400MPA超高压疲劳试验装置及试验方法.pdf

400MPa超高压疲劳试验装置及试验方法，所述试验装置是由液压单元、超高压单元、超高压卸压单元和控制单元构成。本发明通过液压单元向超高压单元中增压器的低压端供应压力油，而供水管路提供的低压水经增压器增压，产生的超高压水通过超高压接头输送到超高压试验段内。超高压水通过可控卸压阀和阻尼器进行卸压，在超高压疲劳试验装置的超高压卸压管路上形成微小的卸压通道，有效控制卸压速率，在以梯形波压力循环为基础对试件进行内压疲劳试验时，在大梯形波试验压力上限保压段再叠加数个小梯形波，能够完全模拟超高压聚乙烯管式反

1、  400MPa超高压疲劳试验装置，由液压单元、超高压单元、超高压卸压单元和控制单元构成，其特征是：
所述液压单元中，设置液压油箱(1)，以高压油泵电机组(3)为动力源，在主供油管道I中依序串联设置高压过滤器(4)、供油单向阀(10)和三位四通换向阀(11)，以所述三位四通换向阀(11)的两路输出构成两路交替工作的输油管路II和输油管路III，在所述输油管路II和输油管路III中分别设置管路II调速阀(13a)和管路III调速阀(13b)；卸压回路由管路II调速阀(13a)、管路III调速阀(13b)、三位四通阀(11)、二位三通阀(12)、主回路溢流阀(8)和卸压回路溢流阀(9)、压力表(14)、风冷器(26)以及卸压管路IV构成；
所述超高压单元：以离心水泵(23)提供水源，在供水管路V中依序串联设置过滤器(22)、电接点压力表(21)和增压器(15)；在超高压出水管路VI中依序串联设置超高压压力表(16)、安全阀(17)和超高压接头(28)；
所述超高压卸压单元：是在超高压卸压管路VII中设置可控卸压阀(19)、二位五通电磁阀(20)和阻尼器(31)；
所述控制单元：是以设置在超高压出水管路VI上的超高压压力传感器(18)、位于液压油箱(1)中的油温热电偶(27)为检测信号，由计算机(30)进行检测信号数据处理，以控制柜(29)发出控制信号。

2、  根据权利要求1所述的400MPa超高压疲劳试验装置，其特征是所述阻尼器(31)的结构设置为，在阻尼座(b)内腔中以各阻尼件(d)沿轴向串联设置构成阻尼棒，所述阻尼棒的前端在阻尼座(b)的内腔中以台阶孔抵挡，阻尼棒的另一端是以挡紧套(c)为隔套，由端盖(a)沿轴向抵靠，卸压孔在端盖(a)、挡紧套(c)、各阻尼件(d)以及阻尼座(b)上贯通；所述阻尼件(d)的外周与阻尼座(b)之间是以沿轴向并列设置的挡圈(e)和密封圈(f)为密封件。

3、  根据权利要求1所述的400MPa超高压疲劳试验装置，其特征是设置阻尼件(d)为同轴内外套管结构，其中外套管为金属套管(d1)，内套管为刚玉管(d2)；

4、  一种权利要求1所述400MPa超高压疲劳试验装置的试验方法，其特征是以大梯形波压力循环对试件进行内压疲劳试验，所述大梯形波压力循环为依序执行升压、保压，再降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数。

5、  根据权利要求4所述的试验方法，其特征是在大梯形波的试验压力上限P1保压段叠加多个小梯形波，大梯形波压力下限设定为0，由所述小梯形波的下限压力P2大于0，设定大梯形波压力循环频率小于10次/分。

