一种柔性石墨密封环密封性能实验装置和测试方法与流程

1.本发明涉及密封性实验领域，具体涉及一种柔性石墨密封环密封性能实验装置和测试方法。


背景技术：

2.针对石化、炼油、煤化工、精细化工等行业使用的阀门，通常情况下工作在高温高压、低温高压等苛刻环境，在这种要求严苛的工作环境下，阀门的密封性难以得到长久稳定的保证；常规(
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25℃
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150℃)环境下，普通的o型橡胶密封圈即能满足使用要求，但针对高温(大于300℃)、超低温(
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196℃)工况，普通的o型橡胶密封圈无法满足使用需求，因此在阀门行业，针对特殊工况密封位置常采用柔性石墨密封环进行密封。
3.通常情况下，柔性石墨密封环由指定厂家提供，同批次的柔性石墨密封环尺寸和密度一致性较好，但不同批次的柔性石墨密封环一致性较差，装配过程中，无法明确柔性石墨密封环达到密封要求时的比压值和压缩量；其中，比压值表示阀座内弹簧提供载荷作用于柔性石墨密封环端面的力；柔性石墨密封环驱使阀座与阀芯贴紧后能实现密封。
4.现在使用的柔性石墨密封环通常由装配工人按照经验进行装配，无法使柔性石墨密封环处于最佳的压缩状态；若弹簧提供载荷过小，则柔性石墨密封环的压缩量较小，柔性石墨密封环的比压值小，无法达到密封效果；若弹簧提供载荷过大，则柔性石墨密封环的压缩量较大，即柔性石墨密封环的形变较大，柔性石墨密封环比压值过大造成回弹率下降，同时，柔性石墨密封环转移到阀座与球芯表面的摩擦力增大，阀门力矩增大，进而影响阀门的整体使用性能。
5.同时由于是由装配工人通过个人工作经验对柔性石墨密封环进行装配，仅仅知道扭矩、粗糙度、密封压力、摩擦力之间的关系，无法使柔性石墨密封环在密封达标时处于最佳压缩量的状态，不能直接指导设计过程中石墨密封件的组合尺寸链问题，这将严重影响柔性石墨密封环的密封性及整机阀门性能；即由于最佳压缩量的未知性，将直接造成阀体装柔性石墨密封环的位置设计不合理，进而影响阀门整体密封性能及开关性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种密封性能实验装置，能对同批次的柔性石墨密封环进行实验，测出该批次柔性石墨密封环密封性能与压缩量以及载荷值的关系，并得出最佳密封状态时，柔性石墨密封环和弹性件的压缩量以及弹性件的载荷值，进而对阀门中柔性石墨密封环装配位置尺寸链的设计和装配作业提供指导性意义。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种柔性石墨密封环密封性能实验装置，包括气源、气体质检仪、弹性件以及依次设置的底座、按压件、压力传感器和施力部，弹性件设置于施力部和底座之间任意相邻两部件之间，按压件和底座之间形成环形腔，气源和环形腔、以及气体质检仪和环形腔连通。
8.本方案的技术效果是：装配完成该实验装置并将待检测的柔性石墨密封环装入环
形腔后，气源、环形腔和气体质检仪之间形成一条通路，通过施力部使压力传感器显示弹性件的初始预紧力，气源流出的气体流经装有柔性石墨密封环的环形腔，则可通过气体质检仪检测出是否有气体通过；若气体质检仪读数为零，则表示在该作用力下，满足密封要求；若气体质检仪读数不为零，则表示在该作用力下，柔性石墨密封环未达到密封效果，需要进一步通过施力部施加压力，直至气体质检仪读数为零，即可从压力传感器中读取力值大小，该力的大小即为柔性石墨密封环密封时的压力参考值，即通过实际测试出的密封压力，为弹性件载荷大小设计提供指导；同时借助深度尺测试出弹性件和柔性石墨密封环的压缩量，能够指导阀体和阀座设计过程中组合尺寸链的选取，使阀体和阀座之间预留的柔性石墨密封环的装配空间更加适合实际使用工况。
