一种新型高压信号引出装置的可靠性设计

0 引 言

压力釜可广泛应用于石油化工、能源工业、科研和军工等领域，而且可靠安全、性能稳定的压力釜受到市场的高度关注，这就对压力釜每个部件的可靠性提出了很高的要求。高压信号引出装置是压力釜中较为关键的部件，其作用是将釜体内部压力采集并传输至釜体外，以便及时检测和控制压力釜的内部压力。因此，高压信号引出装置的质量可靠性直接决定着压力釜的质量可靠性。现有的高压信号引出装置在设计方面存在问题，使得其可靠性和成品率不高。从产品可靠性和经济效益等方面考虑，研发新型可靠的高压信号引出装置显得尤为重要。

1 高压信号引出装置现状

1.1 高压信号引出装置的工作环境

根据压力釜的设计要求，高压信号引出装置直径尺寸为φ40 ~ φ80,外部工作环境压力为210 MPa,温度为200℃，高压信号引出装置内部元器件在220 V 电压下工作。高压信号引出装置在高温度、高压强工况环境下实现连接和密封。

1.2 高压信号引出装置的结构

高压信号引出装置的结构示意图如图1 所示。它由接头体、O 型密封圈、芯柱、接线柱、导管等组成。其中，连接头与芯柱采用氩弧焊焊接，接线柱与芯柱采用银焊封接。高压信号引出装置左端通过螺纹和O 型密封圈与压力釜进行密封连接。

1.3 存在的问题

原来的高压信号引出装置往往存在如下问题：

(1) 容易发生绝缘电线头脱落和轧断电线的现象。高压信号引出装置中有多个焊线柱，分别通过绝缘线与变压器、绝缘骨架等相连。高压信号引出装置与压力釜通过螺纹的相对转动进行连接，使得焊接在焊线柱上的绝缘线发生扭转，容易导致焊线头扭断脱落;绝缘线在连接前留有一定的富余量，在连接过程中，绝缘线容易被螺纹轧断。

(2) 氩弧焊焊接部分密封可靠性不高。从生产的统计数据来看，氩弧焊密封焊接的成品率只有50%.

(3) 接线柱容易损坏，造成高压信号引出装置泄漏。接线柱是由薄壁陶瓷管与铅丝通过高频封接而成的，它与芯柱采用银焊焊接实现密封。在仪器生产调试过程中，由于搬运、振动或人为因素容易造成陶瓷管破损或银焊处的损坏，造成漏气，导致整个高压信号引出装置报废。

(4) 导管的密封性差。在高压信号引出装置调试过程中，导管反复受到高温、高压介质的冲击，造成密封圈变形，导致导管泄漏，使高压信号引出装置报废。从生产的统计数据来看，导管的成品率约有40%.

(5) 高压信号引出装置成品率较低。由于高压信号引出装置的密封性差，部件可靠性低，严重影响了高压信号引出装置的成品率。生产统计数据显示，成品率只有20%~ 30%.

(6) 单件高压信号引出装置的成本较高。一方面芯柱的焊接属于银焊外协加工件，加工周期长、成本高;另一方面单个芯柱损坏后的不可修复性造成整个高压信号引出装置的整体报废，加大了生产成本，延长了加工周期。

2 新型高压信号引出装置的设计

对现有高压信号引出装置存在的问题进行分析可以得出，其可靠性低的主要原因是高压信号引出装置的密封性较差和零部件互换性差。为此，在高压信号引出装置的设计中采用互换性较高的密封塞和导管。其主要设计思想：一是采用标准密封塞替代银焊焊接的陶瓷接线柱;二是采用可分离式芯柱结构解决芯柱和连接头的相对转动问题;三是采用新型可靠的导管和压套;同时也优化设计了套管结构。

通过以上方法，提高了密封接头体的无故障性、耐久性和可维修性，从而确保高压信号引出装置的可靠性。

2.1 密封塞的可靠性实验

密封塞的可靠性对高压信号引出装置，乃至整个压力釜都具有重要作用。为了获得高可靠性的密封塞，通过分析、比较现有市场上的密封塞产品，选取了一种技术资料数据适合压力釜工况的密封塞，对该密封塞开展可靠性实验( 见表1~表3)。表1~ 表3 是随机抽取的30 个密封塞样品，以5 个密封塞为l 组，进行了6 个批次的可靠性实验。实验分4 个步骤：

(1)在常温常压和200℃常压条件下进行电绝缘性能实验;

(2)在装有密封塞的密闭容器中充入210 MPa 的高温导热油，在常温和200 ℃保温1 h 后分别用不同的检测试剂进行密封性检测;

(3)观察密封塞经过高温高压后的外观表象;

(4)对经过高温高压后的密封塞再进行常温常压电绝缘性能实验。

表1 到表3 所列是其实验结果。

实验结果表明：以高温导热油为实验介质，在200 ℃、210MPa、保温保压1 h 后密封塞无泄漏;在常温常压、200℃常压、高温高压实验后，密封塞的绝缘胶外观完好，电绝缘性能良好，合格率为100%.由此可以得出结论：密封塞能够较好满足高压信号引出装置工况。

2.2 新型高温信号引出装置的可靠性设计

本文所研制的新型高压信号引出装置的结构如图2 所示。

它由套管、O 型密封圈、密封引线插头、插座、密封塞、压套、导管和密封垫等组成。

图2 中，套管是新型高压信号引出装置的主要零件，需要对其进行强度核算;套管底部容易形成应力集中，故在底部采用适当的内斜角结构，以减少应力集中。

本设计采用分离式芯柱结构，以避免芯柱与套管在密封连接过程中的相对静止，同时也解决了高压信号引出装置和压力釜在装配和拆卸过程中的相对转动问题，并可避免高压信号引出装置密封塞上的引线被扭断脱落。O 型圈密封方式也避免了原来的氩弧焊工艺，提高了整个装置的可靠性，降低了工艺复杂性。

紫铜密封垫的使用保证了套管与压力釜间密封的可靠性。

3 实验验证

3.1 高压密封性实验

将高压信号引出装置与压力釜连接后，加热至200 ℃并增压至210 MPa,进行高温高压实验。实验结果显示：釜内压力变化为零，密封性良好;新型高压信号引出装置外观没有变形和裂纹等现象。3.2 电绝缘性能实验开展密封塞的电绝缘性能实验。在200 ℃高温条件下，以100 个密封塞为样件，进行200 V 的电绝缘检测筛选，合格99 件，合格率达到95%以上，符合压力釜元器件选用标准。

4 结 语

新型高压信号引出装置解决了密封性差的问题，改善了连接过程中绝缘导线容易损坏的状况，提高了产品的可靠性和成品率。而新材料、新产品的运用，则简化了部件的加工工艺，缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本。