400MPa超高压疲劳试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及超高压液压疲劳试验装置，更具体说是压力容器和压力管道最高试验压力达400MPa的超高压疲劳试验成套装置。
背景技术
超高压容器和管道广泛应用于石油化工、液压成型、采矿、新材料加工处理、军工及其它特殊场合，而这些超高压容器或管道在使用过程中往往存在压力疲劳现象，因此，对超高压容器或管道的疲劳强度研究具有重大意义。
在ZL 2007 2 0041242.0的实用新型专利中，本申请人公开了一种350MPa超高压疲劳试验系统，解决了350MPa压力级的超高压容器疲劳试验研究难题，可进行结构件或模拟结构件的疲劳试验，能够可靠地确定其疲劳极限，准确地研究其疲劳破坏规律，可以广泛应用于超高压聚乙烯生产装置中各类重要设备。但是，由于疲劳试验压力极高，系统的复杂性和控制技术等方面的困难，该系统无法完全模拟超高压聚乙烯管式反应器在实际操作中的压力循环过程。实际操作中，当循环操作压力达到上限时，由于工艺等原因导致上限出现压力波动的工况，迄今为止，还没有相关的试验装置能够为这种工况对于疲劳极限的影响以及疲劳破坏规律进行试验研究。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种400MPa超高压疲劳试验装置，用于模拟超高压容器压力循环波动的实际工况，为解决超高压容器或管道的疲劳强度研究提供试验手段的保证。
本发明解决技术问题采用如下技术方案。
本发明400MPa超高压疲劳试验装置，由液压单元、超高压单元、超高压卸压单元和控制单元构成，其结构特点是：
所述液压单元中，设置液压油箱，以高压油泵电机组为动力源，在主供油管道I中依序串联设置高压过滤器、供油单向阀和三位四通换向阀，以所述三位四通换向阀的两路输出构成两路交替工作的输油管路II和输油管路III，在所述输油管路II和输油管路III中分别设置管路II调速阀和管路III调速阀；卸压回路由管路II调速阀、管路III调速阀、三位四通阀、二位三通阀、主回路溢流阀和卸压回路溢流阀、压力表、风冷器以及卸压管路IV构成；
所述超高压单元：以离心水泵提供水源，在供水管路V中依序串联设置过滤器、电接点压力表和增压器；在超高压出水管路VI中依序串联设置超高压压力表、安全阀和超高压接头；
所述超高压卸压单元：是在超高压卸压管路VII中设置可控卸压阀、二位五通电磁阀和阻尼器；
所述控制单元：是以设置在超高压出水管路VI上的超高压压力传感器、位于液压油箱中的油温热电偶为检测信号，由计算机进行检测信号数据处理，以控制柜发出控制信号。
本发明400MPa超高压疲劳试验装置的结构特点也在于：
所述阻尼器的结构设置为，在阻尼座内腔中以各阻尼件沿轴向串联设置构成阻尼棒，所述阻尼棒的前端在阻尼座的内腔中以台阶孔抵挡，阻尼棒的另一端是以挡紧套为隔套，由端盖沿轴向抵靠，卸压孔在端盖、挡紧套、各阻尼件以及阻尼座上贯通；所述阻尼件的外周与阻尼座之间是以沿轴向并列设置的挡圈和密封圈为密封件。
设置阻尼件为同轴内外套管结构，其中外套管为金属套管，内套管为刚玉管；
本发明400MPa超高压疲劳试验装置的试验方法的特点是以大梯形波压力循环对试件进行内压疲劳试验，所述大梯形波压力循环为依序执行升压、保压，再降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数。
本发明试验方法的特点也在于在大梯形波的试验压力上限P1保压段叠加多个小梯形波，大梯形波压力下限设定为0，由所述小梯形波的下限压力P2大于0，设定大梯形波压力循环频率小于10次/分。
本发明系统的工艺原理是通过液压单元向超高压单元中增压器的低压端供应压力油，而供水管路提供的低压水经增压器增压，产生的超高压水通过超高压接头输送到超高压试验段内。本发明中设置超高压卸压单元，超高压水通过可控卸压阀和阻尼器进行卸压，在超高压疲劳试验装置的超高压卸压管路上形成微小的卸压通道，以此可以有效地控制卸压速率，在以梯形波压力循环为基础对试件进行内压疲劳试验时，在大梯形波试验压力上限保压段再叠加数个小梯形波，能够完全模拟超高压聚乙烯管式反应器等超高压设备实际操作时受到的压力循环，检验其疲劳寿命与极限是否能够满足使用要求。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明通过设置成套液压单元、超高压单元、超高压卸压单元及控制单元，可达到400MPa压力级的超高压力；
