一种高温高压设备动静水试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及水试验通用技术领域，具体涉及一种高温高压设备动静水试验装置及试验方法。


背景技术：

2.新型高温高压设备，如泵、阀等，在设计制造过程中，需要根据标准开展大量高温高压试验。目前高温高压试验主要分为高温高压动水试验与高温高压静水试验两种。
3.由于高温高压动水试验装置需要泵来作为动作驱动，因此高温高压动水试验装置在试验过程中耗电量巨大，一般需要在原有正常加热功率方面增加一个泵的功率，此类泵功率正常情况下需要达200kw以上，而原有正常加热功率满负荷情况下也仅有60kw，在综合试验时往往还需要2台以上的泵，这导致高温高压动水试验装置造价远远高于高温高压静水试验装置，同时高温高压动水试验成本远远高于高温高压静水试验，导致新研高温高压设备研制成本高、试验不充分的普遍情况，其产品体现在于产品性能现场符合性差、运行可靠性低。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是高温高压动水试验装置造价高、试验成本高的基本问题，同时部分试验装置用泵不能承受400℃/s以上的冷热冲击，高温高压动水试验装置能力受限的问题，目的在于提供一种高温高压设备动静水试验装置及试验方法，解决了造价高、运行可靠性差等问题。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种高温高压设备动静水试验装置，包括：
7.n组试验件，包括第1组试验件、第2组试验件、
……
、第n组试验件；
8.m条自然循环回路，包括第1条自然循环回路、第2条自然循环回路、
……
、第m条自然循环回路；
9.阀体组件，所述自然循环回路的输入端和输出端通过所述阀体组件与所述试验件的输入端和输出端连通；
10.所述自然循环回路包括：
11.第一管道，其输出端与所述试验件的输入端连通，所述第一管道的输入端与所述试验件的输出端连通，所述第一管道上串联有流量调节控制阀；
12.加热管道，其一端与所述第一管道的输出端连通；
13.冷却管道，其一端与所述第一管道的输入端连通；
14.第二管道，其两端分别与所述加热管道的另一端和所述冷却管道的另一端连通。
15.可选地，所述自然循环回路还包括设置在所述第二管道上的排污管和与所述第二管道连通的稳压器。
16.优选地，所述加热管道为竖置管道，且所述加热管道内部设置有加热元件；
17.所述冷却管道为竖置管道，且所述冷却管道通过自然对流或强迫对流散热；
18.所述第二管道和所述第一管道均为水平管道。
19.具体地，所述阀体组件包括2n个隔离阀门和2m个选择连通阀；
20.2n个隔离阀门包括：
21.连接在所述第1组试验件两端的第11个隔离阀门和第12个隔离阀门；
22.连接在所述第2组试验件两端的第21个隔离阀门和第22个隔离阀门；
23.……
24.连接在所述第n组试验件两端的第n1个隔离阀门和第n2个隔离阀门；
25.2m个选择连通阀包括：
26.连接在所述第1条自然循环回路两端的第11个选择连通阀和第12个选择连通阀；
27.连接在所述第2条自然循环回路两端的第21个选择连通阀和第22个选择连通阀；
28.……
29.连接在所述第m条自然循环回路两端的第m1个选择连通阀和第m2个选择连通阀；
30.每个所述选择连通阀均设置有n个接口，且分别与n个所述隔离阀门连接，且可与n个所述隔离阀门的1个或多个连通。
31.具体地，第11个选择连通阀与第11个隔离阀门、第21个隔离阀门、
……
、第n1个隔离阀门连接；
32.第12个选择连通阀与第12个隔离阀门、第22个隔离阀门、
……
、第n2个隔离阀门连接；
33.……
34.第m1个选择连通阀与第11个隔离阀门、第21个隔离阀门、
……
、第n1个隔离阀门连接；
35.第m2个选择连通阀与第12个隔离阀门、第22个隔离阀门、
……
、第n2个隔离阀门连接。
36.一种高温高压设备动静水试验方法，基于上述的一种高温高压设备动静水试验装置，分n组进行单独试验的试验方法包括：
37.确定m≥n；
38.将第11个选择连通阀与第11个隔离阀门连通，将第21个选择连通阀与第21个隔离阀门连通，
……
，将第n1个选择连通阀与第n1个隔离阀门连通，将第n2个选择连通阀与第n2个隔离阀门连通；
39.控制加热管道和冷却管道的温度，对n组试验件进行单独试验。
40.一种高温高压设备动静水试验方法，基于上述的一种高温高压设备动静水试验装置，对单组试验件进行冷热冲击试验的试验方法包括：
41.确定n＝1，m＝2，设定第1条自然循环回路为冷回路，第2条自然循环回路为热回路；
42.a1、进行热冲击试验；
