Camdan Metale Sızdırmazlık Yapılarının Optimize Edilmiş Sızdırmazlık Süreci ve Gerçek Zamanlı İzlemesi

Özet

Sızdırmazlık işlemini optimize etmek ve metalden cama (MTGS) yapısının gerçek zamanlı olarak izlenmesini sağlamak için gerekli prosedürler ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Gömülü fiber Bragg ızgara (FBG) sensörü, mtgs'de aynı anda çevresel basınç izleme ile sıcaklık ve üst düzey artık gerilimin çevrimiçi izlenmesini sağlamak üzere tasarlanmıştır.

Özet

Artık gerilim, camdan metale bir sızdırmazlık yapısının hermetiliğini ve sağlamlığını korumak için önemli bir faktördür. Bu raporun amacı, sızdırmazlık malzemelerinin yalıtımı ve hermetiliğini yok etmeden camdan metale bir sızdırmazlık yapısındaki artık gerilimi karakterize etmek ve ölçmek için yeni bir protokol göstermektir. Bu araştırmada femto-lazer yazılı fiber Bragg ızgara sensörü kullanılmıştır. Ölçülen camdan metale conta yapısı metal bir kabuk, sızdırmazlık camı ve Kovar iletkeninden oluşur. Ölçümleri değerli kılmak için, metalden cama mühür (MTGS) yapısının özel ısıl işlem yöntemi incelenir ve en iyi hermetisite ile model elde edilir. Daha sonra, FBG sensörü sızdırmazlık cam yoluna gömülü ve sıcaklık RT soğur gibi cam ile iyi erimiş olur. FBG Bragg dalga boyu cam sızdırmazlık üretilen artık gerilim ile kaydırın. Artık gerilimi hesaplamak için Bragg dalga boyu kayması ve gerinim arasındaki ilişki uygulanır ve sonlu elemanlar yöntemi de sonuçları güvenilir hale getirmek için kullanılır. Sızdırmazlık camında artık gerilimin çevrimiçi izleme deneyleri, bu protokolün işlevlerini zorlu ortamlarda genişletmek için yüksek sıcaklık ve yüksek basınç gibi farklı yüklerde gerçekleştirilir.

Giriş

Metal-to-cam sızdırmazlık disiplinlerarası bilgi (yani, mekanik, malzeme ve elektrik mühendisliği) birleştiren sofistike bir teknolojidir ve yaygın havacılık¹, nükleer enerji², ve biyomedikal uygulamalar da uygulanır ³. Organik malzeme sızdırmazlık yapılarına göre daha yüksek sıcaklık ve basınç dayanıklılığı gibi benzersiz avantajları vardır. Termal genleşme katsayısı (CTE) farkı göre, MTGS iki tipe ayrılabilir: eşleşen mühür ve uyumsuz mühür⁴. Eşleşen sızdırmazlık gelince, cte metal(α metal) ve sızdırmazlık cam (α_cam)sızdırmazlık malzemeleri termal stresi azaltmak için hemen hemen aynıdır. Ancak, sert ortamlarda (yani, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç) sızdırmazlık yapısının iyi hermeticity ve mekanik sağlamlığını korumak için, uyumsuz mühür eşleşen mühür daha iyi performans görüntüler. α_metal ve α_camarasındaki fark nedeniyle, MTGS yapısının yapıştırma işleminden sonra sızdırmazlık camında artık gerilim oluşturur. Artık gerilim çok büyükse (eşik değerini bile aşsa), sızdırmazlık camı çatlaklar gibi küçük kusurlar görüntüler. Artık gerilim çok küçükse, sızdırmazlık camı her meticity kaybeder. Sonuç olarak, artık stres değeri önemli bir ölçümdür.

MTGS yapılarında artık stresin analizi, dünya çapında birçok grubun araştırma çıkarlarını ortaya çıkarmıştır. Eksenel ve radyal stresin sayısal modeli ince kabuk^teorisi5'e dayalı olarak oluşturulmuştur. Sonlu elemanlar yöntemi, deneysel sonuçlar^6,7ile tutarlı olan annealing işleminden sonra bir MTGS yapısının küresel stres dağılımını elde etmek için uygulanmıştır. Ancak, küçük boyut ve elektromanyetik girişim içeren sınırlamalar nedeniyle, birçok gelişmiş sensörler bu koşullar için uygun değildir. Girinti çatlak uzunluğu yöntemi MTG sızdırmazlık malzemesi artık stres ölçmek için bildirilmiştir; ancak, bu yöntem yıkıcı ve cam stres değişiklikleri gerçek zamanlı online izleme elde edemedi.

