0 引言
中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，在“双碳”目标的驱动下，太阳能热发电技术将在构建以绿色能源为主体的新型电力系统中发挥中坚作用[1-5]。太阳能热发电包括抛物面槽式发电[6-8]、塔式发电[9]、线性菲涅尔式发电和碟式聚光发电4种技术方式[10]，其中抛物面槽式发电商业化起步最早，商业化程度最为成熟[11-13]。球形接头是抛物面槽式发电站集热系统的关键部件之一，是动态旋转的集热管和静止不动的管路系统之间的重要连接件，50 MW槽式太阳能热发电站集热系统大约需要5 000个球形接头[14]。集热系统工作时，293~393 ℃高温导热油或其他传热介质由集热管经过球形接头流入管路系统中形成循环流动，动态旋转和高温工作条件下的球形接头容易发生卡涩和导热油等传热介质的泄漏问题[15]。球形接头发生卡涩会使得集热器转动阻力增加，导致真空吸热管结构变形和玻璃破碎等失效行为或故障[16-18]。导热油具有易燃性，一旦出现泄漏，容易发生火灾事故，并造成环境污染[19]。因此，很有必要对球形接头的转动扭矩和密封性等性能开展测试研究，避免将不合格的球形接头应用于集热系统中而影响电站正常运行。
目前，美国Hyspan公司研制了一台可测试球形接头扭矩的加速寿命测试的装置[20]，但该装置不能在线实时测试球形接头的密封性能和导热油泄漏量，也不能对导热油直接加热，而是通过电阻丝等方式先加热球形接头，再通过热传导使内部导热油温度升高。采用此种加热方式会导致所测试的球形接头表面温度与球形接头腔体内导热油实际温度存在较大偏差，也与球形接头在电站中的实际运行情况不相符。西班牙阿尔梅里亚太阳能热发电研究中心开发了集热器加速寿命测试系统，该系统可以模拟实际工作条件，在高温高压下测试连接器件的扭矩和载荷力的变化，以及吸热管热应力等，从而预测导热油泄漏发生的可能性，但该系统未考虑导热油泄漏量的测试[21-22]。
为解决上述问题，本文研制了一套能够对球形接头的扭矩和导热油泄漏量等重要技术参数进行在线实时检测的加速寿命测试系统，以保证合格或优质的球形接头应用于抛物面槽式太阳能发电站集热系统中。最后，利用该测试系统对球形接头进行了加速寿命性能测试，验证了系统的运行可靠性和应用价值。
1 球形接头工作原理
球形接头是槽式太阳能集热器的重要部件，在集热管的入口侧和出口侧一般分别安装有3个球形接头，以实现动态旋转的集热管与导热油管道的连接。图1为球形接头结构示意图，接头两侧分别与集热管侧和管道侧焊接，接头本体由球壳、球头和密封件组成，球头为中空腔体结构，密封件镶嵌于球头和球壳间，用以防止导热油流经球形接头腔体时发生泄漏。导热油工作温度为293~393 ℃，压力为2.0~3.0 MPa。球头和球壳结构上具有重合的球心，球头可绕图1所示中心轴线方向旋转任意±360°，球头相对球壳可在中心轴线所在的平面左右摆动±8°或更大，这种球头与球壳间相对的角度位移称为球体角位移。球形接头依靠角位移吸收或补偿导热油管道一个或多个方向上由热膨胀产生的位移。球形接头在抛物面槽式太阳能集热器中的安装位置如图2所示。
图1
图1
球形接头结构示意图
H—球形接头总长度；D1—球形接头最大外径；D2—球形接头最小外径。
Fig. 1
Structure of ball joint
图2
2 测试系统研制
2.1 测试系统的技术条件和功能要求
球形接头在工作过程中要求运转顺畅，阻力小，不发生导热油泄漏。为研究球形接头的工作性能和寿命，评测球形接头在槽式太阳能热发电站服役期间是否会发生导热油泄漏和运转卡涩等故障，基于球形接头工作原理以及以下技术条件和功能要求，研制了球形接头性能测试系统。