43.a11、将第1组试验件与第1条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第11个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第12个选择连通阀连通；
44.a12、控制加热管道和冷却管道的温度，保持第1条自然循环回路和第2条自然循环
回路中的介质流动；
45.a13、将第1组试验件与第2条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第21个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第22个选择连通阀连通；
46.a2、进行冷冲击试验；
47.a21、将第1组试验件与第2条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第21个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第22个选择连通阀连通；
48.a22、控制加热管道和冷却管道的温度，保持第1条自然循环回路和第2条自然循环回路中的介质流动；
49.a23、将第1组试验件与第1条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第11个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第12个选择连通阀连通。
50.一种高温高压设备动静水试验方法，基于上述的一种高温高压设备动静水试验装置，进行多阶段循环冷热交变试验的试验方法包括：
51.确定n＝1，m＞2，设定m条自然循环回路的各自的运行状态参数；
52.将第1组试验件与第1条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第11个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第12个选择连通阀连通；
53.完成设定时间的试验后，将第1组试验件与第2条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第21个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第22个选择连通阀连通；
54.……
55.完成设定时间的试验后，将第1组试验件与第m条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第m1个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第m2个选择连通阀连通；
56.完成设定时间的试验后，再将第1组试验件与第1条自然循环回路连通，并依次重复上述步骤进行循环。
57.进一步，若n＞1，进行多组同类试验件的循环试验时，在第q组试验件进行循环试验时，将第p组试验件加入循环的方法包括：
58.b1、当第q组试验件与第i条自然循环回路连通时，将第p组试验件与第j条自然循环回路连通，q∈[1，n-1]，p＝q+1，i∈[1，m-1]，j＝i+1；
[0059]
b2、调节第j条自然循环回路的工况，使其与第i条自然循环回路的工况相同；
[0060]
b3、将第q组试验件和第p组试验件均与第i条自然循环回路连通，即将第q1个隔离阀门和第p1个隔离阀门均与第i1个选择连通阀连通，将第q2个隔离阀门和第p2个隔离阀门均与第i2个选择连通阀连通；
[0061]
b4、断开第p组试验件与第j条循环回路的连通状态；
[0062]
b5、调节第j条循环回路的工况，使其恢复至b2前的工况；
[0063]
b6、保持第q组试验件和第p组试验件与同一条自然循环回路的连通，并完成循环试验。
[0064]
进一步，将第p组试验件退出循环的方法包括：
[0065]
c1、当第q组试验件和第p组试验件均与第i条循环回路连通时，调节第j条自然循环回路的工况，使其与第i条自然循环回路的工况相同；
[0066]
c2、将第q组试验件与第j条自然循环回路连通，并将第q组试验件与第i条自然循环回路断开；
[0067]
c3、第q组试验件与第i条自然循环回路连通并进行继续试验，第j条自然循环回路降温后将第p组试验件退出。
[0068]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0069]
本发明通过设置多条自然循环回路和多组试验件，并通过阀体组件控制自然循环回路和试验件之间的连通关系，通过相互隔离的自然循环回路实现冷热冲击试验，通过调节自然循环回路的通断实现多组试验件循环试验，并且自然循环回路中利用加热管道和冷却管道产生的压头实现自然循环，解决了耗能高、耐高温能力差以及造价高等问题。