2、本发明功能完善，单机可实现试验压力、疲劳频率等试验参数调节与控制单元操作；其结构紧凑，新颖独特，技术先进和性能稳定；
3、本发明结构简单、可靠，可以有效地控制卸压速率，实现在循环压力上限时出现的压力波动工况，能够完全模拟超高压聚乙烯管式反应器等超高压设备实际操作工况，为超高压容器或管道的疲劳强度研究提供保证；
4、本发明采用阻尼器作为超高压卸压元件，卸流速率低，有效减小了超高压卸压液流冲击，有助于整台装置延长使用寿命，提高工作可靠性。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明阻尼器结构示意图。
图3为本发明单个阻尼件结构示意图。
图4为本发明超高压疲劳试验压力循环示意图。
图中标号：1液压油箱、2空气滤清器、3高压油泵电机组、4高压过滤器、5压差发讯器、6压力表、7电接点压力表、8主回路溢流阀、9卸压回路溢流阀、10供油单向阀、11三位四通阀、12二位三通阀、13a管路II调速阀、13b管路III调速阀、13调速阀、14压力表、15增压器、16超高压压力表、17安全阀、18超高压压力传感器、19可控卸压阀、20二位五通电磁阀、21电接点压力表、22过滤器、23离心水泵、24空气滤清器、25水箱、26风冷器、27热电偶、28超高压接头、29控制柜、30计算机、31阻尼器。
I主供油管路、II输油管路、III输油管路、IV卸压管路、V供水管路、VI超高压出水管路、VII超高压卸压管路。
a压盖、b阻尼座、c挡紧套、d1金属套管、d2刚玉阻尼管、e挡圈、f密封圈。
以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步描述：
具体实施方式
参见图1，本实施例由液压单元、超高压单元、超高压卸压单元和控制单元构成。
图1所示，液压单元中设置液压油箱1，以高压油泵电机组3为动力源，在主供油管路I中依序串联设置高压过滤器4、供油单向阀10和三位四通换向阀11，以三位四通换向阀11的两路输出构成两路交替工作的输油管路II和输油管路III，在输油管路II和输油管路III中分别设置管路II调速阀13a和管路III调速阀13b；卸压回路由管路II调速阀13a、管路III调速阀13b、三位四通阀11、二位三通阀12、溢流阀8和9、压力表14、风冷器26以及卸压管路IV构成；
超高压单元是由离心水泵23通过水箱25提供水源，在供水管路V中依序串联设置过滤器22、电接点压力表21和增压器15；在超高压出水管路VI中依序串联设置超高压压力表16、安全阀17、超高压压力传感器18和超高压接头28；
超高压卸压单元是在超高压卸压管路VII中设置可控卸压阀19、二位五通电磁阀20和阻尼器31；
控制单元是以设置在超高压出水管路VI上的超高压压力传感器18、位于液压油箱1中的油温热电偶27为检测信号，由计算机30进行检测信号数据处理，以控制柜29发出控制信号。
图2、图3所示，阻尼器31的结构设置为，在阻尼座b内腔中以各阻尼件d沿轴向串联设置构成阻尼棒，阻尼棒的前端在阻尼座b的内腔中以台阶孔抵挡，阻尼棒的另一端是以挡紧套c为隔套，由端盖a沿轴向抵靠，卸压孔在端盖a、挡紧套c、各阻尼件d以及阻尼座b中贯通；阻尼件d的外周与阻尼座b之间是以沿轴向并列设置的挡圈(e)和密封圈(f)为密封件，设置阻尼件(d)为同轴内外套管结构，其中外套管为金属套管(d1)起耐压作用，内套管为刚玉管(d2)，这一结构设置可耐卸压时超高压水泄放时的高速冲击及磨损。
本实施例是由液压系统向超高压系统输送液压油，最高压力达20MPa，将经超高压系统增压后的超高压水，最高为400Mpa，输送到超高压试样内，然后再通过卸压系统对试样内压力进行调节控制，可以完全模拟超高压压力容器工作时受到的压力循环，检验其疲劳寿命与极限是否能够满足使用要求。