Fiber Bragg ızgara (FBG) sensörleri boyutu küçük (~ 100 μm) ve elektromanyetik girişim ve sert ortamlara dayanıklı⁸. Buna ek olarak, elyaf bileşenleri sızdırmazlık cam (SiO₂₎benzer, bu nedenle FBG sensörleri hermeticity ve sızdırmazlık malzeme yalıtımı üzerinde hiçbir etkisi yoktur. FBG sensörleri kompozit yapılarda kalan gerilim ölçümü ne uygulanmıştır^9,10,11, ve sonuçlar iyi ölçüm hassasiyeti ve sinyal tepkisi gösterdiğini göstermiştir. Eşzamanlı sıcaklık ve stres ölçümleri bir optik fiber^12,13üzerinde fiber Bragg ızgara dizileri ile elde edilebilir.

Bu çalışmada FBG sensörüne dayalı yeni bir protokol gösterilmiştir. Özel MTGS yapısı için uygun hazırlık, MTGS yapısının iyi hermeticity sağlamak için maksimum ısı sıcaklığı ayarlayarak keşfedilmiştir. FBG sensörü, ısıl işlemden sonra FBG ve camı birleştirmek için hazırlanan sızdırmazlık yoluna gömülür. Daha sonra, artık stres FBG Bragg dalga boyu kayması ile elde edilebilir. FBG sensörlü MTGS yapısı, değişen yükler altında artık gerilimin çevrimiçi olarak izlenmesini sağlamak için yüksek sıcaklık ve yüksek basınç ortamları altına yerleştirilir. Bu çalışmada, FBG sensörlü bir MTS yapısı üretmek için ayrıntılı adımlar özetlenmiştir. Sonuçlar bu yeni protokolün fizibilitesini göstermekte ve bir MTGS yapısının başarısızlık tanısıiçin temel oluşturmuştur.

Protokol

1. MTGS yapısının iyi hermetisite ile üretimi

NOT: MTGS yapısı için prosedürler kombine yapıbileşenleri için preparatlar, ısıl işlem süreci ve MTGS örneklerinin performansı için muayeneiçerir. MTGS'nin tamamı çelik kabuk, Kovar iletkeni ve sızdırmazlı camdan oluşur. Sırasıyla Şekil 1 ve Tablo 1'de gösterilen diyagramve boyutlara bakın.

1. Kalıba toz haline tanecikli cam tozunu (~1,1 g) dökün, ardından kalıbı Şekil 2a,b'degösterildiği gibi granül camişlemek için pres makinesine yerleştirin.
2. Şekil 2c,d'degösterildiği gibi granül camı cam silindire sıkıştırmak için pres makinesini (kırmızı düğmeye basın) açın.
   NOT: Cam silindirin yoğunluk kontrolü MTGS yapısının performansı için önemlidir, çünkü cam silindirdeki çok fazla gözenek MTGS yapısının hermetisite arızasına yol açacaktır.
3. Cam silindiri sinterlenecek ısıtma fırınına yerleştirin (Bkz. Şekil3).
4. Sinterlenmiş cam silindir, çelik kabuk ve Kovar iletkeni Şekil4'te gösterildiği gibi özel bir grafit conta ile üretilmektedir. Bu modeli ısıtma fırınındaki kuvars septumun üzerine ısıl işlem için bir pençe kullanarak yerleştirin (Bkz. Şekil4). Optik fiberin kırılmasını önlemek için soğutma hızını 0,5 °C/dk olarak tutun.
5. Modeli ısıtma fırınından aldıktan sonra sızdırmazlık camının yüzey topografyasını belirlemek için görsel incelemeyi kullanın.
6. MTGS modelinin hermetisite incelemek için yüksek basınç boru hattı kullanın. Modeli kart kılıfı tipi eklemile boru hattına takın. Basıncı yavaş yavaş 1 MPa'dan 8 MPa'ya değiştirin ve her basıncı 24 saat tutun.
7. Şekil5'te gösterildiği gibi sızdırmazlık camı ile metal parçalar arasındaki mikroskobik arabirimi tanımlamak için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanın. Arayüzü net bir şekilde gözlemlemek için 15 kV ve 500x büyütme kullanın.
   NOT: Macrography muayenesi ve SEM sonuçlarından, standart maksimum ısıtma sıcaklığı 450 °C olarak ayarlanır ve mtgs modelini iyi bir şekilde elde edilir. Standart ısıtma işlemesi şu şekilde tanımlanır: (oda sıcaklığı) RT'den 5 °C/dk'lık artışlarla sıcaklığı 450 °C'ye çıkarın, ardından sıcaklığı 0,5 °C/dk olarak RT'ye düşürün.