附图说明
[0070]
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
[0071]
图1是根据本发明所述的一种高温高压设备动静水试验装置的逻辑简化结构示意图。
[0072]
图2是根据本发明所述的一种高温高压设备动静水试验装置的结构示意图。
[0073]
附图标记：1-n组试验件，2-阀体组件，3-第一管道，4-加热管道，5-冷却管道，6-第二管道。
具体实施方式
[0074]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
[0075]
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
[0076]
在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0077]
在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0078]
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
[0079]
实施例一
[0080]
一种高温高压设备动静水试验装置，包括试验件、自然循环回路和阀体组件2。
[0081]
将n组试验件1依次命名为第1组试验件、第2组试验件、
……
、第n组试验件；将m条
自然循环回路依次命名为第1条自然循环回路、第2条自然循环回路、
……
、第m条自然循环回路；
[0082]
自然循环回路的输入端和输出端通过阀体组件2与试验件的输入端和输出端连通；
[0083]
本实施例中的阀体组件2具备多路多通的功能，即可以使任意一组试样件与任意一条自然循环管路连通，从而在实际中，可以根据具体的情况将某一组试验件与某一条自然循环回路连通。
[0084]
如图2所示，为了实现自然循环回路的功能，本实施例中的自然循环回路包括第一管道3、加热管道4、冷却管道5和第二管道6。
[0085]
第一管道3的输出端通过连接管道与试验件的输入端连通，第一管道3的输入端通过连接管道与试验件的输出端连通，第一管道3上串联有流量调节控制阀，可以通过流量调节阀来控制整个自然循环回路的流量。
[0086]
加热管道4的一端与第一管道3的输出端连通，冷却管道5的一端与第一管道3的输入端连通，第二管道6的两端分别与加热管道4的另一端和冷却管道5的另一端连通。
[0087]
加热管道4、冷却管道5、第二管道6和第一管道3的构成矩形结构，即加热管道4和冷却管道5为竖置管道，第一管道3和第一管道3均为水平管道。
[0088]
加热管道4内部设置有加热元件，且冷却管道5通过自然对流或强迫对流散热；自然循环回路中安装水或油等试验介质，自然循环回路实现自然循环的原理是：不同温度的介质，密度不同，进而在冷却段及加热段之间存在了一个压头，进而实现了介质的流动。因此，本实施例中通过在加热管道4处进行加热，在冷却管道5处进行冷却，使第一管道3的两端产生压头，从而使得试验介质产生流动，流动压头计算公式如下：dp＝∑ρ
热
gh
热-∑ρ
冷
gh
冷
，由于存在压差，进而流体出现流动。
[0089]
另外，自然循环回路还包括设置在第二管道6上的排污管和与第二管道6连通的稳压器，以确保在温度上升过程中，加热段入口压力保持在一定范围内，且可通过向稳压器内补充或释放压力的方式，实现加热段入口压力的控制。
[0090]
实施例二
[0091]
如图1所示，本实施例提供自然循环回路与试验件之间的逻辑简化示意图，图1中以n＝4和m＝4为例，在实际中可以根据具体情况进行相应的调整。
[0092]
阀体组件2包括2n个隔离阀门和2m个选择连通阀，将2n个隔离阀门分别安装在n个试验件两端，将2m个选择连接通分别安装在m条自然循环回路的两端。
[0093]
为了描述方便，设定2n个隔离阀门包括：
[0094]
连接在第1组试验件两端的第11个隔离阀门和第12个隔离阀门；
[0095]
连接在第2组试验件两端的第21个隔离阀门和第22个隔离阀门；
[0096]
……
[0097]
连接在第n组试验件两端的第n1个隔离阀门和第n2个隔离阀门；
[0098]
为了描述方便，设定2m个选择连通阀包括：
[0099]
连接在第1条自然循环回路两端的第11个选择连通阀和第12个选择连通阀；
[0100]
连接在第2条自然循环回路两端的第21个选择连通阀和第22个选择连通阀；
[0101]
……
[0102]
连接在第m条自然循环回路两端的第m1个选择连通阀和第m2个选择连通阀；
[0103]
每个选择连通阀均设置有n个接口，且分别与n个隔离阀门连接，且可与n个隔离阀门的1个或多个连通。
