CN104990671A - 一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置，包括试验机架、试验法兰装置、振动荷载激振系统及数据采集系统。本发明可以模拟仿真振动环境，研究试验法兰装置在仿真振动环境下法兰的密封性，该试验法兰装置固定安装在试验机架上，法兰内部安装应变片测量应变量，应变片连接数据采集系统，电液伺服作动器作用于试验法兰装置，并连接数据采集系统，能够得到振动环境的频率、振幅、持续时间对法兰螺栓的应变和预紧力的影响，进而得到试验法兰装置在振动环境下的密封性能的变化。利用对振动环境下管道的法兰密封性分析研究，对管道法兰连接系统的设计和安全检测检修有重要的意义。

Description

一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置

技术领域

本发明属于石油化工领域，涉及一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置。

背景技术

法兰装置经常处在振动环境中，是石油化工行业较为常见的装备。振动环境下，法兰装置会产生螺栓松退、螺栓疲劳以及螺栓应力松弛等现象，会给设备的正常运行带来安全隐患。如，冬季海冰引起的冰激振动效应，其振动强度相当于7-8级地震强度，强烈持续的冰振会导致海洋平台上部管线上的法兰失效，发生泄漏事故。

从国内外的发展状况来讲，法兰在振动环境下的密封性研究仅停留在静荷载作用下的法兰失效的力学分析，及通过对法兰及垫圈的机械加工工艺、材料性能的改变来提高法兰的密封性。目前，振动外荷载作用下的法兰失效泄漏的理论分析还不成熟。尽管国外有人进行了振动作用下的单个螺栓松退的实验，但没有相关的专利对法兰在振动作用下的失效进行详细分析，所以不能给出法兰在振动作用下失效的时间标准。

目前，振动造成的法兰泄漏还没有定量的标准，即在特定振动条件下，由于振动造成的法兰泄漏的出现时间及周期并不清楚。在检修期间是否出现法兰泄漏，还没有给出定量的判别标准。针对以上实际问题，本发明提出一套研究振动环境下法兰密封性的装置。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置，通过研究振动环境下法兰的密封失效模式，在技术上和检修工作中为法兰的密封性检测提供指导。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置，包括试验机架、试验法兰装置、振动荷载激振系统及数据采集系统。

所述试验机架包括支撑架，V形固定支架。支撑架固定于地面，V形固定支架两侧用螺栓固定在支撑架上表面。

所述试验法兰装置包括管道、法兰、阀门、压力表、温度表及缓冲罐。管道分两段：前段和后段，两段管道通过两片法兰固定连接，两片法兰通过螺栓固定连接，管道的两端通过V形固定支架固定在支撑架上表面。前段管道的进口端接外压装置，其上安装压力表；后段管道依次安装温度表和阀门，后段管道的出口端通过出口管与缓冲罐连接，出口管上依次安装压力表和温度表，试验法兰装置通过压力传感器和应变片与数据采集系统相连。

所述振动荷载激振系统包括工控机、多路数模转换器、电液伺服作动器及可调振动荷载加载滑块，振动荷载激振系统运行模拟仿真振动环境。工控机与多路数模转换器相连，二者与电液伺服作动器通过无线方式连接。工控机控制电液伺服作动器的加载振动，电液伺服作动器用于驱动可调振动荷载加载滑块在两段管道上振动，可调振动荷载加载滑块的两侧滑块分别安装在法兰两侧的管道上。

所述数据采集系统包括应变片、压力传感器、动态信号采集仪及显示器。压力传感器安装于螺栓的螺帽和法兰之间，用于测量两片法兰之间的预压力及试验过程中压力的变化，应变片安装于螺栓上，用于测量螺栓的预紧力和试验过程中应力的变化，压力传感器和应变片的输出端通过数据线与动态信号采集仪相连，动态信号采集仪与显示器相连。

上述的装置研究振动环境下法兰密封性的方法，包括以下步骤：

第一步：通过数据采集系统对压力和应力进行同步测量，利用压力传感器测量法兰之间的预压力，应变片测量螺栓预应力。

第二步：启动外压装置，通过管道上的压力表，确定管道预压力，利用温度表测量管道的温度。

第三步：通过工控机控制电液伺服作动器，使电液伺服作动器按照预设的振幅和频率运动，从而带动可调振动荷载加载滑块沿管道方向加载振动，使该振动加载到试验法兰装置上，模拟试验法兰装置在振动环境下的振幅和频率。

第四步：通过数据采集系统，同步监测法兰的压力和螺栓的应力变化。

第五步：针对试验法兰装置可能所处的工况，设计不同预紧力的螺栓、不同的温度和不同的管道压力，重复第一步到第四步，用以模拟试验法兰装置在不同振动环境下，法兰的压力和应力的变化。

最终，基于试验法兰装置的应力和压力变化的测量数据，对不同振动环境下试验法兰装置的密封性进行验证。

本发明为试验法兰装置提供仿真环境，研究振动环境下试验法兰装置的密封失效模式，为试验法兰装置的密封性提供研究依据，所测试环境既可以模拟真实振动环境，也可以模拟极端振动环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为V型固定支架示意图。

