一种高压单向阀高速流动冲击测试装置及方法与流程

1.本发明属于阀门冲击测试领域，更具体地，涉及一种高压单向阀高速流动冲击测试装置及方法。


背景技术：

2.第二次工业革命以来，能源危机日趋明显，迫切需要洁净、经济的新能源。氢能因其清洁、高效、零碳以及可持续利用等优点成为理想的二次能源，发展氢能已经成为世界各国的共识。我国对氢能产业十分重视，2020年一年我国各级政府发布相关氢能产业政策有62个，到年底全国共建成的加氢站有128座，燃料电池汽车保有量有7352辆。然而高速的氢能产业发展带来的是不容忽视的安全风险的增加。
3.加氢站的安全问题一直是加氢站建设运行中的阻力，历史上曾发生过多次加氢站泄漏爆炸事故。统计显示美国超过20％的加氢站事故是阀门冲击失效导致氢气泄漏爆炸。同时科技部“可再生能源与氢能技术”重点专项项目申报指南指出，要针对加氢站关键零部件泄漏、断裂等问题，开展相应的安全性能测试技术及装备研究。事故统计分析显示，高压氢管道单向阀在氢气充装过程中，会给阀门造成很大的冲击损伤。在冲击作用下，单向阀会快速开启，使得阀门在开启过程中瞬态压力场速度场和温度场复杂多变，且阀芯上下表面受到压差阻力使得阀芯产生较大的加速度、速度、动能撞击限位座和弹簧，容易使其发生冲击断裂失效。故研究阀门开启过程中的冲击问题对于加氢站建设和安全运行具有非常重要的意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高压单向阀高速流动冲击测试装置及方法，其目的在于，针对阀门开启过程中的冲击问题提供一套灵活多变、适用广泛且能够获得阀门瞬态开启特性的测试装置及方法，以为加氢站的安全运行提供支撑和保障。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高压单向阀高速流动冲击测试装置，用于待测单向阀的高速流动冲击测试，包括高压气源单元、气体缓冲单元、实验测试单元和信号采集控制单元，其中：
6.所述高压气源单元包括高压气瓶、一级减压器和二级减压器；所述气体缓冲单元包括前级缓冲罐、后级缓冲罐、背压减压器和背压高压气瓶；所述实验测试单元包括高速电磁阀和多个压力传感器；所述信号采集控制单元包括高速信号采集仪和信号控制器；
7.高压气瓶、一级减压器、二级减压器、前级缓冲罐、高速电磁阀依次串联；高速电磁阀的出口用于在试验时连接待测单向阀的进气口；后级缓冲罐的进气口用于在试验时连接待测单向阀的出口；背压高压气瓶的出口连接背压减压器，背压减压器的出口用于在试验时连接待测单向阀的出口；高速电磁阀与待测单向阀之间间隔设置两个压力传感器；后级缓冲罐与待测单向阀之间间隔设置两个压力传感器；高速信号采集仪连接压力传感器以记
录压力随时间的变化；信号控制器连接高速电磁阀；高速电磁阀的开启时间小于高速流动冲击下待测单向阀的开启时间；其中，
8.高速电磁阀初始处于关闭状态，高压气瓶的高压气体经一级减压器和二级减压器进行两级减压后达到测试压力，然后储存在前级缓冲罐内；高压气瓶通过减压器提供恒定的背压，从而在待测单向阀前后形成稳定的压力差；当高速电磁阀开启时，前级缓冲罐输出恒定压力的高速气流冲击待测单向阀，四个压力传感器同时监测待测单向阀前后压力数据，从而获得待测单向阀受到冲击后开启全过程的压力变化，实现对待测单向阀高速流动冲击的测试。
9.进一步地，高速电磁阀的开启时间为微秒级，远小于高速流动冲击下待测单向阀的开启时间。
10.进一步地，所述高压气瓶包括至少两个气瓶，每个气瓶的启闭相互独立。
11.进一步地，前级缓冲罐包括至少两个缓冲罐，每个缓冲罐的启闭相互独立。
12.进一步地，高速电磁阀与待测单向阀之间依次先后设置第三压力传感器和第四压力传感器；后级缓冲罐与待测单向阀之间依次先后设置第五压力传感器和第六压力传感器；第四压力传感器、第五压力传感器与待测单向阀之间的间距取不影响气流稳定性的最小间距。
13.进一步地，第三压力传感器、第四压力传感器、待测单向阀的阀芯、第五压力传感器和第六压力传感器依次等间距布置。
14.进一步地，还包括安全排空单元；所述安全排空单元分为两部分，一部分设置在二级减压器与前级缓冲罐之间，包括第一手动排空阀、安全阀和第一电磁排空阀；另一部分设置在待测单向阀的排气气路末端，包括第二手动排空阀和第二电磁排空阀。
15.为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种高压单向阀高速流动冲击测试方法，采用如前任一项所述的高压单向阀高速流动冲击测试装置实现，测试过程如下：