[0104]
即第11个选择连通阀与第11个隔离阀门、第21个隔离阀门、
……
、第n1个隔离阀门连接；并可以根据需求选择第11个选择连通阀与上述任意一个或多个隔离阀门连通。
[0105]
第12个选择连通阀与第12个隔离阀门、第22个隔离阀门、
……
、第n2个隔离阀门连接；并可以根据需求选择第12个选择连通阀与上述任意一个或多个隔离阀门连通。
[0106]
……
[0107]
第m1个选择连通阀与第11个隔离阀门、第21个隔离阀门、
……
、第n1个隔离阀门连接；
[0108]
第m2个选择连通阀与第12个隔离阀门、第22个隔离阀门、
……
、第n2个隔离阀门连接。
[0109]
因此，通过选择连通阀可以实现自然循环回路1条和多条连通同一组试验件的能力。
[0110]
实施例三
[0111]
在实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供一种高温高压设备动静水试验方法，本发明是为了分n组进行单独试验，试验方法包括：
[0112]
确定m≥n；保证每一组试验件均能够单独连通一条自然循环回路。
[0113]
将第11个选择连通阀与第11个隔离阀门连通，将第21个选择连通阀与第21个隔离阀门连通，
……
，将第n1个选择连通阀与第n1个隔离阀门连通，将第n2个选择连通阀与第n2个隔离阀门连通；
[0114]
控制加热管道4和冷却管道5的温度，对n组试验件1进行单独试验。
[0115]
此时可以对第1组试验件、第2组试验件、
……
、第n组试验件进行单独试验，试验条件与相连通的自然循环回路状态相关，自然回路状态可根据实际需求，各不相同。
[0116]
实施例四
[0117]
在实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供一种高温高压设备动静水试验方法，用于对单组试验件进行冷热冲击试验，试验方法包括：
[0118]
确定n＝1，m＝2，设定第1条自然循环回路为冷回路，第2条自然循环回路为热回路；也可以根据需求改变某条自然循环回路的状态，使其能够满足冷回路和热回路即可。
[0119]
方法包括热冲击试验和冷冲击试验。
[0120]
a1、进行热冲击试验；
[0121]
a11、将第1组试验件与第1条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第11个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第12个选择连通阀连通；
[0122]
a12、控制加热管道4和冷却管道5的温度，保持第1条自然循环回路和第2条自然循环回路中的介质流动；
[0123]
a13、将第1组试验件与第2条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第21个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第22个选择连通阀连通；
[0124]
a2、进行冷冲击试验；
[0125]
a21、将第1组试验件与第2条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第21个选
择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第22个选择连通阀连通；
[0126]
a22、控制加热管道4和冷却管道5的温度，保持第1条自然循环回路和第2条自然循环回路中的介质流动；
[0127]
a23、将第1组试验件与第1条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第11个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第12个选择连通阀连通。
[0128]
即通过切换第1组试验件在第1条自然循环回路和第2条自然循环回路之间的连接关系，从而实现在冷回路和热回路之间的切换，使冷试验介质或热试验介质通入试验件内，从而完成冷冲击和热冲击的试验。
[0129]
实施例五
[0130]
在实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供一种高温高压设备动静水试验方法，用于进行多阶段循环冷热交变试验，试验方法包括：
[0131]
确定n＝1，m＞2，设定m条自然循环回路的各自的运行状态参数；
[0132]
将第1组试验件与第1条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第11个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第12个选择连通阀连通；
