一種新型高壓信號引出裝置的可靠性設(shè)計(jì)

0 引 言

壓力釜可廣泛應(yīng)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(wěn)定的壓力釜受到市場的高度關(guān)注，這就對壓力釜每個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(nèi)部壓力采集并傳輸至釜體外，以便及時檢測和控制壓力釜的內(nèi)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壓力釜的質(zhì)量可靠性?，F(xiàn)有的高壓信號引出裝置在設(shè)計(jì)方面存在問題，使得其可靠性和成品率不高。從產(chǎn)品可靠性和經(jīng)濟(jì)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(xiàn)狀

1.1 高壓信號引出裝置的工作環(huán)境

根據(jù)壓力釜的設(shè)計(jì)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(nèi)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(qiáng)工況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)連接和密封。

1.2 高壓信號引出裝置的結(jié)構(gòu)

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

1.3 存在的問題

原來的高壓信號引出裝置往往存在如下問題：

(1) 容易發(fā)生絕緣電線頭脫落和軋斷電線的現(xiàn)象。高壓信號引出裝置中有多個焊線柱，分別通過絕緣線與變壓器、絕緣骨架等相連。高壓信號引出裝置與壓力釜通過螺紋的相對轉(zhuǎn)動進(jìn)行連接，使得焊接在焊線柱上的絕緣線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，容易導(dǎo)致焊線頭扭斷脫落;絕緣線在連接前留有一定的富余量，在連接過程中，絕緣線容易被螺紋軋斷。

(2) 氬弧焊焊接部分密封可靠性不高。從生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，氬弧焊密封焊接的成品率只有50%.

(3) 接線柱容易損壞，造成高壓信號引出裝置泄漏。接線柱是由薄壁陶瓷管與鉛絲通過高頻封接而成的，它與芯柱采用銀焊焊接實(shí)現(xiàn)密封。在儀器生產(chǎn)調(diào)試過程中，由于搬運(yùn)、振動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(dǎo)致整個高壓信號引出裝置報廢。

(4) 導(dǎo)管的密封性差。在高壓信號引出裝置調(diào)試過程中，導(dǎo)管反復(fù)受到高溫、高壓介質(zhì)的沖擊，造成密封圈變形，導(dǎo)致導(dǎo)管泄漏，使高壓信號引出裝置報廢。從生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，導(dǎo)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(yán)重影響了高壓信號引出裝置的成品率。生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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、成本高;另一方面單個芯柱損壞后的不可修復(fù)性造成整個高壓信號引出裝置的整體報廢，加大了生產(chǎn)成本，延長了加工周期。

2 新型高壓信號引出裝置的設(shè)計(jì)

對現(xiàn)有高壓信號引出裝置存在的問題進(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(shè)計(jì)中采用互換性較高的密封塞和導(dǎo)管。其主要設(shè)計(jì)思想：一是采用標(biāo)準(zhǔn)密封塞替代銀焊焊接的陶瓷接線柱;二是采用可分離式芯柱結(jié)構(gòu)解決芯柱和連接頭的相對轉(zhuǎn)動問題;三是采用新型可靠的導(dǎo)管和壓套;同時也優(yōu)化設(shè)計(jì)了套管結(jié)構(gòu)。

通過以上方法，提高了密封接頭體的無故障性、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(yàn)

密封塞的可靠性對高壓信號引出裝置，乃至整個壓力釜都具有重要作用。為了獲得高可靠性的密封塞，通過分析、比較現(xiàn)有市場上的密封塞產(chǎn)品，選取了一種技術(shù)資料數(shù)據(jù)適合壓力釜工況的密封塞，對該密封塞開展可靠性實(shí)驗(yàn)( 見表1~表3)。表1~ 表3 是隨機(jī)抽取的30 個密封塞樣品，以5 個密封塞為l 組，進(jìn)行了6 個批次的可靠性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分4 個步驟：

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

(2)在裝有密封塞的密閉容器中充入210 MPa 的高溫導(dǎo)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)觀察密封塞經(jīng)過高溫高壓后的外觀表象;

(4)對經(jīng)過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(yàn)。

表1 到表3 所列是其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以高溫導(dǎo)熱油為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在200 ℃、210MPa、保溫保壓1 h 后密封塞無泄漏;在常溫常壓、200℃常壓、高溫高壓實(shí)驗(yàn)后，密封塞的絕緣膠外觀完好，電絕緣性能良好，合格率為100%.由此可以得出結(jié)論：密封塞能夠較好滿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(shè)計(jì)

本文所研制的新型高壓信號引出裝置的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

它由套管、O 型密封圈、密封引線插頭、插座、密封塞、壓套、導(dǎo)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(qiáng)度核算;套管底部容易形成應(yīng)力集中，故在底部采用適當(dāng)?shù)膬?nèi)斜角結(jié)構(gòu)，以減少應(yīng)力集中。

本設(shè)計(jì)采用分離式芯柱結(jié)構(gòu)，以避免芯柱與套管在密封連接過程中的相對靜止，同時也解決了高壓信號引出裝置和壓力釜在裝配和拆卸過程中的相對轉(zhuǎn)動問題，并可避免高壓信號引出裝置密封塞上的引線被扭斷脫落。O 型圈密封方式也避免了原來的氬弧焊工藝，提高了整個裝置的可靠性，降低了工藝復(fù)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(yàn)驗(yàn)證

3.1 高壓密封性實(shí)驗(yàn)

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(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：釜內(nèi)壓力變化為零，密封性良好;新型高壓信號引出裝置外觀沒有變形和裂紋等現(xiàn)象。3.2 電絕緣性能實(shí)驗(yàn)開展密封塞的電絕緣性能實(shí)驗(yàn)。在200 ℃高溫條件下，以100 個密封塞為樣件，進(jìn)行200 V 的電絕緣檢測篩選，合格99 件，合格率達(dá)到95%以上，符合壓力釜元器件選用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

新型高壓信號引出裝置解決了密封性差的問題，改善了連接過程中絕緣導(dǎo)線容易損壞的狀況，提高了產(chǎn)品的可靠性和成品率。而新材料、新產(chǎn)品的運(yùn)用，則簡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。