图中：1支撑架，2V形固定支架，3管道，4法兰，5阀门，6压力表，7温度表，8缓冲罐，9压力传感器，10应变片，11可调振动荷载加载滑块，12电液伺服作动器

具体实施方式

一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置，首先将管道3通过法兰4固定连接后，通过V形固定支架2将管道3固定在支撑架1上，通过数据采集系统对压力和应力进行同步测量，利用压力传感器9测量法兰4之间的预压力，应变片10测量螺栓预应力。其次启动外压装置，通过管道3上的压力表6，确定管道3的预压力，利用温度表7测量管道3的温度。接下来通过预设工控机的指令，使电液伺服作动器12按照预设的振幅和频率运动，从而带动可调振动荷载加载滑块11沿管道3方向加载振动，使该振动加载到法兰4上，模拟法兰装置在振动环境下的振幅和频率。最后通过数据采集系统，同步监测法兰4的压力和螺栓的应力。针对法兰4装置可能所处的工况，设计不同预紧力的螺栓、不同的温度和不同的管道压力，重复以上步骤，用以模拟法兰装置在不同振动环境下，法兰4的压力和应力的变化。

该法兰装置在运行时，工控机运行振动环境仿真参数，输出信号，通过多路数模转换器对信号进行相应处理，驱动电液伺服作动器12运动，输出振幅、频率和持续时长符合试验要求的运动。电液伺服作动器12的作动头连接在振动荷载加载滑块11上，振动荷载加载滑块11安装在试验法兰装置的两侧，使得法兰装置处于两点弯曲状态，保证了法兰装置受到纯弯曲作用，以此模拟法兰在振动环境下的受力情况。压力传感器9安装于螺栓的螺帽和法兰4之间，用于测量两片法兰4之间的预压力及试验过程中压力的变化，应变片10安装于螺栓上，用于测量螺栓的预紧力和试验过程中应力的变化。动态信号采集仪和显示器对采集到的响应数据进行采集和显示。

在本实施例中，法兰装置可以设计不同的法兰预紧力，不同的内压，不同的温度，不同的法兰材料及垫片等参数。在工控机预设振动环境下的仿真参数，实现不同的振动、频率和持续时长的振动环境。数据采集系统测量法兰4之间的预压力、螺栓的预紧力以及试验过程中这些数据的变化，并根据所测数据分析该参数下的试验法兰装置是否满足该振动环境下的密封要求，以及得到法兰4需要定期检修密封性的振动环境。

Claims (2)

1.一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置，其特征在于,包括试验机架、试验法兰装置、振动荷载激振系统及数据采集系统：

所述的试验机架包括：支撑架（1）和V形固定支架（2），支撑架（1）固定于地面，V形固定支架（2）两侧用螺栓固定在支撑架（1）的上表面；

所述的试验法兰装置包括：管道（3）、法兰（4）、阀门（5）、压力表（6）、温度表（7）及缓冲罐（8），管道（3）分两段：前段和后段，两段管道（3）通过两片法兰（4）固定连接，两片法兰（4）通过螺栓固定连接，管道（3）的两端通过V形固定支架（2）固定在支撑架（1）上表面，前段管道（3）的进口端接外压装置，其上安装压力表（6）；后段管道（3）依次安装温度表（7）和阀门（5），后段管道（3）的出口端通过出口管与缓冲罐（8）连接，出口管上依次安装压力表（6）和温度表（7），试验法兰装置通过压力传感器（9）和应变片（10）与数据采集系统相连；

所述的振动荷载激振系统包括：工控机、多路数模转换器、电液伺服作动器（12）及可调振动荷载加载滑块（11），工控机与多路数模转换器相连，二者与电液伺服作动器（12）通过无线方式连接，可调振动荷载加载滑块（11）的两侧滑块分别安装在法兰（4）两侧的管道（3）上，工控机控制电液伺服作动器（12）的加载振动，电液伺服作动器（12）驱动可调振动荷载加载滑块（11）在管道（3）上加载振动；

所述的数据采集系统包括：应变片（10）、压力传感器（9）、动态信号采集仪及显示器，压力传感器（9）安装于螺栓的螺帽和法兰（4）之间，用于测量两片法兰（4）之间的预压力及试验过程中压力的变化，应变片（10）安装于螺栓上，用于测量螺栓的预紧力和试验过程中应力的变化，压力传感器（9）和应变片（10）的输出端通过数据线与动态信号采集仪相连，动态信号采集仪与显示器相连。

2.使用权利要求1所述的装置研究振动环境下法兰密封性的方法，其特征在于以下步骤：

第一步：通过数据采集系统对压力和应力进行同步测量，利用压力传感器（9）测量法兰（4）之间的预压力，应变片（10）测量螺栓预应力；

第二步：启动外压装置，通过管道（3）上的压力表（6），确定管道（3）预压力，利用温度表（7）测量管道（3）的温度；

第三步：通过工控机控制电液伺服作动器（12），使电液伺服作动器（12）按照预设的振幅和频率运动，带动可调振动荷载加载滑块（11）沿管道（3）方向加载振动，使该振动加载到试验法兰装置上，模拟试验法兰装置在振动环境下的振幅和频率；

第四步：通过数据采集系统，同步监测法兰的压力和螺栓的应力变化；

第五步：针对试验法兰装置所处的工况，设计不同预紧力的螺栓、不同的温度和不同的管道（3）压力，重复第一步到第四步，用以模拟试验法兰装置在不同振动环境下，法兰（4）的压力和应力的变化。