9.进一步的，底座包括下圈板和侧圈板，按压件包括下压环和上压环，下压环和侧圈板之间形成环形腔，弹性件设置于下压环和上压环之间。本方案的技术效果是：通过将弹性件设置在下压环和上压环之间，更能模拟弹性件和柔性石墨密封环在阀门内的位置关系，有利于提高压力值的测量。
10.进一步的，环形腔沿其轴向的截面呈楔型。本方案的技术效果是：在阀门环境中，阀杆带动阀芯转动的过程中，阀芯与阀座接触，阀芯会挤压阀座使得阀座有一个微小的位移，该位移通过弹性件和柔性石墨密封环的形变得以补偿，同时阀芯转动的过程中会沿阀座的切线施加一个切向力至阀座上，阀座有偏移的趋势，从而导致弹性件也有偏移的趋势，由于设计弹性件时所考虑的荷载力是正向施加至弹性件上使弹性件压缩的压力值，所以往往设计得到的弹性件的荷载无法使阀门完全密封；本技术通过将环形腔沿其轴向的截面设置呈楔型，上压环、弹性件和下压环移动并通过下压环挤压柔性石墨密封环时，下压环会施加给柔性石墨密封环一个斜向的分力压缩柔性石墨密封环，柔性石墨密封环形变的过程中会克服其与侧圈板之间的摩擦力，从而使得最终所测压力值就要大一些，进而使得弹性件的荷载设计就要大一些，运用到阀门环境后密封效果就会更好。
11.进一步的，施力部包括螺母和螺柱，螺柱的一端穿过压力传感器、上压环和下压环且与下圈板螺纹连接，螺母和螺柱的另一端螺纹连接。本方案的技术效果是：通过调节螺母的预紧力，便于对压力进行调节，非常方便。
12.进一步的，螺母和压力传感器之间设有导向块。本方案的技术效果是：一方面减少螺母直接与压力传感器接触带来的磨损，增加压力传感器的使用寿命，另一方面保证螺母在螺杆上受到外力的过程中不发生偏斜。
13.进一步的，上压环的上表面和导向块的下表面均设有导向止口。本方案的技术效果是：在正压力的作用下，保证导向块和压力传感器不发生偏移。
14.进一步的，还包括进气接头和检漏接头，气源为装有氦气的高压氦气瓶，高压氦气瓶上设有压力控制开关，气体质检仪为氦气质检仪；高压氦气瓶和侧圈板通过进气接头连接，进气接头上设有放气阀，氦气质检仪和侧圈板通过检漏接头连接。本方案的技术效果是：氦气的穿透性能较强，能提高实验的准确性；放气阀能够在实验过程中对装置内部的强压进行快速释放，缩短实验周期，同时能减少操作过程由于进气接头安装不稳而带来的安全隐患。
15.进一步的，下圈板和侧圈板之间、下压环和下圈板之间、下压环和上压环之间、以及上压环和侧圈板之间均设有氟橡胶密封圈。本方案的技术效果是：有利于提高密封性，确
保气源、环形腔和气体质检仪之间仅形成一条通路。
16.进一步的，还包括智能数显仪表，压力传感器与智能数显仪表依靠串口通信。本方案的技术效果是：相较于通过压力传感器读取压力值而言，智能数显仪表可直接读取柔性石墨密封环受压力的值，减小因为读数而产生的人为操作误差。
17.本发明的另一目的在于提供一种柔性石墨密封环密封性能测试方法，包括如下步骤：
18.步骤一：准备权利要求9所述的一种柔性石墨密封环密封性能实验装置并将截面呈楔型的柔性石墨密封环装入呈楔型的环形腔后，打开智能数显仪表，记录柔性石墨密封环处于原始状态下且弹性件未经压缩时压力传感器、或导向块、或螺母与下圈板或侧圈板的值x1，并将智能数显仪的读数置零；
