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 формы 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 заключаются 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.

Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявляемым способом, является определение величины утечки газа из герметичной полости при раскрытии фланцевого соединения, содержащего уплотнительный элемент, с заданной скоростью (1...3 м/с) на определенную величину, и последующем смыкании фланцев, что имитирует упругие 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 позволит прогнозировать (и определять фактически) величины утечек в зависимости от величины герметизируемого объема и давления в нем, а также от скорости раскрытия и закрытия стыка и характеристик применяемых уплотнительных элементов.

Сущность способа заключается в заполнении газом под начальным давлением P₀ мерного объема V, включающего контрольную емкость и магистрали подачи газа по одну сторону фланцевого соединения, а также межфланцевый объем, а герметичную полость по другую сторону фланцевого соединения заполняют газом под давлением P > P₀ + P₁, (P₁ - давление, компенсирующее усилие от обжатой прокладки), с последующим динамическим раскрытием стыка со скоростью от 1 до 3 м/с на определенную величину ударным нагружением одного из фланцев и регистрацией величины перемещения этого фланца и величины изменения начального давления P₀ в мерном объеме в интервале времени раскрытия стыка и последующего смыкания фланцев за счет давления P, после чего определяют величину утечки газа, исходя из известных мерного объема и начального давления P₀ и зарегистрированных параметров.

Отличия заявляемого способа от прототипа, заключающиеся в ударном нагружении одного из фланцев и раскрытие стыка за 1...3 мс на необходимую величину с последующим смыканием фланцев, имитирующее упругие деформации фланцевого соединения, и регистрация указанных выше параметров в течение времени протекания этого процесса 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. Мерный объем V, включающий контрольную емкость 5, трубопровод 6, трубопровод между вентилем 8 и контрольной емкостью 5 и межфланцевое пространство, от баллона 7 заполняют газом под начальным давлением P₀, после чего вентиль 8 перекрывают. По магистрали Б в герметичную полость 9 через трубопровод 10 подают сжатый воздух под давлением P и вентиль 11 перекрывают.

Величину давления P устанавливают исходя из обеспечения усилия на подвижный вкладыш 12, упирающийся в нижний фланец 3, достаточного для преодоления сил сопротивления, действующих на нижний фланец от давления P₀ и усилия сжатия прокладки при возврате нижнего фланца в исходное положение.

После заполнения герметичной полости 9 и выкручивания болтов 2 на величину Δd груз 13, размещенный в направляющем стакане 14, поднимают на высоту H и сбрасывают на ударную плиту 15, движение которой передается фланцу 3, и стык раскрывается на величину Δd до упора фланца 3 в головки болтов 2.

Наличие упругой резиновой мембраны 16 и давления P > P₀ + P₁ в герметичной полости 9 обеспечивают последующее смыкание фланцев. В процессе раскрытия и возвращения фланцевого соединения в исходное состояние измеряют относительное перемещение фланца 3 относительно неподвижного фланца 4 и изменение давления P₀ в контрольной емкости электрическими датчиками давления 17 и перемещения 18.

По окончании нагружения, исходя из известного мерного объема V, начального давления P₀ 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) P₀ = 50 кгс/см². В герметичной полости по другую сторону фланцевого соединения создается, например, давление P = 100 кгс/см², достаточное для удержания фланцевого соединения со сжатой прокладкой в замкнутом положении.

Устанавливается предельная величина раскрытия стыка Δd = 2 мм за счет выкручивания болтов на указанную величину.

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

В результате нагружения регистрируются осциллограммы перемещения нижнего фланца (или что то же - относительное перемещение фланцев Δd(t) и величина изменения давления P₀(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 до момента ее обжатия при возвращении фланца в исходное положение.

Точка на оси времени, соответствующая прекращению падения давления, соответствует герметизации открытого в результате нагружения стыка, т.е. прокладка восстановилась на величину раскрытия стыка K в данный момент времени.

Из зарегистрированных данных определяем
1) Фактический процесс раскрытия и закрытия стыка.

2) Фактически реализованную скорость в процессе раскрытия стыка по формуле
V(t) = d(Δd)/dt.
3) Величину утечки газа, т. е. объема газа при атмосферном давлении, вытекающего из изначально герметичной полости во время раскрытия стыка, и времени восстановления начальной формы уплотнительного элемента на величину K по формуле
G(t) = V • /P₀ - P₀(t)//P_атм = V • P₀(t),
где P₀(t) - безразмерная величина отношения изменения начального давления к атмосферному давлению;
P_атм = 1 кгс/см².

Для представленного на фиг. 2 процесса
P₀(t) = 0 ... 8
G (t = 0 ... 5 мс) = 0 ... 24000 см³
4) Величину утечки газа G(t) в зависимости от текущего значения величины раскрытия стекла Δd(t) учетом неизвестного процесса восстановления первоначальной формы уплотнительного элемента в виде графика
G(t) = f(Δd(t)).
5) Ориентировочно скорость восстановления прокладки по формуле

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

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

Способ используется при отработке конструкции с герметизируемыми полостями (трубопровод, контейнер и т.п.) для определения утечки газа при динамическом нагружении фланцевого соединения с имитацией упругих деформаций. Способ позволяет определить величину утечки газа путем заполнения мерного объема V, включающего фланцевое герметизируемое соединение, газом под определением давлением Р_о, последующего динамического раскрытия фланцевого соединения на определенную величину со скоростями от 1 до 3 м/с, регистации изменения величины давления в мерном объеме и относительного смещения фланцев в процессе раскрытия стыка и последующего времени возвращения в исходное состояние, последующего пересчета по известным формулам, исходя из известных Р_о, V и зарегистрированных данных. Технический результат, получаемый при использовании способа, позволит прогнозировать и определять фактически величины утечек в зависимости от величины герметизируемого объема и давления в нем, а также от скорости раскрытия и закрытия стыка и характеристик применяемых уплотнительных элементов. 2 ил.

Способ определения величины утечки газа из герметичной полости через стык фланцевого соединения с упругим уплотнительным элементом, заключающийся в том, что заполняют герметичную полость газом и регистрируют изменение давления этого газа, отличающийся тем, что заполняют газом под начальным давлением P₀ мерный объем, включающий контрольную емкость и магистрали подачи газа по одну сторону фланцевого соединения, а также межфланцевый объем, а герметичную полость по другую сторону фланцевого соединения заполняют газом под давлением P > P₀, производят динамическое раскрытие фланцевого соединения ударным нагружением одного из фланцев, регистрируют величину перемещения этого фланца и величину изменения давления в контрольной емкости в процессе раскрытия и возвращения фланцевого соединения в исходное положение, после чего определяют величину утечки газа, исходя из известных мерного объема, давления газа P₀ и зарегистрированных параметров.