CN104063624A - 螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统 - Google Patents

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李翔
贾国栋
王辉
谢国山
景为科
王伟华
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Abstract

本发明提供了一种螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，其特征在于，包括：数据处理模块，将试验得到的关于螺栓、垫片和法兰的基础数据进行处理，以建立所述螺栓、所述垫片和所述法兰之间的关系模型；数据计算模块，基于所述数据处理模块得到的所述螺栓、所述垫片和所述法兰之间的关系模型，计算系统泄漏率；安全评价模块，将所述数据计算模块得到的泄漏率数值与系统预设的安全性能等级进行比较，得到系统泄漏率级别；垫片选择模块，基于所述法兰安全评价模块得到的系统泄漏率级别，选择系统所需的垫片。本发明的安全评估系统能够提高螺栓垫片法兰连接系统的安全管理性。

Description

螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统
技术领域
本发明涉及一种安全评估系统，尤其涉及一种螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统。
背景技术
法兰连接是压力容器的一种静密封结构形式，它被广泛应用到石油化工装置中。法兰分为容器法兰和管道法兰。容器法兰作为重要的连接构件得到了广泛的应用，且要求其具有足够的强度和可靠的密封性能。其密封性能取决于螺栓、垫片和法兰的变形协调关系。由于许多管道和容器是长期在高温高压工况下运行，而温度对法兰连接系统的各个构件有着很大的影响，高温下的法兰连接密封性能问题是温度场与结构场的耦合问题，温度会引起各个构件不同程度的热胀冷缩，变形协调关系比较复杂，很难准确的得到螺栓、垫片和法兰之间的变形协调关系，从而不能有效的对螺栓垫片法兰连接密封的安全性能进行评估。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据计算的系统泄漏率来判定系统的泄漏率级别，从而根据泄漏率级别来合理的选择垫片，以确保螺栓垫片法兰连接密封的高安全性的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，包括：
数据处理模块，将试验得到的关于螺栓、垫片和法兰的基础数据进行处理，以建立所述螺栓、所述垫片和所述法兰之间的关系模型；
数据计算模块，基于所述数据处理模块得到的所述螺栓、所述垫片和所述法兰之间的关系模型，计算螺栓垫片法兰连接系统的系统泄漏率；
安全评价模块，将所述数据计算模块得到的泄漏率数值与系统预设的安全性能等级进行比较，得到系统泄漏率级别；
垫片选择模块，基于所述法兰安全评价模块得到的系统泄漏率级别，选择系统所需的垫片。
优选地，还包括失效分析模块，其通过对由螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行应力场计算和温度场计算，从而对系统进行失效分析。
优选地，所述系统预设的安全性能等级包括级别Ⅰ、级别Ⅱ和级别Ⅲ，其中当所述系统的泄漏率处于范围(b，a]时，为级别Ⅰ；当所述系统泄漏率处于范围(c，b]时，为级别Ⅱ；当所述系统的泄漏率处于范围(-∞，c]时，为级别Ⅲ，
其中a>b>c，且它们为等差为10-2的等差数列。
优选地，所述a为2.0×10-2，所述b为2.0×10-4，所述c为2.0×10-6。
优选地，所述垫片选择模块基于所述系统泄漏率的级别，选择不同型式的法兰，进而根据所选择的法兰型式选择垫片。
优选地，对系统进行失效分析包括：所述失效分析模块根据所述螺栓、所述垫片和所述法兰的材料性能数据和结构性能数据，对由所述螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行应力场计算；所述失效分析模块根据所述螺栓、所述垫片和所述法兰的内表面温度、外表面温度和对流换热系数，对由所述螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行温度场计算；以及基于所述应力场计算和温度场计算的结果，模拟系统失效计算模型，得到系统失效分析结果。
本发明的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统首先根据试验获得的螺栓、垫片和法兰的基础数据来计算系统的泄漏率，将计算的泄漏率与预设的安全性能等级进行比较，以得到泄漏率级别，从而根据泄漏率级别来合理的选择垫片，能够有效的对系统的密封安全性进行评估，且能有效的避免密封泄露问题。此外，还对系统进行失效分析，避免由于长期的运作所导致的潜在的管道安全问题，避免不必要的经济损失。
附图说明
图1是本发明的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统的结构示意图。
图2是本发明的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统的安全性能级别评估流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统的结构示意图。
如图1所示，本发明的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统包括数据处理模块1、数据计算模块2、安全评价模块3、垫片选择模块4和失效分析模块5。
