一種新型高壓信號引出裝置的可靠性設計

0 引 言

壓力釜可廣泛應用于石油化工、能源工業(yè)、科研和軍工等領(lǐng)域，而且可靠安全、性能穩定的壓力釜受到市場(chǎng)的高度關(guān)注，這就對壓力釜每個(gè)部件的可靠性提出了很高的要求。高壓信號引出裝置是壓力釜中較為關(guān)鍵的部件，其作用是將釜體內部壓力采集并傳輸至釜體外，以便及時(shí)檢測和控制壓力釜的內部壓力。因此，高壓信號引出裝置的質(zhì)量可靠性直接決定著(zhù)壓力釜的質(zhì)量可靠性?，F有的高壓信號引出裝置在設計方面存在問(wèn)題，使得其可靠性和成品率不高。從產(chǎn)品可靠性和經(jīng)濟效益等方面考慮，研發(fā)新型可靠的高壓信號引出裝置顯得尤為重要。

1 高壓信號引出裝置現狀

1.1 高壓信號引出裝置的工作環(huán)境

根據壓力釜的設計要求，高壓信號引出裝置直徑尺寸為φ40 ~ φ80,外部工作環(huán)境壓力為210 MPa,溫度為200℃，高壓信號引出裝置內部元器件在220 V 電壓下工作。高壓信號引出裝置在高溫度、高壓強工況環(huán)境下實(shí)現連接和密封。

1.2 高壓信號引出裝置的結構

高壓信號引出裝置的結構示意圖如圖1 所示。它由接頭體、O 型密封圈、芯柱、接線(xiàn)柱、導管等組成。其中，連接頭與芯柱采用氬弧焊焊接，接線(xiàn)柱與芯柱采用銀焊封接。高壓信號引出裝置左端通過(guò)螺紋和O 型密封圈與壓力釜進(jìn)行密封連接。

1.3 存在的問(wèn)題

原來(lái)的高壓信號引出裝置往往存在如下問(wèn)題：

(1) 容易發(fā)生絕緣電線(xiàn)頭脫落和軋斷電線(xiàn)的現象。高壓信號引出裝置中有多個(gè)焊線(xiàn)柱，分別通過(guò)絕緣線(xiàn)與變壓器、絕緣骨架等相連。高壓信號引出裝置與壓力釜通過(guò)螺紋的相對轉動(dòng)進(jìn)行連接，使得焊接在焊線(xiàn)柱上的絕緣線(xiàn)發(fā)生扭轉，容易導致焊線(xiàn)頭扭斷脫落;絕緣線(xiàn)在連接前留有一定的富余量，在連接過(guò)程中，絕緣線(xiàn)容易被螺紋軋斷。

(2) 氬弧焊焊接部分密封可靠性不高。從生產(chǎn)的統計數據來(lái)看，氬弧焊密封焊接的成品率只有50%.

(3) 接線(xiàn)柱容易損壞，造成高壓信號引出裝置泄漏。接線(xiàn)柱是由薄壁陶瓷管與鉛絲通過(guò)高頻封接而成的，它與芯柱采用銀焊焊接實(shí)現密封。在儀器生產(chǎn)調試過(guò)程中，由于搬運、振動(dòng)或人為因素容易造成陶瓷管破損或銀焊處的損壞，造成漏氣，導致整個(gè)高壓信號引出裝置報廢。

(4) 導管的密封性差。在高壓信號引出裝置調試過(guò)程中，導管反復受到高溫、高壓介質(zhì)的沖擊，造成密封圈變形，導致導管泄漏，使高壓信號引出裝置報廢。從生產(chǎn)的統計數據來(lái)看，導管的成品率約有40%.

(5) 高壓信號引出裝置成品率較低。由于高壓信號引出裝置的密封性差，部件可靠性低，嚴重影響了高壓信號引出裝置的成品率。生產(chǎn)統計數據顯示，成品率只有20%~ 30%.

