СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ УТЕЧКИ ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК G01M3/02 

Предлагаемый способ может быть использован в машиностроении при отработке конструкций, имеющих в своем составе полости, герметизируемые с использованием фланцевых соединений, содержащих уплотнительный элемент (например, составные трубопроводы, контейнеры и т.п.).

Характеристика аналога
Известен способ измерения утечек среды через резиновые уплотнители /1/ при возвратно-поступательных движениях штока относительно уплотнения, размещенного между штоком и направляющим цилиндром.

Недостатком этого способа является то, что определяется только конечная величина утечки, а утечка связана в первую очередь с механическим износом уплотнительного элемента, что не характерно для неподвижных фланцевых соединений, подвергающихся внешним воздействиям.

Недостатком этого способа является ограниченность его применения, так как с его помощью определяется утечка для постоянных форм и положения элементов, содержащих уплотнительный элемент, которые в реальных условиях могут изменяться при приложении к ним внешних нагрузок.

Характеристика прототипа
Известен способ /2/ непрерывного измерения утечек сред через резиновые уплотнители при возвратно-поступательном движении в течение определенного времени. Сущность способа заключается в измерении величины перемещения поршня, разделяющего дозатор на две полости, одна из которых связана с рабочим объемом, герметизируемым уплотнительными элементами. Способ принят за прототип.

При возвратно-поступательном движении рабочего элемента вследствие нарушения контактной поверхности уплотнителя происходит утечка среды, которая приводит к нарушению равновесного состояния в полостях дозатора и вызывает вследствие этого перемещение поршня, которое фиксируется во времени.

Величина утечки G определяется по формуле
G = S • l,
где S - площадь поршня;
l - перемещение поршня.

Критика прототипа
К недостаткам известного способа относятся:
1) Отсутствие возможности регистрации быстропротекающих процессов (порядка 1...3 мс) нарушений уплотнений ввиду большой инерционности системы (достаточно длинные магистрали, трение поршня и т.п.).

2) Отсутствие возможности внешнего механического воздействия на элементы, содержащие уплотнительные материалы.

3) Отсутствие возможности имитации пластических деформаций деталей, содержащих уплотнительные элементы.

Указанные недостатки не позволяют использовать данный способ измерений утечек в условиях быстрого динамического раскрытия стыка с уплотнительным элементом на конечную величину.

Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявляемым способом, является определение величины утечки газа из герметичной полости при динамическом (например, ударном) раскрытии фланцевого соединения, содержащего уплотнительный элемент, с заданной постоянной скоростью (1. ..3 м/с) до определенной остаточной величины, что имитирует пластические деформации фланцевого соединения.

Величины утечек зависят как от указанных выше параметров, так и от эластичных свойств исследуемого уплотнительного элемента.

Технический результат от реализации заявляемого способа состоит в возможности прогнозировать (и определять фактически) величины утечек в зависимости от величины герметизируемого объема и давления в нем, а также от скорости раскрытия стыка, остаточной величины раскрытия стыка и характеристик применяемых уплотнительных элементов.

Сущность способа заключается в заполнении объема V, который является мерным и включает компенсационную емкость, магистрали подачи газа и межфланцевое пространство, газом при начальном давлении P, с последующим динамическим раскрытием фланцевого соединения с постоянной скоростью от 1 до 3 м/с до определенной величины ударным нагружением одного из фланцев с регистрацией величины перемещения этого фланца и величины изменения начального давления в мерном объеме в интервале времени восстановления формы упругого уплотнительного элемента, после чего определяется величина утечки газа, исходя из известных мерного объема и начального давления и зарегистрированных параметров.

Отличия заявляемого способа от прототипа, заключающиеся в том, что заполняют газом мерный объем, ударным нагружением одного из фланцев раскрывают стык со скоростью 1...3 м/с на необходимую величину, что имитирует остаточные (пластические) деформации фланцевого соединения, и регистрация указанных выше параметров в течение времени восстановления изначальной формы упругого уплотнительного элемента, позволяют решить поставленную задачу.

Заявляемый способ реализуется устройством, изображенным на фиг. 1.

Способ реализуется следующим образом.

Резиновую прокладку 1 обжимают при помощи болтов 2 между фланцами 3 и 4 с необходимой степенью обжатия, обеспечиваемой размерами посадочного места уплотнительного элемента. Устанавливают крешера 5, удерживающие фланцы в сомкнутом состоянии до момента приложения нагрузки. Болты 2 выкручивают на величину Δd, обеспечивая требуемое раскрытие стыка. От баллона 6 в мерный объем V, включающий компенсационную емкость 7, межфланцевое пространство, трубопровод 8 и магистраль между емкостью 7 и межфланцевым пространством подают воздух под требуемым начальным давлением P, после чего вентиль 9 перекрывают.