2. Sızdırmazlık camında artık gerilim ölçümü

NOT: FBG sensörü MTGS'deki gerilimi ölçmek için uygun bir yöntem olarak tasarlanmıştır. FBG sensörünün ızgara uzunluğu, camYüksekliğine (5 mm) uyacak şekilde 5 mm'dir.

1. 1.1-1.2 adımlarında açıklandığı gibi toz cam tozunu cam silindire sıkıştırın.
   NOT: Cam silindirin yüksekliği önemlidir, çünkü silindir çok yüksekse (>6 mm), cam malzemeyi yok etmeden FBG sensörü için bir yol yapmak zor olacaktır.
2. Optik fiber sensörler (çapı 0,45 mm) için yollar hazırlamak için üç eşit aralıklı delikler üretmek için 5.000 rpm matkap hızı kullanarak cam silindir matkap. Şekil4'te gösterildiği gibi aynı ısıl işlem kullanarak delikleri ile cam silindir sinter .
3. Adım 1.4'te açıklandığı gibi MTGS modelini üretin. Daha sonra, cam sızdırmazlık yolu üzerinden lif koymak ve tam cam içinde FBG ızgara bölgesi konumu.
   NOT: Dikey fırındaakış FBG ve cam uyumsuzluk yol açan ızgara bölge, havaya uçurmak çünkü, optik fiber kuyruk FBG konumunu doğru tutmak için küçük bir çivi ile asılı olmalıdır.
4. Füzyon splicers tarafından bir FC konektörü ile optik fiber başkanı sigortalayın. Daha sonra FC konektörünü, FBG'nin dalga boyu verilerini ve spektrumunun demodüle etmek için bir sorgulayıcı olan OPM-T400 ile eşleştirin. OPM-T400 bir bilgisayara bağlıdır ve bilgisayardaki destekleyici yazılım deneysel veri elde edebilir.
5. Daha önce elde edilen standart ısıl işlem ile bir fırında tüm model süreci. Sıcaklığı RT'den 450 °C'ye 5 °C/dak olarak yükseltin ve sıcaklığı 0,5 °C/dk artışlarla RT'ye düşürün. Issız bölge erimek için ısıtılır gibi sızdırmazlık cam ile erimiş olacak. Sıcaklık RT'ye soğuduğunda, cam katılaşır ve FBG sensörü sızdırmazlık malzemesi ile iyi kaynaşacaktır.
6. Yazılımı kullanarak gerçek zamanlı Bragg dalga boyu verilerini kaydedin (Şekil 6'da gösterilmiştir). Dalga boyu ve spektrum değişikliklerini indükleyen tek faktör sızdırmazlık camında oluşan artık gerilimdir, çünkü bu adımdan önceki ve sonraki sıcaklık her ikisi de RT'dir.

NOT: Artık gerilim, aşağıda gösterildiği gibi FBG¹⁴ ve Hook yasasının gerinim dalga boyu ilişkisi ile hesaplanabilir.

Nerede: Δλ_B kalıntı gerilim tarafından indüklenen Bragg dalga boyu kayması, λ_B FBG ilk dalga boyu, P_e gerinim optik katsayısı, ε kalıntı camda gerilme, E sızdırmazlık cam Young modülü, ve σ cam artık strestir.

3. Yüksek sıcaklık altında MTGS yapısının arızalanmasını önlemek

NOT: Yüksek sıcaklıkta çalışırken, Çelik kabuğun ısıl genişlemesi sızdırmazlık camındaki artık gerilimin azalmasına yol açtığı için MTGS yapısının hermetiliği etkilenecektir. Böylece, bu protokol, sızdırmazlık camında kalan gerilim değişiminin online olarak izlenmesi nedeniyle hermetisitenin arızalanmasını önleyebilir.