(6) 單件高壓信號引出裝置的成本較高。一方面芯柱的焊接屬于銀焊外協(xié)加工件，加工周期長(cháng)、成本高;另一方面單個(gè)芯柱損壞后的不可修復性造成整個(gè)高壓信號引出裝置的整體報廢，加大了生產(chǎn)成本，延長(cháng)了加工周期。

2 新型高壓信號引出裝置的設計

對現有高壓信號引出裝置存在的問(wèn)題進(jìn)行分析可以得出，其可靠性低的主要原因是高壓信號引出裝置的密封性較差和零部件互換性差。為此，在高壓信號引出裝置的設計中采用互換性較高的密封塞和導管。其主要設計思想：一是采用標準密封塞替代銀焊焊接的陶瓷接線(xiàn)柱;二是采用可分離式芯柱結構解決芯柱和連接頭的相對轉動(dòng)問(wèn)題;三是采用新型可靠的導管和壓套;同時(shí)也優(yōu)化設計了套管結構。

通過(guò)以上方法，提高了密封接頭體的無(wú)故障性、耐久性和可維修性，從而確保高壓信號引出裝置的可靠性。

2.1 密封塞的可靠性實(shí)驗

密封塞的可靠性對高壓信號引出裝置，乃至整個(gè)壓力釜都具有重要作用。為了獲得高可靠性的密封塞，通過(guò)分析、比較現有市場(chǎng)上的密封塞產(chǎn)品，選取了一種技術(shù)資料數據適合壓力釜工況的密封塞，對該密封塞開(kāi)展可靠性實(shí)驗( 見(jiàn)表1~表3)。表1~ 表3 是隨機抽取的30 個(gè)密封塞樣品，以5 個(gè)密封塞為l 組，進(jìn)行了6 個(gè)批次的可靠性實(shí)驗。實(shí)驗分4 個(gè)步驟：

(1)在常溫常壓和200℃常壓條件下進(jìn)行電絕緣性能實(shí)驗;

(2)在裝有密封塞的密閉容器中充入210 MPa 的高溫導熱油，在常溫和200 ℃保溫1 h 后分別用不同的檢測試劑進(jìn)行密封性檢測;

(3)觀(guān)察密封塞經(jīng)過(guò)高溫高壓后的外觀(guān)表象;

(4)對經(jīng)過(guò)高溫高壓后的密封塞再進(jìn)行常溫常壓電絕緣性能實(shí)驗。

表1 到表3 所列是其實(shí)驗結果。

實(shí)驗結果表明：以高溫導熱油為實(shí)驗介質(zhì)，在200 ℃、210MPa、保溫保壓1 h 后密封塞無(wú)泄漏;在常溫常壓、200℃常壓、高溫高壓實(shí)驗后，密封塞的絕緣膠外觀(guān)完好，電絕緣性能良好，合格率為100%.由此可以得出結論：密封塞能夠較好滿(mǎn)足高壓信號引出裝置工況。

2.2 新型高溫信號引出裝置的可靠性設計

本文所研制的新型高壓信號引出裝置的結構如圖2 所示。

它由套管、O 型密封圈、密封引線(xiàn)插頭、插座、密封塞、壓套、導管和密封墊等組成。

圖2 中，套管是新型高壓信號引出裝置的主要零件，需要對其進(jìn)行強度核算;套管底部容易形成應力集中，故在底部采用適當的內斜角結構，以減少應力集中。

本設計采用分離式芯柱結構，以避免芯柱與套管在密封連接過(guò)程中的相對靜止，同時(shí)也解決了高壓信號引出裝置和壓力釜在裝配和拆卸過(guò)程中的相對轉動(dòng)問(wèn)題，并可避免高壓信號引出裝置密封塞上的引線(xiàn)被扭斷脫落。O 型圈密封方式也避免了原來(lái)的氬弧焊工藝，提高了整個(gè)裝置的可靠性，降低了工藝復雜性。

紫銅密封墊的使用保證了套管與壓力釜間密封的可靠性。

3 實(shí)驗驗證

3.1 高壓密封性實(shí)驗

將高壓信號引出裝置與壓力釜連接后，加熱至200 ℃并增壓至210 MPa,進(jìn)行高溫高壓實(shí)驗。實(shí)驗結果顯示：釜內壓力變化為零，密封性良好;新型高壓信號引出裝置外觀(guān)沒(méi)有變形和裂紋等現象。3.2 電絕緣性能實(shí)驗開(kāi)展密封塞的電絕緣性能實(shí)驗。在200 ℃高溫條件下，以100 個(gè)密封塞為樣件，進(jìn)行200 V 的電絕緣檢測篩選，合格99 件，合格率達到95%以上，符合壓力釜元器件選用標準。

4 結 語(yǔ)

新型高壓信號引出裝置解決了密封性差的問(wèn)題，改善了連接過(guò)程中絕緣導線(xiàn)容易損壞的狀況，提高了產(chǎn)品的可靠性和成品率。而新材料、新產(chǎn)品的運用，則簡(jiǎn)化了部件的加工工藝，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。