1）介质为导热油，最高运行温度不小于393 ℃，最大压力不小于4 MPa。
2）球形接头旋转角度范围为0°~215°，摆动角度范围为-7°~7°，往复1个角度范围称为1次循环。
3）每次循环用时约1 min，可连续运行测试设定的循环次数，也可以间歇运行累计测试完成设定的循环次数。
4）系统能够全自动实现球形接头的运动控制、数据采集和处理，以及导热油温度、压力调控。
2.2 测试系统硬件设计
槽式太阳能集热器球形接头测试系统主要包括机械平台及其测控装置、导热油调控装置，如图3所示。机械平台实现球形接头的旋转和摆动运动，测控装置实现机械机构的运动控制和测试参量的采集，导热油调控装置实现导热油介质在管道和球形接头内的循环流动。
图3
图3
球形接头测试系统组成示意图
Fig. 3
Schematic diagram of ball joint test system composition
机械平台及其测控装置通过上位机和可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)驱动控制电机旋转，实现球形接头测试件的2种运动：1）旋转运动，在0°~215°进行往复旋转；2）摆转运动，在-7°~7°进行往复摆动。旋转运动和摆转运动既可以独立执行，也可以联动同时执行。此外，机械平台及其测控装置还具有旋转扭矩测试、摆转扭矩测试、导热油高温气体泄漏测试、行程限位、球形接头工作状态实时监视、仪器工作温度条件监视、安全防护和报警等功能，因此，在机械平台组成机构中安装了相应的传感器。在机械平台及其测控装置中，旋转、摆转角度的控制精度以及扭矩、气体泄漏量的测量精度是影响整体系统测量精度的重要因素。为提高角度控制精度，减小机械旋转部件的间隙导致的角度误差，采用了行程开关和闭环控制方式，并精确定位行程开关位置，本文旋转角度定位精度为±0.6°，摆转角度定位精度为±0.13°。为提高扭矩的测量精度，系统采用Lorenz扭矩传感器，量程1 000 N∙m，测量精度为0.1%。气体泄漏测试仪的量程为0~2 000 μmol/mol，分辨为1 μmol/mol，精度≤±3%(满量程)。
导热油的物理和化学特性较为复杂，实验过程需要对存储在容器内的导热油进行良好的氮封和严格的温度压力调控，以避免导热油发生氧化反应和高温裂解[23]。基于导热油的特性和要求，研制的导热油调控装置如图4所示，该装置包括加热器、氮封调压系统、传热介质存储结构、导热油循环泵和数据采集仪器，其中氮封调压系统由氮气单元、压力传感器和压力调控单元组成。使用导热油调控装置自动或手动调节导热油的温度和压力，具有一定温度和压力的导热油被输送到球形接头中，然后返回系统，实现导热油在球形接头和调控系统中的循环流动。此外，也可以关闭球形接头出入口处电动阀门以截止导热油流经球形接头，然后开启旁路上电动阀门以形成导热油在调控系统内部的循环。导热油调控装置可实现的功能包括自动注油、气密性检测、注油排气、温度和压力稳定控制、数据采集，也可实现超温保护、压力异常和电机过载报警等安全保护功能。导热油调控装置的最高温度调控为(393±5)℃，最高压力调控为(4.0±0.3)MPa，图5和图6分别为系统调试时的温度和压力变化曲线，以393 ℃为设定温度，调试过程中温度变化范围为392~394 ℃；以4.1 MPa为设定压力，调试过程中压力变化范围为4.03~4.13 MPa。导热油温度和压力调控都比较稳定，温度波动范围为±1 ℃，压力波动范围为±0.07 MPa，导热油介质的调控精度满足使用要求。
图4
图4