1. Adım 1.4'te yapıldığı gibi MTGS modelini üretin. Aynı anda sıcaklık ve stresi izlemek için FBG türü, bu iki sensör arasında 10 mm mesafe ile, bir fiber üzerinde iki ızgara bölgeleri de dahil olmak üzere fiber Bragg ızgara dizi sensörü vardır.
   NOT: Bu iki ızgara FBG-1 ve FBG-2 olarak tanımlanır. FBG-1 ve FBG-2'nin ilk Bragg dalga boyları sırasıyla 1545 nm ve 1550 nm'dir.
2. Stres ve sıcaklığı izlemek için FBG-1'i sinterlenmiş cam silindire yerleştirin. Şekil 7a,b'de gösterildiği gibi, yalnızca sıcaklığı izlemek için FBG-2'yi camın dışına yerleştirin. Bu şekilde, FBG-1 hem sıcaklık hem de artık stres değişiminden etkilenir ve FBG-2 sadece sızdırmazlık camının sıcaklığından etkilenir.
3. MTGS modelini optik fiberli fırına 2.2-2.3 adımlarında açıklandığı gibi yerleştirin. MTGS modelini gömülü bir FBG sensörüyle işlemek için standart ısıl işlem yöntemini kullanın.
4. 100 °C, 200 °C, 300 °C ve 400 °C sıcaklıklarını modele uygulayın ve her sıcaklığı 100 dk tutun.

NOT: FBG-1, Bragg dalga boyu kayması Δλ_B-1olarak aynı anda ifade edilen stres ve sıcaklığı izler ve FBG-2 şekil 8a,b'degösterildiği gibi Δλ_B-2 ile sıcaklık değişimini izler. Bragg dalga boyu kayması ve ölçülen parametreler arasındaki ilişkiler aşağıdaki gibi gösterilmiştir:

Nerede: termo-optik katsayısı, α optik fibertermal genleşme katsayısı ve ΔT deney öncesi ve sonrası sıcaklık değişimidir. Artık gerilimin neden olduğu Δλ_B-3, ΔλB-2'den Δλ _B-1'in çıkarılarak ayrılabilir (bkz. Şekil 8c). Bu yüksek sıcaklıklarda sızdırmazlık cam eşzamanlı sıcaklık ve stres izleme için demodülasyon yöntemidir.

4. Yüksek basıncın izlenmesi

NOT: MTGS yapısındaki basınç yüklerinin sızdırmazlık camındaki artık gerilim üzerinde etkileri olacaktır, bu nedenle gömülü FBG sensörlü MTGS modeli yüksek basınç değişimini izlemek için potansiyel bir yöntemdir.

1. Adım 2.2-2.3'te açıklandığı gibi FBG sensörü ile aynı MTGS modelini hazırlayın. FBG MTGS modeli ile iyi erimiş sonra, fırın modeli çıkarmak için pençe kullanın.
2. Şekil9'da gösterildiği gibi, ısırık tipi tüp bağlantı parçaları ile FBG sensörü ile MTGS modelini yüksek basınçlı helyum boru hattına üretin. Sızdırmazlık yapısına değişen basınç yükleri dayatmak için valfi azaltan basınç la 1 MPa'dan 7 MPa'ya kadar basıncı ayarlayın.
3. Bragg dalga boyu kayması Δλ_B Şekil 10'dagösterildiği gibi kaydedilir. Aynı zamanda, ilgili kalıntı gerilim değişimi Denklem 1 ve Denklem 2kullanılarak hesaplanabilir.