其中，数据处理模块1用于将试验得到的关于螺栓、垫片和法兰的基础数据进行处理，以建立螺栓、垫片和法兰之间的关系模型。具体地，可通过材料本构方程试验分别获得的螺栓、垫片和法兰的压缩量数据、动力粘度数据、应力数据进行处理，以得到螺栓、垫片和法兰的压缩量与应力之间的关系K1、K2、K3，以及通过垫片的密封性试验得到的垫片残余应力、压力、温度和泄漏率之间关系K4。然后通过得到的关系K1、K2、K3和K4建立变形协调方程。关于变形协调方程的建立，可以采用现有技术的相关方法来建立。
接着，数据计算模块2基于数据处理模块1得到的所述螺栓、所述垫片和所述法兰之间的关系模型(变形协调方程)，计算螺栓垫片法兰连接系统的系统泄漏率。当然，也可以通过法兰的有限元分析来得到系统泄漏率。
接着安全评价模块3将数据计算模块2得到的泄漏率数值与系统预设的安全性能等级进行比较，得到系统泄漏率级别。系统预设的安全性能等级包括级别Ⅰ、级别Ⅱ和级别Ⅲ，其中当系统的泄漏率处于范围(b，a]时，为级别Ⅰ，属于经济、标准的紧密度级别；当系统泄漏率处于范围(c，b]时，为级别Ⅱ，属于标准、紧密的紧密度级别；当系统的泄漏率处于范围(-∞，c]时，为级别Ⅲ，属于紧密、严密、极密的紧密度级别，其中a>b>c，且它们为等差为10-2的等差数列。根据实际经验计算的结果，a为2.0×10-2，b为2.0×10-4，c为2.0×10-6。具体的评定流程如图2所示。
如图2所示，首先在安全评价模块3中输入垫片预紧应力、操作压力、操作温度、垫片螺栓和法兰的尺寸和材料参数等基础数据，然后计算预紧时垫片压缩量、螺栓载荷、法兰弯矩；接着计算在操作温度下螺栓和法兰的弹性系数，设定操作工况下垫片的压缩量，计算操作工况下垫片的残余压紧力、螺栓载荷和法兰弯矩等；根据以上处理数据获得关于螺栓、垫片和法兰的变形协调方程，并根据变形协调方程计算系统泄漏率，得到计算结果≤ε；然后基于计算结果计算螺栓法兰连接系统的泄漏率，如果泄漏率≤最大允许泄漏率，则输出评价结果。此外，可在计算过程中根据计算结果来调整压缩量。最后根据评价结果来评定系统的安全性能级别，得到系统泄漏率级别。
接着，垫片选择模块4基于安全评价模块3得到的系统泄漏率级别，选择系统所需的垫片。根据法兰材料、公称压力和公称直径，得到法兰的连接形式、密封面形式和法兰的尺寸，垫片选择模块4基于法兰的选型结果和不同的系统泄漏率级别I、II和III，进一步来选择垫片。具体地，可根据系统的工作压力、工作温度和介质来确定法兰材料，然后根据公称压力和公称直径选择法兰连接形式和密封面形式，得到法兰尺寸。然后根据兰连接形式和密封面形式选择垫片的种类和材料，进而得到垫片的具体型式和尺寸，以及根据法兰尺寸和垫片尺寸来选择螺栓螺母材料、型式和尺寸。
此外，本发明还包括失效分析模块5，其通过对由螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行应力场计算和温度场计算，从而对系统进行失效分析。具体地，失效分析模块5根据螺栓、垫片和法兰的材料性能数据和结构性能数据，对由螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行应力场计算；接着根据螺栓、垫片和法兰的内表面温度、外表面温度和对流换热系数，对由螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行温度场计算；以及基于应力场计算和温度场计算的结果，模拟系统失效计算模型，得到系统失效分析结果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，其特征在于，包括：
数据处理模块，将试验得到的关于螺栓、垫片和法兰的基础数据进行处理，以建立所述螺栓、所述垫片和所述法兰之间的关系模型；
数据计算模块，基于所述数据处理模块得到的所述螺栓、所述垫片和所述法兰之间的关系模型，计算螺栓垫片法兰连接系统的系统泄漏率；
安全评价模块，将所述数据计算模块得到的泄漏率数值与系统预设的安全性能等级进行比较，得到系统泄漏率级别；
垫片选择模块，基于所述法兰安全评价模块得到的系统泄漏率级别，选择系统所需的垫片。
2.根据权利要求1所述的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，其特征在于，还包括失效分析模块，其通过对由螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行应力场计算和温度场计算，从而对系统进行失效分析。
3.根据权利要求1或2所述的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，其特征在于，所述系统预设的安全性能等级包括级别Ⅰ、级别Ⅱ和级别Ⅲ，其中当所述系统的泄漏率处于范围(b，a]时，为级别Ⅰ；当所述系统泄漏率处于范围(c，b]时，为级别Ⅱ；当所述系统的泄漏率处于范围(-∞，c]时，为级别Ⅲ，
其中a>b>c，且它们为等差为10-2的等差数列。
4.根据权利要求3所述的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，其特征在于，所述a为2.0×10-2，所述b为2.0×10-4，所述c为2.0×10-6。
5.根据权利要求3所述的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，其特征在于，
所述垫片选择模块基于所述系统泄漏率的级别，选择不同型式的法兰，进而根据所选择的法兰型式选择垫片。
6.根据权利要求3所述的螺栓垫片法兰连接密封安全评估系统，其特征在于，对系统进行失效分析包括：
所述失效分析模块根据所述螺栓、所述垫片和所述法兰的材料性能数据和结构性能数据，对由所述螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行应力场计算；
所述失效分析模块根据所述螺栓、所述垫片和所述法兰的内表面温度、外表面温度和对流换热系数，对由所述螺栓、垫片和法兰组成的整体结构进行温度场计算；以及
基于所述应力场计算和温度场计算的结果，模拟系统失效计算模型，得到系统失效分析结果。
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