一种金属密封件的密封性测试系统及方法

本发明属于密封件测试，具体涉及一种金属密封件的密封性测试系统及方法。

背景技术：

1、金属密封件广泛应用于航空航天、核能、石油化工及深海装备等高温、高压及强腐蚀等复杂工况环境中，其密封性能直接影响整个系统的安全性与可靠性。在实际工程应用中，金属密封件通常依靠预紧压缩形成初始密封状态，压缩量不足则无法建立有效密封，而过度压缩又会导致密封件产生塑性变形、回弹性能下降甚至结构损伤，因此合理确定金属密封件的安装压缩量及对应的安装压力范围，是保证密封系统可靠运行的前提条件。与此同时，金属密封件在长期服役过程中，受温度循环、压力波动及螺栓蠕变松弛等因素影响，密封环处于压缩与卸载交替的复杂载荷状态，压缩量的动态变化对密封界面的接触应力及泄漏行为具有显著影响。获取密封件在卸载过程中的性能变化规律及其临界状态参数，对于保证密封系统的长期服役稳定性具有重要意义。

2、目前，针对金属密封件密封性能的测试主要采用加载试验方式，主要通过液压或机械加载机构对密封件施加预定载荷，配合高温环境模拟及泄漏检测手段，对密封件在特定工况下的泄漏情况进行评估。

3、然而，现有技术仍存在以下不足：第一，现有测试通常仅在若干离散的加载条件或单一固定工况下进行，测试点之间缺乏连续性，所获取的数据难以反映密封性能随压缩量变化的连续演化过程及完整的性能包络特征；第二，现有测试主要关注加载压缩阶段的密封表现，对卸载及回弹过程中密封性能的变化缺乏有效监测，无法获取卸载过程中密封性能退化的相关特征信息；第三，现有测试结果多用于判定密封件在特定条件下是否合格，难以进一步为密封件在实际装配中的安装参数选取及服役过程中的性能评估提供系统性的定量依据。

技术实现思路

1、本技术目的是提供一种金属密封件的密封性测试系统及方法，在一定程度上解决现有金属密封件密封性能测试仅在离散加载条件下进行且缺乏卸载过程监测，无法获取密封性能随压缩量连续演化的完整规律及卸载临界特征参数，难以指导实际装配参数选取和服役性能评估的技术问题。

2、第一方面，本技术提供了一种金属密封件的密封性测试系统，包括：

3、工装模块，包括上压盘、下压盘以及驱动机构；所述上压盘和下压盘均设置有密封件工位和气体通道；所述驱动机构用于控制所述上压盘和下压盘相对运动以形成密封测试腔并对金属密封件施加载荷；

4、供气与泄漏测试模块，与所述气体通道连通，用于向所述密封测试腔内输入检测气体并测量泄漏气体流量；

5、采集模块，分别与所述工装模块及所述供气与泄漏测试模块通信连接，用于同步采集压缩量数据、加载力数据以及稳态泄漏量数据；

6、构建模块，与所述采集模块连接，用于根据采集的数据构建密封特性曲线并确定密封特征参数。

7、可选地，所述采集模块包括位移传感器和压力传感器；所述位移传感器沿周向布置于所述上压盘和/或下压盘的多个位置，用于采集多处相对位移；所述采集模块被配置为执行多点位移平均计算及偏载校验逻辑。

8、可选地，所述供气与泄漏测试模块包括气源单元、调压单元、质量流量计和氦质谱仪；所述调压单元用于将气体压力调节至100kpa~11mpa范围内的检测压力；所述质量流量计和所述氦质谱仪通过阀组切换连接至所述密封测试腔的出口。

9、第二方面，本技术提供一种金属密封件的密封性测试方法，包括以下步骤：

10、提供如上所述的金属密封件的测试系统；

11、将待测金属密封件安装于密封测试腔内，并向所述密封测试腔内输入检测气体；对所述金属密封件进行逐级压缩加载和逐级卸载操作，并在每一级压缩加载状态和每一级卸载状态下，同步采集压缩量数据、加载力数据以及稳态泄漏量数据；