5. MTGS yapısının teorik analizi

1. MTGS yapısı için 3B modeli oluşturmak için modelleme yazılımını kullanın ve boyutlar deneysel modeli ve teorik modeli tutarlı tutmak için Tablo 1'den alınır.
2. 3B modelini sonlu elemanlar çözümleme yazılımına aktarın. Tablo2'de gösterildiği gibi çelik kabuk, sızdırmazlık camı ve Kovar iletkenine mekanik özellikler atayın.
3. Tüm modelin ızgara türü Hex şeklidir (Bkz. Şekil 11). Sızdırmazlık cam ve çelik kabuk örgü yöntemi süpürme ve Kovar iletken yapılandırılmış yöntem le meshed olduğunu. Teorik sonuçların doğruluğunu garanti etmek için sızdırmazlık camının örgüsünü hassaslaştırın. Kovar iletken, sızdırmazlık cam ve çelik kabuk eleman sayısı sırasıyla 143700, 20350 ve 13400'tür.
4. Statik çözümleme adımının ilk artışını, minimum artışını ve statik çözümleme adımının maksimum artışını sırasıyla 0,01, 1,00 x 10^-8 ve 1,00 x 10^-2olarak ayarlayın.
5. Sızdırmazlık camı ve metal parçalar arasındaki arabirimlerin sınırlandırıldığından emin olun. İlk olarak, MTGS modelinin katılaşma ilerlemesini simüle etmek için değişen sıcaklık yükünü (370 °C'den 20 °C'ye) uygulayın. Bu işlemden sonraki gerilim dağılımı Şekil 12'degösterilmiştir.
6. Termal yükler altında çevrimiçi izleme deneylerini simüle etmek için tüm modele farklı sıcaklıklar (100 °C'den 400 °C'ye kadar) uygulayın. Diğer koşullar altında, değişen basınç yükleri (1 MPa'dan 7 MPa'ya) yüksek basınç altında çevrimiçi izlemeyi simüle etmek için sızdırmazlık casına uygulanır. Sınır koşulları Şekil 13'tegösterilmiştir.
7. Tüm modelin gerilim ve gerinim dağılımının sayısal sonuçları Şekil 14'tegösterilen hedef dosyadan elde edilir. Şekil13'te gösterilen sızdırmazlık camındaki analiz yolunu ayıklayın ve bu pozisyon Şekil 6a'daki FBG sensörleri için izleme yoludur ve FBG'nin ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırma sağlayın.

Sonuçlar

Şekil5'in sonuçlarından, yüksek basınç dayanımı na sahip MTGS modellerini üretmek için standart ısıl işlem araştırılır ve modeller muayeneleri (örn. ışık iletimleri, basınç dayanıklılığı, SEM, vb.) karşılayabilir. Böylece üretilen MTGS yapısı hermetisitenin zorlu ortamlarda tutulması için uygulanabilir.

FBG, MTGS yapısı ile iyi kaynaştırılabilir ve sızdırmazlık camındaki artık gerinim, Şekil

Tartışmalar

Yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta MTGS yapısının sızdırmazlık malzemesinin gerilim ölçümü için kritik adımlar 1) ızgara bölgesisızma camın ortasında bulunan FBG sensörü ile MTGS modellerinin imalatı; 2) standart bir ısıl işlem süreci kullanarak tüm modelin ısıtma, ve model RT soğuduktan sonra, FBG sensörü iyi MTGS modeli ile erimiş olacak, ve artık stres Bragg dalga boyu kayması ile ölçülebilir; 3) değişen termal yükleri deneyimlemek için fırıniçine tam model yerleştirer...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
ABAQUS	Dassault SIMULA	ABAQUS6.14-5	The software to carry out numerical simulation.
Fiber Bragg grating sensors	Femto Fiber Tec	FFT.FBG.S.00.02 Single	apodized FBG
Fusion splicer	Furukawa Information Technologies and Telecommunications	S123M12	FITEL's line of fusion splicers provides an excellent solution for both field and factory splicing applications?
Glass powder	Shenzhen Sialom Advanced Materials Co.,Ltd	LC-1	A kind of low melting-point glass powder (380?).
Graphite mold	Machining workshop of Tsinghua University	Graphite	The mold to locate each part of the metal-to-glass structure.
Heating furnace	Tianjin Zhonghuan Electric Furnace Technology Co., Ltd	SK-G08123-L	vertical tubular furnace
Kovar conductor	Shenzhen Thaistone Technology Co., Ltd	4J29	A common material used for the electrical penetration in the metal-to-glass seal structure
Optical interrogator	Wuhan Gaussian Optics CO.,LTD	OPM-T400	FBG spectrum analysis modules
Pro/Engineer	Parametric Technology Corporation	PROE5.0	The software to establish the 3D geometry.
Steel shell	Beijing Xiongchuan Technology Co., Ltd	316 stainless steel	A kind of austenitic stainless steel