[0133]
完成设定时间的试验后，将第1组试验件与第2条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第21个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第22个选择连通阀连通；
[0134]
……
[0135]
完成设定时间的试验后，将第1组试验件与第m条自然循环回路连通；即将第11个隔离阀门与第m1个选择连通阀连通，将第12个隔离阀门与第m2个选择连通阀连通；
[0136]
完成设定时间的试验后，再将第1组试验件与第1条自然循环回路连通，并依次重复上述步骤进行循环。
[0137]
即依次将第1组试验件与第1条自然循环回路、第2条自然循环回路、
……
、第n条自然循环回路连通，实现循环试验。
[0138]
且在第1组试验件与第1条自然循环回路连通时，第1组试验件不与除第1条自然循环回路以外的其他循环回路连通，同理，在第1组试验件与第2条自然循环回路连通时，第1组试验件不与除第2条自然循环回路以外的其他循环回路连通，以此类推。
[0139]
为了提升试验效率，可以在试验的过程中，将同一类试验件加入到循环中进行时间，即此时n＞1，且设定，q∈[1，n-1]，p＝q+1，i∈[1，m-1]，j＝i+1。
[0140]
例如：进行多组同类试验件的循环试验时，在第q组试验件进行循环试验时，将第p组试验件加入循环的方法包括：
[0141]
b1、当第q组试验件与第i条自然循环回路连通时，将第p组试验件与第j条自然循环回路连通；此时两组试验件相互独立，并不连通。
[0142]
b2、调节第j条自然循环回路的工况，使其与第i条自然循环回路的工况相同；两条自然循环回路的工况相同，使得两组试验件均处于同一个工况下。
[0143]
b3、将第q组试验件和第p组试验件均与第i条自然循环回路连通，即将第q1个隔离阀门和第p1个隔离阀门均与第i1个选择连通阀连通，将第q2个隔离阀门和第p2个隔离阀门均与第i2个选择连通阀连通；因为步骤b2中使两组试验件处于同样的工况下，此时将第q组试验件和第p组试验件连通后，第p组试验件不会对第q组试验件的工况造成影响，从而不会影响第q组试验件的试验效果。
[0144]
b4、断开第p组试验件与第j条循环回路的连通状态。
[0145]
b5、调节第j条循环回路的工况，使其恢复至b2前的工况，即第j条循环回路可以再次正常的进行循环。
[0146]
b6、使得第q组试验件和第p组试验件绑定，保持第q组试验件和第p组试验件始终与同一条自然循环回路的连通，并完成循环试验，
[0147]
应在进行批量长期试验时，可能存在部分试验件到达目标或中途退出的情况，以第p组试验件需要退出循环为例，退出的方法包括：
[0148]
c1、当第q组试验件和第p组试验件均与第i条循环回路连通时，调节第j条自然循环回路的工况，使其与第i条自然循环回路的工况相同；
[0149]
c2、将第q组试验件与第j条自然循环回路连通，并将第q组试验件与第i条自然循环回路断开；在连通的过程中会出现第q组试验件、第p组试验件、第i条自然循环回路、第j条自然循环回路均连通，因此通过将第i条自然循环回路与第j条自然循环回路保持工况一致，可以避免对第q组试验件造成影响。
[0150]
c3、第q组试验件与第i条自然循环回路连通并进行继续试验，第j条自然循环回路降温后将第p组试验件退出。
[0151]
实施例六
[0152]
本实施例还提供无流量计条件下流量评测方法，由于自然循环回路驱动力小，为保证试验件流量足够，试验回路不采用接触式流量计，而采用流量测算技术进行流量监测与分支流量评估。
[0153]
由于试验装置无泵，因此各参数变化具有明确的物理意义，易建立数字化模型，通过plc等控制系统，实现无人化自动试验。
[0154]
装置总驱动力为dp＝∑ρ
热
gh
热-∑ρ
冷
gh
冷
，由于能量守恒，因此在稳态时，总流量满足：其中ρ
ave
表示平均介质密度，fw、ue、a表示与流道相关等效系数，r
阀
表示管道中弯管、三通、各隔离阀门、各选择连通阀的阻力系数等效参数，各物性参数可通过相应介质温度、压力测量计算相应模型而得。
[0155]
各分支管道依据动量守恒方程及质量守恒方程进行计算。
[0156]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0157]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0158]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。