19.步骤二：旋紧螺母，智能数显仪表上显示弹性件工作压力的最小值，记录该状态下的压力值，同时记录压缩后压力传感器、或导向块、或螺母与下圈板或侧圈板的值x2以及记录压缩量x1
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x2；
20.打开高压氦气瓶的压力控制开关，使打压压力保持在0.5mpa，保压3min，若氦气质检仪读数为0，则说明在0.5mpa的压差情况下，该压力状态下的压缩量与压力即为柔性石墨密封环密封状态下柔性石墨密封环和弹性件的最佳压缩量与压力值；若无法保压，且氦气质检仪读数不为0，通过旋紧压紧螺母，使智能数显仪表的扭矩值增加，直至氦气质检仪读数为0，得到该压力状态下的压缩量与压力即为柔性石墨密封环密封状态下柔性石墨密封环和弹性件的最佳压缩量与压力值；
21.步骤三：重复步骤一和步骤二，测得压差为0.5mpa
‑
25mpa区间范围的任意压差情况下，柔性石墨密封环在密封状态下的压力值以及柔性石墨密封环和弹性件的压缩量。
22.本方案的技术效果是：通过对0.5mpa
‑
25mpa压差下压力值和压缩量的测量，得到的最佳密封压力可指导装配，避免由于装配不当造成的泄漏情况，减少不必要的返工，降低装配成本，保证工期；得到的最佳压缩量可指导设计人员在设计阀体和阀座时，为阀体和阀座之间预留柔性石墨密封环装配空间提供指导。
23.通过将截面呈楔型的柔性石墨密封环装入呈楔型的环形腔后，上压环、弹性件和下压环移动并通过下压环挤压柔性石墨密封环时，下压环会施加给柔性石墨密封环一个斜向的分力压缩柔性石墨密封环，柔性石墨密封环形变的过程中会克服其与侧圈板之间的摩擦力，从而使得最终所测压力值就要大一些，进而使得弹性件的荷载设计就要大一些，运用到阀门环境后密封效果就会更好。
附图说明
24.图1为本发明实施例的示意图。
具体实施方式
25.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
26.说明书附图中的附图标记包括：下圈板1、侧圈板2、下压环3、上压环4、压力传感器5、导向块6、螺母7、螺柱8、检漏接头9、进气接头10、环形腔11、放气阀12、氦气质检仪13、智能数显仪表14、碟簧15、柔性石墨密封环16、高压氦气瓶17、压力控制开关18、导向止口19。
27.实施例一：
28.实施例一基本如附图1所示：如图1所示的一种柔性石墨密封环密封性能实验装置，包括气源、气体质检仪、弹性件以及从下至上依次设置的底座、按压件、压力传感器5和施力部，底座包括下圈板1和侧圈板2，下圈板1的下表面开有沉头孔，下圈板1和侧圈板2采用内六角螺钉锁紧。按压件包括下压环3和上压环4，下压环3和侧圈板2之间形成环形腔11，环形腔11沿其轴向的截面呈楔型，下压环3和上压环4之间形成环形空隙，弹性件设置在环形空隙处，弹性件为柱簧或碟簧15，本实施例中选用碟簧15。
29.侧圈板2的圆柱面上部开有焊接坡口，焊接有npt1/8的进气接头10，气源为装有氦气的高压氦气瓶17，高压氦气瓶17和侧圈板2通过进气接头10连接，高压氦气瓶17上设置有压力控制开关18，进气接头10上设置有放气阀12。侧圈板2的圆柱面下部也开有焊接坡口，焊接npt1/8的检漏接头9，气体质检仪为氦气质检仪13，氦气质检仪13和侧圈板2通过检漏接头9连接。
30.下圈板1的上表面开有矩形槽，在矩形槽内装有呈o型的氟橡胶密封圈，二者之间依靠氟橡胶密封圈密封实现轴向密封；下压环3的内孔柱面上、下部也开业矩形槽，矩形槽中也装入呈o型的氟橡胶密封圈，下压环3和下圈板1依靠挤压实现径向密封，下压环3和上压环4也依靠挤压实现径向密封；上压环4的外圆柱面也开有矩形槽，该矩形槽中也装入呈o型的氟橡胶密封圈，上压环4和侧圈板2依靠挤压实现径向密封。高压氦气瓶17、环形空隙、环形腔11、以及气体质检仪之间仅有一条通路连通。