12、根据采集的所述压缩量数据、所述加载力数据和所述稳态泄漏量数据，构建包含压缩阶段曲线和卸压阶段曲线的密封特性曲线；

13、基于所述密封特性曲线及预设的密封指标要求，确定密封充分临界点、最佳压缩量点、压缩极限点以及卸载失效临界变形量。

14、可选地，在每一级压缩加载状态和每一级卸载状态下同步采集数据时，包括：

15、控制驱动机构对所述金属密封件执行当前级的压缩或卸载动作后，保持预设保压时间；

16、在所述预设保压时间结束后，实时监测泄漏量变化，判断所述密封测试腔内是否达到稳态；

17、当判定达到稳态后，采集当前的所述压缩量数据、所述加载力数据以及所述稳态泄漏量数据。

18、可选地，判断所述密封测试腔内是否达到稳态的步骤包括：

19、连续采集多组泄漏量数据，计算相邻组间或设定窗口内的泄漏量变化值；

20、当连续预设组数的所述泄漏量变化值均小于波动阈值时，判定达到稳态；

21、当连续预设组数的所述泄漏量变化值中存在任一组大于或等于所述波动阈值时，判定未达到稳态并继续监测。

22、可选地，采集所述压缩量数据的步骤包括：

23、采集上压盘与下压盘之间多处位置的相对位移；

24、计算所述多处位置的相对位移的平均值和极差值；

25、当所述极差值超过预设偏载阈值时，发出偏载报警；

26、当所述极差值未超过预设偏载阈值时，将所述平均值作为所述压缩量数据。

27、可选地，在构建密封特性曲线之前，还包括零点修正步骤：

28、获取初始接触阶段的加载力数据和位移数据；

29、当加载力首次达到预设接触力阈值时，将对应的位移数据确定为物理接触零点；

30、基于所述物理接触零点对后续采集的压缩量数据进行偏移补偿，得到修正压缩量数据。

31、可选地，基于所述密封特性曲线确定密封充分临界点、最佳压缩量点、压缩极限点以及卸载失效临界变形量的步骤包括：

32、根据预设允许泄漏标准，在压缩阶段曲线上通过插值法确定泄漏率首次达到并维持在要求水平时对应的压缩量为所述密封充分临界点；

33、在压缩阶段曲线上确定泄漏率最低且接触应力分布均匀时对应的压缩量为所述最佳压缩量点；

34、在压缩阶段曲线上确定载荷曲线趋于平缓或出现永久变形特征时对应的压缩量为所述压缩极限点；

35、在卸压阶段曲线上确定泄漏率开始超出要求水平时对应的变形量为所述卸载失效临界变形量。

36、可选地，所述检测气体包括空气、氮气或氦气；泄漏量检测采用质量流量计法或氦质谱仪法，并根据预估泄漏量级进行切换。

37、本技术的有益效果是：

38、本技术第一方面提供的金属密封件测试系统，通过集成驱动模块、供气与泄漏测试模块、采集模块及构建模块，利用驱动机构控制上压盘、下压盘相对运动形成密封测试腔并施加载荷，配合供气与泄漏测试模块输入检测气体并测量泄漏流量，由采集模块同步采集压缩量、加载力及稳态泄漏量数据，再由构建模块根据采集数据构建密封特性曲线并确定密封特征参数，从而解决了现有测试仅在离散加载条件下进行且缺乏卸载过程监测、无法获取密封性能随压缩量连续演化规律及卸载临界特征参数的技术问题，实现了金属密封件在完整加载-卸载循环中载荷-变形-泄漏三维耦合数据的连续、同步采集与自动化处理，为确定合理安装压缩量及评估服役性能提供了系统性的定量依据。

39、本技术第二方面提供的金属密封件测试方法，通过对金属密封件执行逐级压缩加载和逐级卸载操作，并在每一级状态下同步采集压缩量、加载力及稳态泄漏量数据，进而构建包含压缩阶段曲线和卸压阶段曲线的密封特性曲线，基于该曲线确定密封充分临界点、最佳压缩量点、压缩极限点及卸载失效临界变形量，从而解决了现有测试仅在离散工况下判断合格与否、无法反映密封性能连续演化过程且无法监控卸载过程的技术问题，完整获取了金属密封件从密封建立、最优工作到回弹失效全过程的定量特征参数，为实际装配中安装压缩量和安装压力的精确选取以及服役过程中密封稳定性的评估提供了全面、可靠的数据支撑。