CN105844027A - 一种高温大直径厚法兰接头升温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温大直径厚法兰接头升温方法，对螺栓法兰接头进行间歇式升温至指定温度，减小使螺栓法兰接头在升温过程中产生的应力，间歇式升温是指通过升温‑保温‑再升温重复循环的方式升温；缩短升温时间、降低升温成本，并不产生较大热梯度的效果，防止螺栓法兰因升温导致的蠕变，不影响系统的紧密性和密封性。

Description

一种高温大直径厚法兰接头升温方法

技术领域

本发明涉及法兰连接技术领域，具体涉及一种高温大直径厚法兰接头升温方法。

背景技术

螺栓法兰连接系统的紧密性是各种压力容器、化工设备、工业管道等在高温下安全运行的重要保障，并且由于在高温条件下，系统的长时间运行，螺栓、法兰以及垫片材料极易发生蠕变现象，使得整个系统的紧密性降低，产生泄漏。因此，我们很有必要研究温度场，特别是升温方式下瞬态温度场对螺栓法兰结构的应力强度的影响，进一步得到较优的升温方式，从而提高系统的紧密性等级，实现可达到的密封，以确保管道连接在工作运行过程中的安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在升温过程中螺栓法兰蠕变，影响系统的紧密性和密封性的问题，提供了一种高温大直径厚法兰接头升温方法，缩短升温时间、降低升温成本，并不产生较大热梯度的效果，防止螺栓法兰因升温导致的蠕变，不影响系统的紧密性和密封性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种高温大直径厚法兰接头升温方法，对螺栓法兰接头进行间歇式升温至指定温度，以减小螺栓法兰接头在升温过程中产生的应力，间歇式升温是指通过升温-保温-再升温重复循环的方式升温。

接上述技术方案，间歇式升温具体包括以下步骤：

1)将整个升温过程分隔成若干升温区间；

2)在升温区间内进行升温；

3)在每个分隔温度点上进行保温。

接上述技术方案，前一升温区间的温差比后一升温区间的温差大，前一升温区间的升温时长比后一升温区间的升温时长短。

接上述技术方案，间歇式升温具体包括以下步骤：

1)在加温时间内对螺栓法兰接头进行一定的温升；

2)在保温时间内对螺栓法兰接头进行保温处理；

3)将步骤1)～2)重复循环直至指定温度。

接上述技术方案，指定温度为350℃～500℃，温升范围为100℃～300℃，加温时间为1000s～1800s，保温时间为600s～1800s。

接上述技术方案，所述步骤3)中，重复循环对螺栓法兰接头加温的过程中，下一次循环所用的加温时间比上一次循环中所用的加温时间长，下一次循环的温升比上一次循环中的温升小。

接上述技术方案，在螺栓法兰内壁处进行升温。

接上述技术方案，还包括在升温过程中记录螺栓法兰接头在瞬态温度场下的应力场，并对应力场进行强度校核。

接上述技术方案，螺栓法兰接头的瞬态温度场包括在螺栓法兰接头上从内壁到外壁分布的3～8个关键位置点的温度变化情况。

本发明具有以下有益效果：通过间歇式的升温方式，减小螺栓法兰接头在升温过程中产生的应力，可缩短升温时间、降低升温成本，且不会产生较大热梯度影响法兰的强度和刚度，可有效防止法兰因升温导致的蠕变，同时不影响系统的紧密性和密封性。

附图说明

图1是本发明提供的螺栓法兰系统稳态温度场；

图2是本发明提供的升温方式三中在瞬态温度场螺栓法兰的具体升温过程；

图3是本发明提供的升温方式三中瞬态温度场中螺栓法兰上五个位置点的温度；

图4是本发明提供的实施例一、实施例三和实施例四中螺栓法兰具体升温过程；

图5是本发明提供的实施例一、实施例三和实施例四中螺栓法兰升温点对应的应力值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一个实施例高温大直径厚法兰接头升温方法中，对螺栓法兰接头进行间歇式升温至指定温度，以减小螺栓法兰接头在升温过程中产生的应力，间歇式升温是指通过升温-保温-再升温重复循环的方式升温；通过间歇式的升温方式，缩短升温时间、降低升温成本，并不产生较大热梯度影响法兰的强度和刚度，防止法兰因升温导致的蠕变，不影响系统的紧密性和密封性，属于合理的升温方式。