本实施例中的超高压疲劳试验装置能够实现以大梯形波压力循环对试件进行内压疲劳试验，所述大梯形波压力循环是采用升压、保压，再降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数。
还可以在大梯形波的试验压力上限P1保压段叠加数个小梯形波，大梯形波压力下限设定为0，由所述小梯形波的下限压力P2大于0，设定大梯形波压力循环频率小于10次/分。
具体实施中，高压油泵电机组3采用变量泵，可在试验前根据疲劳实验要求的压力循环频率手动调节泵的输出流量；或者也可通过变频器调节驱动电机的转速来改变油泵的输出流量。
系统工作时，液压油经过高压过滤器4精细过滤后输送到主供油管路I内，系统的工作压力由主回路溢流阀8控制并可通过压力表6和压力传感器7及二次仪表同时显示在工作台上。之所以同时选择压力表6和压力传感器7作为监测系统工作压力的元件，是为了防止使用过程中，压力传感器零位漂移而造成监测不准确，同时使用可保证检测结果准确可靠。
系统的液压油箱1侧壁安装有液位计以显示液压油箱1内的油位，油箱顶部安装有空气滤清器2以保证箱内气压与大气压保持一致。液压油箱1的侧壁中部还安装有油温热电偶27以监测箱内油温。当油温过高时，该热电偶向控制系统发出讯号，启动箱体侧壁上安装的风冷器26散热，来保证油温不超过系统所设定的温度。系统内使用风冷器26是为了防止冬天操作时，万一忘记放净冷却器中的水造成冷却器损坏。
系统使用的高压过滤器4上安装有压差发讯器5，当过滤器滤芯堵塞造成进出口压力差超出设定值时，该装置能够自动发讯号，提醒操作者及时更换滤芯，以防止滤芯破损造成污染杂质进入系统主压力油管内形成更大的损坏。
所有液压系统的元件全部集中安装到油盘上，其中控制阀采用集成块安装。这样既可以缩小系统的占地面积，也便于更换和检修维护。
水箱25顶部同样安装有空气滤清器24以保证箱内气压与大气压保持一致。
超高压系统由液压系统输油管路II和输油管路III交替工作输送液压油至增压器15的液压油进出口推动超增压器低压缸内的大活塞往复运动，大活塞带动与之连成一体的超高压缸内的小活塞运动，从而挤压低压水产生超高压水通过增压器15的超高压水出口送往试件以及超高压管路完成增压。
超高压卸压是以试件内的压力为压力源，由二位五通电磁阀20控制可控卸压阀19开启超高压管路VII完成可控卸压。通过阻尼器31形成通径0.15mm的微小的通道，增加压力卸放的阻力，有效地控制卸压速率。
液压系统的液压油箱1侧壁安装有油温热电偶27以监测油箱内油温。当油温过高时，热电偶27向控制系统发出讯号，启动风冷却器26对高温油进行冷却。当油温降到系统所设定的温度后，风冷却器26自动停止。
系统使用的高压过滤器4上安装有压差发讯器5，当过滤器滤芯堵塞造成进出口压力差超出设定值时，该装置能够自动发讯号，报告高压过滤器故障，显示在计算机上，并强制停止主油泵电机组3中的主油泵，只有在故障排除后，方可启动主油泵。
控制系统使用计算机30及控制柜29完成，系统的启动、停止、运转和报警等均可直接通过鼠标点击液晶显示器上显示的控制按钮得以实现和显示，也可通过切换窗口的方式实时显示压力-时间曲线或应变-时间曲线。
控制单元采用可编程控制器PLC作为主控制元件，可以减少系统中电线电缆的接头数量，增加系统可靠性；在更改控制程序即可更改控制功能，而不需要更改系统的硬件和接线，还可通过预留扩展功能，方便地扩展系统的控制功能，大大增加了系统的灵活性和扩展性，便于升级。
对于数据采集和记录部分，系统内共设置四个通道的数据采集口，其中一个通道用于采集液压系统工作压力以及超高压部分工作压力，一个通道用于采集应变传感器测量的应变信号，另外两个通道暂时用于备份，等待以后的扩展。
本系统可实现四种工作状态：
1、升压一次完成，卸压至0的疲劳试验工作状态；
2、升压一次完成，卸压不为0的疲劳试验工作状态；
3、多次完成升压，卸压至0的疲劳试验工作状态；
4、多次完成升压，卸压不为0的疲劳试验工作状态。
系统技术参数
超高压段压力循环幅度：0～400MPa
最大压力循环频率：20次/min(可调)
基本工作状态：四种
超高压系统介质：清洁水
液压系统介质：N46机械油。