Груз 10, размещенный в направляющем стакане 11, поднимают на высоту H и сбрасывают на ударную плиту 12, движение которой передается фланцу 3, и стык раскрывается со скоростью V = на величину Δd до упора фланца 3 в головки болтов 2.

Наличие упругой резиновой мембраны 13 и воздушной магистрали между емкостью 7 и межфланцевой областью обеспечивают постоянную скорость раскрытия стыка. В процессе раскрытия стыка измеряют перемещение фланца 3 относительно неподвижного фланца 4 и изменение давления P электрическими датчиками давления 14 и перемещения 15.

По окончании нагружения исходя из известных величин мерного объема V, начального давления P и зарегистрированных параметров по известным формулам определяют величину утечки газа.

Пример реализации способа
До проведения раскрытия стыка в известном мерном объеме (V = 3000 см³), определяемом из известных геометрических размеров сборочных элементов устройства, создается начальное давление (избыточное P = 50 кгс/м³).

Устанавливается предельная величина раскрытия стыка Δd = 2 мм.

Осуществляется сброс груза с высоты H = V²/2g = 1 м²/с² /2•9,8 м/c² ≈ 5 см, что обеспечит предполагаемую постоянную скорость раскрытия стыка V = 1 м/с.

В результате нагружения регистрируются осциллограммы перемещения фланца (или что то же - относительное перемещение фланцев) Δd (t) и величина изменения давления P(t).

Пример получаемых осциллограмм показан на фиг. 2. Там же условно показана неизвестная осциллограмма восстановления первоначальной формы (высоты или диаметра) сжатой упругой герметизирующей прокладки фланцевого соединения.

Точка на оси времени, соответствующая прекращению падения давления, соответствует герметизации открытого в результате нагружения стыка, т.е. прокладка восстановилась на величину максимального раскрытия стыка Δd = 2 мм.

Из зарегистрированных данных определяем:
1) фактически реализованную скорость в процессе раскрытия стыка по формуле
V(t)=d( Δd)/dt;
2) величину утечки газа, т. е. объема газа при атмосферном давлении, вытекающего из изначально герметичной полости во времени раскрытия стыка и времени восстановления начальной формы уплотнительного элемента по формуле
G(t) = V • /P-P(t)/ /P_атм = V • ΔP(t),
где ΔP(t) - безразмерная величина отношения изменения начального давления к атмосферному давлению P_атм = 1 кгс/см².

Для представленного на фиг. 2 процесса
ΔP(t) = 0...9,
G (t=0...6,5 мс) = 0 ... 27000 см³;
3) Величину утечки газа G(t) в зависимости от текущего значения величины раскрытия стыка Δd(t) с учетом неизвестного процесса восстановления первоначальной формы уплотнительного элемента в виде графика
G(t) = f(Δd(t)).

Источники информации
1. Проблемы современной уплотнительной техники. Сборник докладов, перевод с английского, под редакцией В.Н.Прокофьева, Л.А.Кондакова. - М.: "Мир", 1967 г., стр. 81...89.

2. Б. Х. Аврущенко. Резиновые уплотнители. - М.: "Химия", 1978 г., стр. 127...128 /Прототип/.

Изобретение может использоваться при отработке конструкции с герметизируемыми полостями (трубопровод, контейнер и т.п.) для определения утечки газа при динамическом нагружении фланцевого соединения с имитацией остаточного его раскрытия. Способ позволяет определить величину утечки газа путем заполнения мерного объема V, включающего фланцевое герметизируемое соединение, газом под определенным давлением Р, последующим динамическим раскрытием фланцевого соединения на определенную величину со скоростями от 1 до 3 м/с, регистрацией изменения величины давления в мерном объеме и относительного смещения фланцев в процессе раскрытия стыка и последующего времени восстановления начальной формы уплотнительного упругого элемента, последующего пересчета по известным формулам исходя из известных Р, V и зарегистрированных данных. Технический результат, получаемый при использовании способа, состоит в возможности прогнозировать и определять фактически величины утечек в зависимости от величины герметизируемого объема и давления в нем, а также от скорости раскрытия стыка, остаточной величины раскрытия стыка и характеристик применяемых уплотнительных элементов. 2 ил.

Способ определения величины утечки газа из объема через стык фланцевого соединения с упругим уплотнительным элементом, при котором заполняют объем газом при начальном давлении и регистрируют изменение давления, отличающийся тем, что объем является мерным и включает компенсационную емкость, магистрали подачи газа и межфланцевое пространство, после заполнения мерного объема газом при начальном давлении производят динамическое раскрытие стыка фланцевого соединения с постоянной скоростью ударным нагружением одного из фланцев, регистрируют перемещение этого фланца и величину изменения давления в мерном объеме в интервале времени восстановления начальной формы упругого уплотнительного элемента, после чего определяют величину утечки газа, исходя из известных мерного объема, начального давления и зарегистрированных параметров.