进一步地，间歇式升温具体包括以下步骤：

1)将整个升温过程分隔成若干升温区间；

2)在升温区间内进行升温；

3)在每个分隔温度点上进行保温。

进一步地，前一升温区间的温差比后一升温区间的温差大，前一升温区间的升温时长比后一升温区间的升温时长短。

进一步地，间歇式升温具体包括以下步骤：

1)在加温时间内对螺栓法兰接头进行一定的温升；

2)在保温时间内对螺栓法兰接头进行保温处理；

3)将步骤1)～2)重复循环直至指定温度。

进一步地，指定温度为350℃～500℃，温升范围为100℃～300℃，加温时间为1000s～1800s，保温时间为600s～1800s。

进一步地，所述步骤3)中，重复循环对螺栓法兰接头加温的过程中，下一次循环所用的加温时间比上一次循环中所用的加温时间长，下一次循环的温升比上一次循环中的温升小。

进一步地，在螺栓法兰内壁处进行升温；在法兰内壁加温，可直接将加热电阻丝伸进管道进行加热，这样加热的方式较为方便，并且管道内是通入介质的，这样内压和高温一起对整个系统造成影响。

进一步地，还包括在升温过程中记录螺栓法兰接头在瞬态温度场下的应力场，并对应力场进行强度校核。

进一步地，螺栓法兰接头的瞬态温度场包括在螺栓法兰接头上从内壁到外壁分布的5个关键位置点的温度变化情况。

螺栓法兰接头将在高温环境下工作或工作时产生较高的温度，在工作前对螺栓法兰接头进行间歇式升温至指定温度，避免工作时不确定的升温过程给螺栓法兰造成伤害。

本发明提供的实施例的推导过程及数据分析：

所述螺栓法兰接头包括两个法兰，两个法兰通过螺栓连接，两个法兰之间设有金属垫片，两个法兰分为上法兰和下法兰，上法兰和下法兰分别与管道连接。

借助有限元软件，得到螺栓法兰接头在稳态温度场和瞬态温度场下的应力场，瞬态温度场即是在指定升温时间点上的温度分布，而稳态温度场是当螺栓法兰接头达到稳定状态时的温度分布，针对这两种温度场的特点，选取工程推荐的瞬态升温方式，并对其应力场进行强度校核，从而得到较优的升温方法。

通过分析法兰温度分布，并提取五个关键位置点上的温度，如图1所示，在图上标示出从法兰内壁到法兰外壁的五个位置点1、2、3、4、5，从而通过法兰上已取好的五个位置点，得到从内壁到外壁处的温度变化情况；根据选定的法兰的温度场，计算出法兰的应力，并对其应力进行强度分析，对于求得的法兰应力，要小于法兰的许用应力，它的应力强度才能达到安全的强度要求。

为了得到合理的升温方式，设定螺栓法兰接头的瞬态温度场，在法兰的内壁处施加温度，现制定三种加温方式：所述升温方式一为直接在法兰内壁处施加工作温度，具体为将法兰内壁的温度恒保持在400℃，观察各位置点处温度随时间的变化情况；所述升温方式二为在法兰内壁处将温度从室温逐渐升高至工作温度，具体为将法兰内壁处的温度从室温在1h、2h、3h、4h、5h的时间间隔内，逐渐升高至指定的温度，并记录此五点的升温时间下的温度情况；所述升温方式三为在法兰内壁将温度升至一定温度，然后保温，再升温再保温的方式，具体为在1h内将温度升高至200℃，保温1h后，再在1h内升温至400℃，再保温1h；即文中所述的采用升温、保温、再升温的升温方式，具体升温过程如图2所示，选取的五个位置点处的温度如图3所示。

对所述温度场下的法兰应力场进行分析，在升温方式一中，当法兰内壁与外壁温差过大时，法兰上应力最大点处的特雷斯卡应力远大于三倍的法兰屈服应力，为747MPa，升温方式一不能满足法兰强度要求，导致法兰结构不安全；在升温方式三中，法兰上最大应力点处的特雷斯卡应力为265MPa，满足强度要求，而升温方式二中法兰上最大应力点处的特雷斯卡应力为318MPa，虽然也满足强度要求，但是比升温方式三的应力要大得多，说明在升温后期对法兰进行保温还是很有必要的，可以大大减小法兰上的特雷斯卡应力。

比较所述三种升温方式可知，升温方式一的升温速度最快，但是不能达到其强度要求；而升温方式二升温过程简单但升温时间长，比起升温方式三，在保证法兰连接的同时，升温方式三可以保证缩短升温时间并达到降低升温成本，并不产生较大热梯度的效果。