31.施力部包括螺母7和螺柱8，螺柱8的下端穿过压力传感器5、上压环4和下压环3后与下圈板1螺纹连接，螺母7和螺柱8的上端螺纹连接。为避免螺母7磨损压力传感器5，在螺母7和压力传感器5之间设置有导向块6，导向块6的下表面和上压环4的上表面均开有导向止口19。另外，为解决直接从压力传感器5上读数不方便的问题，可以在压力传感器5上依靠串口通信连接一个智能数显仪表14。
32.具体实施过程如下：
33.装配完成该实验装置并将待检测的截面呈矩形的柔性石墨密封环16装入环形腔11后，高压氦气瓶17、环形腔11和氦气质检仪13之间形成一条通路，通过旋紧螺母7至智能数显仪表14显示碟簧15的初始预紧力，将高压氦气通入进气接口，氦气流经待检柔性石墨密封环16，则可通过在检漏接头9连接的氦气质检仪13上检测出是否有微量氦气通过。
34.若氦气质检仪13读数为零，则表示在该作用力下，满足密封要求；若氦气质检仪13读数不为零，则表示在该作用力下，柔性石墨密封环16未达到密封效果，需要进一步拧紧螺母7，直至氦气质谱仪读数为零，即可从智能数显仪中读取力值大小，该力的大小即为柔性石墨密封环16密封时的压力参考值，即通过实际测试出的密封压力，为碟簧15载荷大小设计提供指导。
35.同时借助深度尺测试出碟簧15和柔性石墨密封环16受力后的压缩量，能够指导阀体和阀座设计过程中组合尺寸链的选取，使阀体和阀座之间预留的柔性石墨密封环16的装配空间更加适合实际使用工况。
36.实施例二：
37.一种柔性石墨密封环16密封性能测试方法，包括如下步骤：
38.步骤一：准备实施例一所述的一种柔性石墨密封环16密封性能实验装置，并将沿
轴向截面呈楔型的柔性石墨密封环16装入呈楔型的环形腔11后，打开智能数显仪表14，记录柔性石墨密封环16处于原始状态下且碟簧15未经压缩时压力传感器5、或导向块6、或螺母7与下圈板1或侧圈板2的值x1，并将智能数显仪的读数置零，本实施例中的x1表示侧圈板2台阶面和压力传感器5上表面的距离。
39.步骤二：旋紧螺母7，智能数显仪表14上显示碟簧15工作压力的最小值，记录该状态下的压力值，同时记录压缩后侧圈板2台阶面和压力传感器5上表面的距离x2以及记录压缩量x1
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x2；
40.打开高压氦气瓶17的压力控制开关18，使打压压力保持在0.5mpa，保压3分钟，若氦气质检仪13读数为0，则说明在0.5mpa的压差情况下，该压力状态下的压缩量与压力即为柔性石墨密封环16密封状态下柔性石墨密封环16和碟簧15的最佳压缩量与压力值；若无法保压，且氦气质检仪13读数不为0，则说明正压力无法使柔性石墨密封环16达到密封状态下的压缩量；通过旋紧压紧螺母7，使智能数显仪表14的值每次以50n的力增加扭矩，直至氦气质检仪13读数为0，同样可以得到该压力状态下的压缩量与压力即为柔性石墨密封环16密封状态下柔性石墨密封环16和碟簧15的最佳压缩量与压力值。
41.步骤三：重复步骤一和步骤二，测得压差为0.5mpa
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25mpa区间范围的任意压差情况下，柔性石墨密封环16密封状态下柔性石墨密封环16和碟簧15的最佳压力和压缩量。
42.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。