16.通过一级减压器和二级减压器调节试验压力至指定值，通过背压减压器调节背压至指定值；
17.开启前级缓冲罐和高压气瓶，在待测单向阀前后的压力值都达到设定值且稳定后，通过信号控制器开启电磁阀，高速气流冲击待测单向阀单向阀，同时四个压力传感器记录下待测单向阀从受到气流冲击到完全开启的全过程压力变化；
18.分析四个压力传感器得到的压力随时间的变化曲线得到待测单向阀瞬态的开启特性。
19.进一步地，所述瞬态的开启特性包括开启时间、最小开启压力。
20.总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
21.1、本发明针对高压单向阀的复杂运行工况，设计了一种可自由调控前后压力的高压单向阀高速流动冲击测试装置，主要通过两级减压器得到恒定压力的气体，之后将气体储存在缓冲罐中，以输出稳定的高速气流，同时在测试单向阀后设置背压减压器、后级缓冲罐和高压气瓶，得到恒定的背压，从而配合前级缓冲罐实现稳定的前后压差，以对加氢站加氢过程中的各种不同工况进行模拟。本发明提出的高压单向阀高速流动冲击测试装置，可
以准确测试高压单向阀在不同压力工况下受到高速气流冲击时迅速开启的全过程，且具有操作简单、安全稳定等优点，可以为高压单向阀提供冲击测试平台，为加氢站阀门的长久稳定运行提供保障。
22.2、本发明配置微秒级高速电磁阀和信号采集仪，可以测得单向阀受到高速气流冲击开启的全过程压力变化，且利用微秒级高速电磁阀开启时间远小于待测单向阀的特点，降低气流时延引起的压力差，保证气流冲击单向阀时已经达到所设定的压力，提高试验准确性。
23.3、由于单个气瓶气量有限，维持稳定试验压力的时间较短，设置多个气瓶一方面可以保证提供稳定的压力气源，维持实验的持续进行和多次实验，另一方面可以减少气瓶更换次数，方便操作。多个缓冲罐的设置同理。
24.4、第四压力传感器、第五压力传感器与待测单向阀之间的间距取不影响气流稳定性的最小间距，能够更为准确地表征待测单向阀的瞬态开启特性。
25.5、第三压力传感器、第四压力传感器、待测单向阀、第五压力传感器和第六压力传感器等间距布置，可以更为简单地利用压力响应时间相减的方式快速估算待测单向阀的开启时间。
附图说明
26.图1是本发明优选实施例的高压单向阀高速流动冲击测试装置示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
27.1-高压气瓶，2-气瓶截止阀，3-一级减压器，4-第一截止阀，5-第一压力表，6-第一压力传感器，7-二级减压器，8-第二压力表，9-第二压力传感器，10-第一手动排空阀，11-安全阀，12-第一电磁排空阀，13-第一单向阀，14-第一球阀，15-第一压力缓冲罐，16-第二球阀，17-第二压力缓冲罐，18-高速电磁阀，19-第三压力传感器，20-第四压力传感器，21-待测单向阀，22-第五压力传感器，23-第六压力传感器，24-第三球阀，25-第三缓冲罐，26-第二单向阀，27-第四球阀，28-背压减压器，29-背压高压气瓶，30-第三压力表，31-第七压力传感器，32-第二手动排空阀，33-第二电磁排空阀。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.本实施例公开了一种优选的高压单向阀高速流动冲击测试装置，其工作内容包括：通过气体缓冲装置自由调节测试单向阀前后压力；通过电磁阀控制高速气流冲击单向阀；通过高速信号采集单元监测单向阀在高速气流冲击下开启的全过程压力变化；通过安全排空单元保证测试装置的安全稳定运行。优选地，其结构如图1所示，主要包括高压气源单元、气体缓冲单元、实验测试单元、信号采集控制单元和安全排空单元五个部分。高压气体经一级减压器3、二级减压器7减压后达到测试压力储存在前级缓冲罐(本实施例为第一压力缓冲罐15和第二压力缓冲罐17)内，测试段后的背压高压气瓶29通过背压减压器28提
供恒定的背压，从而在测试单元前后形成稳定的压力差，高速电磁阀18打开，高速气流冲击测试单向阀，压力传感器同时监测阀前后压力数据，记录单向阀受到冲击后开启全过程的压力变化，实现对高压单向阀高速流动冲击的测试。
30.优选地，高压气源单元包括高压气瓶1，在本实施例中共有a-j10个气瓶，每个气瓶配有单独的气瓶截止阀2。一级减压器3进行第一次减压，第一截止阀4控制整个管路的启闭，第一压力表5和第一压力传感器6测量当前管路内的压力是否减压到一级减压器3所设定的压力，二级减压器7进行第二次减压，第二压力表8和第二压力传感器9测试管内压力是否达到二级减压器7所设定的压力。由于单个气瓶气量有限，维持稳定试验压力的时间较短，设置多个气瓶一方面可以保证提供稳定的压力气源，维持实验的持续进行和多次实验，另一方面可以减少气瓶更换次数，方便操作。在不同实施例中根据气瓶容量大小以及试验时间长短可以设置不同数量的气瓶。
