13伸出第一承压壳体2外部的一端连接。

进一步地，在第一承压壳体2的外部紧固设置连接支架6，驱动机构4固定在连接支架6上，这样能够方便驱动机构4的安装。

进一步地，驱动机构4的输出端通过连轴套7与被测阀杆13伸出第一承压壳体2外部的一端连接。

进一步地，第一承压壳体2上开设有供被测阀杆13的一端穿过的通孔22，在通孔22内设置密封调整套8，被测阀杆13穿过密封调整套8伸出第一承压壳体2的外部，密封调整套8和通孔22的内周壁之间为密封配合，密封调整套8和被测阀杆13的外周壁之间为密封配合。

进一步地，密封调整套8呈t型圆柱体结构，密封调整套8插置在通孔22内，在位于第一承压壳体2内部一侧的密封调整套8设置有t型凸肩81，伸出第一承压壳体2外部的密封调整套8通过紧固件10锁紧，使得密封调整套8锁紧于第一承压壳体2上，密封调整套8上开设有供被测阀杆13穿过的轴向通孔82，在密封调整套8的内圆周壁和外圆周壁上开设有环形凹槽83，环形凹槽83内放置密封件9(如0型密封圈)。这样既能保证密封调整套8和被测阀杆13、密封调整套8和通孔22之间的密封性，又能够限制密封调整套8的轴向运动。

进一步地，第一承压壳体2的纵截面呈凹字形结构，第一承压壳体2的内圆周壁上形成有与阀盖11配合的第一凹型沉孔23，第一凹型沉孔23的内圆周壁和阀盖11的外圆周壁之间设置密封件9，第一承压壳体2上开设有与双头螺柱5的一端配合的螺纹盲孔24；第二承压壳体3的纵截面呈几字形结构，第二承压壳体3的内圆周壁上形成与阀盖11配合的第二凹型沉孔32，第二凹型沉孔32的内圆周壁和阀盖11的外圆周壁之间设置密封件9；第二承压壳体3上开设供双头螺柱5的另一端穿过的螺柱通孔33，双头螺柱5的另一端通过紧固件10锁紧。

进一步地，密封件9可采用0形密封圈，紧固件10可采用螺母或螺栓。

进一步地，驱动机构4可采用液压缸、液压马达等不同类型的驱动装置，以实现直行程阀门与角行程阀门的转换测试。

基于上述的深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试装置，本发明还提出了一种深海阀门阀杆与填料双向密封可靠性测试方法，包括如下步骤：

1)进行上述的测试装置与阀盖组件1的安装；

2)完成步骤1)后，第一密封腔室21、第二密封腔室31内的气压均在大气压力下，启动驱动机构4，驱动机构4的输出端带动被测阀杆13作多次往复运动；

3)完成步骤2)后，通过接口d向第二密封腔室31通入低压压缩空气，并保压至少5分钟，保压期间观察填料密封检测口f以及测试装置上的各密封配合处是否有漏气，如有漏气，应检查被测填料组件12和整个测试装置的密封配合处；或者，更换被测填料组件12和/或调整整个测试装置的密封配合处，然后重新测试；如无漏气，则将第二密封腔室31内的压力泄放至大气压；

4)完成步骤3)后，通过接口c向第一密封腔室21通入低压压缩空气，并保压至少5分钟，保压期间观察填料密封检测口f、以及测试装置上的各密封配合处是否有漏气，如有漏气，应检查被测填料组件12和整个测试装置的密封配合处；或者，更换被测填料组件12和/或调整整个测试装置的密封配合处，然后重新测试；如无漏气，则将第一密封腔室21内的压力泄放至大气压；

5)完成步骤4)后，将测试装置水平放置到未注水的试验水池或水槽内，且应保证填料密封检测口f垂直向上，各试验管路、远程监控连接检查完好后，重复步骤3)和步骤4)，其中，向第一密封腔室21和第二密封腔室31内加载的试验介质为氮气，且介质压力为阀门公称压力的1.1倍，保压时间延长至1小时，其他操作不变；