导热油调控装置示意图
①—导热油循环泵；②—电动阀门1；③—电动阀门2；④—电动阀门3；⑤—氮气入口；⑥—氮气出口；⑦—注油口；⑧—球形接头入口；⑨—球形接头出口。
Fig. 4
Schematic diagram of heat conduction oil adjustment device
图5
图6
2.3 测试系统软件设计
测试系统的软件开发旨在通过上位机人机交互界面实现系统各项功能的全自动控制、监视以及数据采集、分析并可视化等，软件开发内容包括2部分：一是机械平台执行机构的运动控制，扭矩和泄漏量等技术参数的数据信息采集、分析、存储、报表生成，实验工况条件的参数设定，以及球形接头运动状态的监视和安全保护；二是自动实现导热油温度、压力调控，注油、气密性检测、注油排气和安全保护功能，以及温度、压力数据信息的采集、分析、存储和报表生成。图7为测试系统对球形接头进行性能和寿命测试时的软件程序流程图，其中Tset和pset分别为实验时温度和压力的设定值；卡涩扭矩设定值Mset和泄漏量设定值Qset可根据球形接头的技术条件要求确定，它们是评判球形接头力学性能、密封性和寿命的主要技术参数。球形接头测试可连续完成，也可分为k轮测试间歇完成，每轮的实验工况条件可按要求设定不同值，每轮循环次数设定为Ni，其中i=1, 2, 3, …, k，则累计循环次数Nk 满足如下要求：
图7
如果被测球形接头泄漏量超过设定值，此时对应的累计循环次数Nk 则可表示其寿命。
3 测试系统的应用
3.1 球形接头测试实验台
本文所研制的测试系统目前主要应用于50 MW槽式太阳能热发电站使用的第一批国产化球形接头的性能测试。被测球形接头总长127 mm，最大外径136 mm，两端焊接不锈钢管并通过法兰连接方式接入测试系统中，如图8所示。通过测试球形接头验证测试系统的运行性能。
图8
3.2 变工况条件下的球形接头测试
抛物面槽式太阳能热发电站在实际运行时的启停时刻或者在阴天云遮条件下，导热油的温度会频繁发生变化。根据球形接头在电站中使用的实际工况条件，本文研制的测试系统以联苯和联苯醚合成的导热油为传热介质，在导热油温度和压力均发生改变的条件下，对球形接头进行了旋转测试，测得的旋转扭矩结果如表1所示。
表1 变工况下的球形接头扭矩测试结果
Tab. 1
| 类别 | 温度/压力 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
200 ℃/ 1.0 MPa | 250 ℃/ 1.0 MPa | 293 ℃/ 1.0 MPa | 293 ℃/ 1.7 MPa | 350 ℃/ 2.1 MPa | 393 ℃/ 2.6 MPa | |
| 最大旋转扭矩/(N∙m) | 312.25 | 248.91 | 256.69 | 405.49 | 450.95 | 505.32 |
| 平均旋转扭矩/(N∙m) | 261.37 | 209.46 | 224.16 | 351.53 | 392.20 | 455.60 |
测试结果表明，随着导热油温度和压力的提高，球形接头的最大旋转扭矩和平均旋转扭矩总体上均呈现上升的趋势。测试过程中，温度和压力控制稳定，系统各组成部件运行正常。
3.3 高温工况下的球形接头测试
导热油的最高工作温度在393 ℃，压力为2.0~3.0 MPa，在设定温度为393 ℃和压力为2.3 MPa的工况条件下对球形接头进行性能测试研究，图9为被测试中的球形接头。
图9