31.优选地，气体缓冲单元分为两部分，第一部分在测试单元之前，为前级缓冲罐，本实施例主要包括第一压力缓冲罐15和第二压力缓冲罐17，两个缓冲罐配有第一球阀14和第二球阀16控制缓冲罐的启闭，该部分可以接收减压后的高压气体，并在实验测试时输出稳定的高速气流；第二部分在测试单元后，主要包括第三缓冲罐25(即后级缓冲罐)和背压高压气瓶29，背压高压气瓶的气体经背压减压器28减压得到测试需要的背压，第四球阀27控制缓冲罐管路的启闭，第二单向阀26防止气体回流到高压气瓶内。
32.优选地，实验测试单元包括高速电磁阀18、第三压力传感器19、第四压力传感器20、第五压力传感器22、第六压力传感器23和待测单向阀21，高速电磁阀18开启时间达到微秒级，远小于高压冲击下单向阀的开启时间，可以保证气流冲击单向阀时已经达到所设定的压力，四个压力传感器设置在测试单向阀前后，用来监测高速气流冲击下单向阀开启全过程的压力变化。
33.信号采集控制单元包括高速信号采集仪和信号控制器，信号采集仪可以将第一压力传感器6、第二压力传感器9、第三压力传感器19、第四压力传感器20、第五压力传感器22、第六压力传感器23和第七压力传感器31的信号转变为数字信号并实时显示，信号控制器可以控制第一电磁排空阀12、高速电磁阀18和第二电磁排空阀33三个电磁阀的启闭。
34.优选地，安全排空单元分为两部分，一部分设置在二级减压器7之后，主要包括第一手动排空阀10、安全阀11和第一电磁排空阀12，同时设有第一单向阀13避免回流；第二部分设置在实验测试装置末端，主要包括第二手动排空阀32和第二电磁排空阀33。
35.在一个具体应用实例中，本发明的高压单向阀高速流动冲击测试装置具体的工作流程为：
36.实验开始前，检查第一手动排空阀10、第二手动排空阀32和安全阀11是否正常，接通电源，通过信号控制器检查第一电磁排空阀12、第二电磁排空阀33是否能正常开启，检查电磁阀18是否为关闭状态，通过第一压力表5、第二压力表8、第一压力传感器6、第二压力传感器9、第三压力传感器19、第四压力传感器20、第五压力传感器22、第六压力传感器23和第七压力传感器31检查各监测点处压力是否为零。
37.检查正常后，通过一级减压器减压器3设置试验压力上限、通过二级减压器7设置待测单向阀前需要达到的压力，通过背压减压器28设置待测单向阀后需要达到的背压。打开第一缓冲罐15和第二缓冲罐17的第一球阀14、第二球阀16，打开各气瓶a～j的气瓶截止
阀2，打开第一截止阀8，待第二9和第一压力传感器6示数稳定后，检查第一压力表5和第一压力传感器6的压力值是否为一级减压器3设定的压力，检查第二压力表8和第二压力传感器9的压力值是否为二级减压器7设定的压力。打开第三缓冲罐25的第三球阀24，打开第四球阀27，此时第五压力传感器22和第六压力传感器23显示数据，待数值稳定后，看是否为背压减压器28设定的压力值。
38.待测单向阀21前后的压力值都达到设定值且稳定后，通过信号控制器开启高速电磁阀18，高速气流冲击待测单向阀21，同时压力传感器第三压力传感器19、第四压力传感器20、第五压力传感器22、第六压力传感器23记录下测试单向阀从受到气流冲击到完全开启的全过程压力变化。
39.测试完成后，关闭高速电磁阀18，关闭各气瓶截止阀2，关闭第一截止阀4，关闭第一球阀14、第二球阀16、第三球阀24、第四球阀27，打开高速电磁阀18和第二电磁排空阀33，排空管路内气体，待第三压力表30和第七压力传感器31示数为零后，关闭高速电磁阀18和第二电磁排空阀33。切断电源，测试结束。
40.分析第三压力传感器19、第四压力传感器20、第五压力传感器22、第六压力传感器23得到的压力变化曲线即可得到待测单向阀21瞬态的开启特性，包括开启时间、最小开启压力等。
41.通过改变实验开始前一级减压器3、二级减压器7和背压减压器28设定的压力值，观察不同进出口压力下待测单向阀21的压力变化曲线，即可实现进出口压力对高压单向阀高速流动冲击过程影响的研究，即实现氢气站不同工况对高压单向阀高速流动冲击过程影响的研究。
42.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。