针对所述升温方式三，为法兰系统寻找更为合适的升温过程：主要考虑影响温度梯度的因素：升温温度、升温速率、时间、保温时间等参数。在此将升温温度0～400℃划分为50℃一个区间间隔，并将法兰内壁温度升高至升温区间结束时温度所消耗的时间定为最短升温时间。

通过有限元分析法兰系统的温度场和应力场，将得到的法兰上最大的tresca应力与法兰三倍屈服应力进行比较，得到最短的升温时间。

在所要求的升温方式中，升温结束后，需对整个结构进行保温，为简化计算，保温时间取为20min，并验证这20min的保温时间分别对系统温度场和应力场的影响，即进行有保温和无保温的结构强度和刚度校核。得出有保温阶段的应力强度满足要求，将保温时间定为20min。

本发明提供的实施例一中：将升温区间分隔成从0～50～100～150～200～250～300～350～400℃，每50℃温度间隔内逐渐升温，并在每个分隔温度点上进行保温，整个升温时间与保温时间得到升温所需总时间为2.47h。

本发明提供的实施例二中：将升温区间分隔成从0～100～200～300～400℃，每100℃温度间隔内逐渐升温，并在每个分隔温度点上进行保温，整个升温时间与保温时间得到升温所需总时间为1.61h。

本发明提供的实施例三中：将升温区间分隔成从0～150～300～400℃，在每个分隔区间内温度逐渐升温，并在每个分隔温度点上进行保温，整个升温时间与保温时间得到升温所需总时间为1.5h。

本发明提供的实施例四中：将升温区间分隔成从0～200～400℃，在每个分隔区间内温度逐渐升温，并在每个分隔温度点上进行保温，整个升温时间与保温时间得到升温所需总时间为1.44h。

本发明提供的实施例五中：将升温区间分隔成从0～300～400℃，在每个分隔区间内温度逐渐升温，并在每个分隔温度点上进行保温，整个升温时间与保温时间得到升温所需总时间为1.5h。

结合上述的升温方式可知，在前期升温时，为缩短升温时间，可扩大温差；在后期升温时，可增加升温时间；其最短的升温时间为1.44h；如图4～图5所示，从升温时间及应力波动情况两方面进行考虑，通过分析可得到法兰结构的最佳升温方式，得出本发明提供的实施例三中升温方式为较优升温方式，升温时间合适且温度的波动较小，法兰结构达到要求的强度条件。

考虑到升温时间和应力强度和不产生热梯度因素的影响，法兰连接结构最佳的升温方式为0～150～300～400℃，总升温时间为1.5h，总升温时间包括从150℃升温至400℃的升温时间和保温时间。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，对螺栓法兰接头进行间歇式升温至指定温度，以减小螺栓法兰接头在升温过程中产生的应力，间歇式升温是指通过升温-保温-再升温重复循环的方式升温。

2.根据权利要求1所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，间歇式升温具体包括以下步骤：

1)将整个升温过程分隔成若干升温区间；

2)在升温区间内进行升温；

3)在每个分隔温度点上进行保温。

3.根据权利要求2所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，前一升温区间的温差比后一升温区间的温差大，前一升温区间的升温时长比后一升温区间的升温时长短。

4.根据权利要求1所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，间歇式升温具体包括以下步骤：

1)在加温时间内对螺栓法兰接头进行一定的温升；

2)在保温时间内对螺栓法兰接头进行保温处理；

3)将步骤1)～2)重复循环直至指定温度。

5.根据权利要求4所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，指定温度为350℃～500℃，温升范围为100℃～300℃，加温时间为1000s～1800s，保温时间为600s～1800s。

6.根据权利要求4所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，所述步骤3)中，重复循环对螺栓法兰接头加温的过程中，下一次循环所用的加温时间比上一次循环中所用的加温时间长，下一次循环的温升比上一次循环中的温升小。

7.根据权利要求1所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，在螺栓法兰内壁处进行升温。

8.根据权利要求1所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，还包括步骤在升温过程中记录螺栓法兰接头在瞬态温度场下的应力场，并对应力场进行强度校核。

9.根据权利要求8所述的高温大直径厚法兰接头升温方法，其特征在于，螺栓法兰接头的瞬态温度场包括在螺栓法兰接头上从内壁到外壁分布的3～8个关键位置点的温度变化情况。