在导热油温度设定为393 ℃，压力设定为2.3 MPa的工况条件下，球形接头在旋转模式、摆转模式和旋摆联动模式下分别测试的循环次数为2 179、2 477和8。3种运行模式下旋转扭矩和摆转扭矩的变化趋势如图10所示，可以发现，在旋转模式和旋摆联动模式下，旋转扭矩和摆转扭矩同时存在，但旋转扭矩远大于摆转扭矩。这是因为球头与球壳之间在密封件的作用下紧密接触，旋转或摆转时会产生摩擦阻力，因而产生扭矩。此外，球头与球壳中心重合度会存在偏差，在旋转模式下也会存在轻微的摆转扭矩。旋转的角度范围远大于摆转角度，使得抵抗摩擦阻力产生的扭矩大大增加，因而旋转扭矩明显大于摆转扭矩。在摆转模式下，最大旋转扭矩发生在启动时刻，随后大幅度降低，平均旋转扭矩只有7 N∙m左右，因此，摆转模式下的旋转扭矩可以忽略。在测试过程中，最大旋转扭矩发生在旋转模式下，而最大摆转扭矩发生在旋摆联动模式下而非摆转模式下，这是因为旋摆联动模式下，除了摆转本身产生的摆转扭矩外，旋转运动也会伴随发生一定的摆转扭矩，两者相叠加，使得摆转扭矩增大。
图10
根据球形接头的工作原理，当球头与球壳发生相对旋转或摆转运动时，将与嵌入其间的密封件产生摩擦，导致密封件磨损而降低密封性能，严重时将会发生工作介质泄漏。因此，球形接头的密封性是评价其质量优劣的重要指标。本文所研制的测试系统可以实时监测被测球形接头的导热油泄漏量，为评测其密封性提供数据支撑。导热油在290 ℃以上工作温度发生泄漏时会以烟雾状从密封处冒出，因此测试系统采用挥发性气体测试仪对泄漏量进行在线检测。抛物面槽式集热器在对日跟踪工作时，每天最大旋转角度在0°~215°范围内，相应地，球形接头同步旋转或摆转，摆转角度范围要求在-7°~7°，每天累计工作1次循环。本文累计测试4 664次循环，相当于模拟了球形接头4 664 d的工作时间，如果按电站每年运行365 d计算，则被测球形接头的使用寿命约为12年。测试过程中，被测球形接头在旋转模式和摆转模式下均未发生泄漏。图11为被测球形接头在旋摆联动模式下导热油气体泄漏量的变化曲线，可知导热油泄漏量最大值为50.2 μmol/mol，远小于挥发性有机物控制标准值[24]，从泄漏发生到自行恢复正常用时约为1 h。
图11
旋摆联动模式下被测球形接头扭矩变化趋势如图12所示，可以发现：旋转扭矩大于摆转扭矩；随着循环次数的增加，旋转扭矩和摆转扭矩都有逐渐增大的趋势；每个往复运动的旋转角度和摆转角度范围内扭矩变化趋势一致；旋转扭矩值的波动范围大于摆转扭矩值波动范围。
图12
图12
旋摆联动模式下球形接头的扭矩变化
Fig. 12
Torque change of the ball joint in the rotational-angular motion
4 结论
针对球形接头易发生运转卡涩和导热油泄漏问题，研制了球形接头性能测试系统，并在导热油温度为393 ℃和压力为2.3 MPa工况条件下对球形接头的扭矩和导热油泄漏量进行实时监测，得出如下结论：
1）经过4 664次循环的加速寿命测试，模拟的球形接头寿命约为12年，导热油泄漏发生时间约1 h，最大泄漏量为50.2 μmol/mol，泄漏量远小于控制标准范围，可以忽略不计。
2）在旋转模式下旋转扭矩较大，且同时伴随着一定的摆转扭矩；而摆转模式下的摆转扭矩较大，但旋转扭矩几乎为0；旋摆联动模式下，旋转和摆转扭矩都比较大：因此，旋转模式和旋摆联动对球形接头的工作性能具有较大的影响。
3）通过对球形接头的测试，验证了所研制的球形接头测试系统运行的稳定性和可靠性，其各项功能和技术指标的测量精度满足使用需求，可为抛物面槽式太阳能集热器球形接头质量和性能评价提供技术支撑。
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