6)完成步骤5)后，向试验水池或水槽内注入干净的清水，并完全浸没测试装置，远程监测系统对准填料密封检测口f；向第二密封腔室31内通入高压氮气p2，并开始保压，同时通过驱动机构4带动被试阀杆13做往返开关动作，且动作行程至少为被试阀杆13的设计行程的1倍，被试阀杆13动作期间应观察填料密封检测口f是否有气泡冒出，记录单位时间内的气泡数，并观察保压压力的变化，确保整个试验结束时的试验压力不低于阀门公称压力；如气泡数小于阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的的最大限制，则继续试验，直到完成要求的动作次数为止，结束第二密封腔室31侧的试验；如气泡数超过阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的最大限制，则被试阀杆13与被测填料组件14之间一侧密封失效，结束第二密封腔室31侧试验；

7)在完成步骤6)后，向第一密封腔室21内通入高压氮气p1，并开始保压，同时通过驱动机构4带动被试阀杆13做往返开关动作，且动作行程至少为被试阀杆13的设计行程的1倍，被试阀杆13动作期间应观察填料密封检测口f是否有气泡冒出，记录单位时间内的气泡数，并观察保压压力的变化，确保整个试验结束时的试验压力不低于阀门设计水深压力；如气泡数小于阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的的最大限制，则继续试验，直到完成要求的动作次数为止，结束第一密封腔室21侧的试验；如气泡数超过阀门设计规范中阀杆密封泄漏允许的最大限制，则被试阀杆13与被测填料组件14之间的另一侧密封失效，结束第一密封腔室21侧的试验。

在进一步地，在上述步骤2)中，确保被测阀杆13随驱动机构4的输出端往复运动期间无明显卡滞和爬行；在上述步骤3)和步骤4)中的调整密封配合处为更换密封配合处的密封件9；在上述步骤6和步骤7)中，在向第一密封腔室21和第二密封腔室31通入高压氮气时，压力加载应先加载到试验压力(即为压力p1或p2)的一半，保压3分钟后，再以不高压试验压力的十分之一逐级加压到试验压力；在步骤6)中的高压氮气p2为阀门公称压力的1.03～1.05倍；在上述步骤7)中，高压氮气p1为阀门设计水深压力的1.1倍。

通过上述测试试验，如果被测阀杆13与被测填料组件12在保压状态下完成了规定的动作次数，被试阀杆13和被测填充组件12两侧的泄漏符合设计规范要求，则证明被试阀杆13、被测填料组件12的设计尺寸、表面粗糙度、加工工艺参数以及方法均能保证被测阀杆13与被测填料组件12满足长周期、免维护使用的要求，可以推广应用到阀门本体上进行工程使用；如果没有达到试验目的，则证明设计被测阀杆13、被测填料组件12的尺寸、表面粗糙度、加工工艺以及方法中还存在缺陷，需要改进，并重新验证，达到设计试验目的后方可推广应用到阀门本体使用。

该测试装置可通过更换不同设计尺寸的被测阀杆、被测填料组件、密封调整套、阀盖实现不同尺寸系列化、规格化、标准化的被测阀杆、被测填料组件、阀盖之间的系列测试，提高测试效率，降低测试成本、缩短产品开发研制周期；该测试装置可不依赖阀门本体，独立对双向密封填料组件进行测试外，也可对单向填料密封进行测试。

该测试装置能够应用于水下1500米，额定压力5000psi(34.5mpa)直行程闸阀、角行程球阀的阀杆与被测填料组件结构、设计尺寸、表面粗糙度、加工工艺方法参数和密封性能的独立测试验证。经过试验测试，阀杆实现的最大静水压密封试验压力可以达到额定压力1.5倍，最大静气压密封试验压力可以达到额定压力的1.1倍，且无明显渗漏；在额定压力的高压气体试验压力条件下，阀杆连续动作2000次以上时，填料无明显泄漏，阀杆动作灵活。为阀杆、填料在阀门本体上推广使用提供试验依据和保证。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。