CN107229778A

CN107229778A - 高温管道法兰接头的紧密性评定方法

Info

Publication number: CN107229778A
Application number: CN201710337890.9A
Authority: CN
Inventors: 郑小涛; 程阳; 喻九阳; 徐建民; 王成刚; 林纬
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: Wuhan Institute of Technology
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2017-10-03

Abstract

本发明涉及一种高温管道法兰接头的紧密性评定方法，提出垫片系数的修正方法，以垫片残余压紧应力与体积泄漏率之间的联系作为桥梁，搭建垫片系数与垫片各参量、体积泄漏率、介质压力和工作温度之间的关系；根据工程和学术上要求的紧密性等级确定体积泄漏率；确定垫片材料，并查阅相关文献来确定该垫片各参量的值，然后根据工作要求确定介质压力和工作温度，根据修正方法计算垫片系数；参照ASME规范中垫片系数密封测定的方法，评定系统的紧密性。本发明对ASME规范中的垫片系数m进行了修正，修正后的垫片系数m值结合了系统的泄漏率，不仅考虑了垫片的材料及尺寸、系统的内压，还考虑了所处系统的环境，因此本发明能较全面地评定法兰接头的紧密性。

Description

高温管道法兰接头的紧密性评定方法

技术领域

本发明涉及高温法兰连接安全技术领域，具体涉及一种高温管道法兰接头的紧密性评定方法。

背景技术

法兰接头是压力容器和管道等装置最常用的连接方式，为保证这些装置在高温环境下能长周期安全运行，必须满足整个法兰接头系统的紧密性，而法兰接头最主要的失效形式就是泄漏。近年来，高温管道及法兰泄露失效的事故屡见报道，不仅造成经济损失、环境污染，甚至造成重大的人员伤亡，因此高温管道法兰接头的紧密性评定方法将是本领域技术人员研究和发展的重点。

依据GB150和ASMEVIII-1的要求，在操作工况下垫片的应力不小于mP就认为达到密封要求。这里必须提出解释的是，m为垫片系数，P为法兰接头系统内部介质在工况下的压力，mP值为在操作工况下满足密封要求的最小垫片压紧应力，结合垫片的有效接触面积进行计算得到垫片满足最低密封要求的垫片压紧应力。但是在ASME规范中，m值大多为经验数据，仅考虑了m值与垫片材料、结构与厚度的关系，并将m值规定好，m的具体值可参见ASME标准。但根据工程实际的研究，m值是非规定的，只是用来确定垫片预紧和工作状态下满足密封要求的建议值。生产实践和广泛的研究表明，m值还与介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等因素有关。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述ASME规范中垫片系数m的不完善，提供一种高温管道法兰接头的紧密性评定方法，它提出了垫片系数m的修正方法，该修正方法能简便地、全面地评定法兰接头的紧密性。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种高温管道法兰接头的紧密性评定方法，包括以下步骤：

S1、提出垫片系数m的修正方法：

以垫片残余压紧应力S_G与体积泄漏率L之间的联系作为桥梁，搭建垫片系数m与垫片各参量、体积泄漏率L、介质压力P和工作温度T之间的关系；

S2、根据工程或学术上要求的紧密性等级确定体积泄漏率L；

S3、确定垫片材料，并查阅相关文献来确定该垫片各参量的值，然后根据工作要求确定介质压力P和工作温度T，根据步骤S1中的修正方法计算垫片系数m；

S4、根据ASME规范中垫片系数m密封测定的方法，即S_G≥mP，评定系统的紧密性：

令m₁＝S_G1/P，式中，S_G1为法兰接头实际的垫片残余压紧应力，比较m₁与m的大小，若m₁>m，则系统的紧密性满足要求的紧密性等级；否则，不满足。

针对上述方案，提出第一种垫片系数m的修正方法，包括以下步骤：

S1、根据论文《垫片高温性能及其表示方法》中提出的通过密封特性试验拟合出的垫片体积泄漏率L与垫片残余压紧应力S_G的关系式，转换得到将垫片残余压紧应力S_G用体积泄漏率L表示的表达式：

式中，A_L，M_L，N_L表示垫片材料的泄漏回归系数，P表示介质压力，T表示工作温度；

S2、根据ASME规范中垫片系数m密封测定的方法，即S_G≥mP，取临界的垫片残余压紧应力S_G＝mP，结合式(1)得到将垫片系数m的表达式：

所述垫片各参量为A_L，M_L，N_L。

针对上述方案，提出第二种垫片系数m的修正方法，包括以下步骤：

S1、通过GB150里的操作状态下螺栓载荷的设计式

式中，F_b表示螺栓载荷，F表示垫片压紧力，F_p表示介质内压产生的轴向力，D_G表示垫片压紧力作用中心圆直径，b表示垫片有效密封宽度，转换得到垫片系数m的表达式：

S2、将式(4)与文献《螺栓法兰连接的紧密性分析》中提出的求解垫片残余压紧应力S_G的公式：

式中，D_m表示垫片平均直径，N表示垫片宽度，

相比得到垫片系数m的表达式：

式中，n表示垫片应力分布不均匀系数；

S3、根据论文《垫片高温性能及其表示方法》中提出的密封特性试验拟合出的垫片体积泄漏率L与垫片残余压紧应力S_G的关系式，转换得到将垫片残余压紧应力S_G用体积泄漏率L表示的表达式：

式中，A_L，M_L，N_L表示垫片材料的泄漏回归系数，P表示介质压力，T表示工作温度T；

S4、将式(1)带入式(6)中，得到垫片系数m的表达式：

所述垫片各参量为A_L，M_L，N_L，D_m，D_G，N，b。

针对上述方案，在上述第二种修正方法的基础上提出第三种垫片系数m的修正方法，如下：

在S4中，假设D_G＝D_m，得到垫片系数m的表达式：

所述垫片各参量为A_L，M_L，N_L，N，b。

上述方案中，所述法兰接头实际的垫片残余压紧应力S_G1在学术上是通过数值模拟计算、实验测试或者理论推导得到的；在工程中则是通过具体测量得到的。

本发明的有益效果在于：

本发明的高温管道法兰接头的紧密性评定方法对ASME规范中的垫片系数m进行了修正，修正后的垫片系数m值不是强制限定的，它结合了系统的泄漏率，不仅考虑了垫片的材料及尺寸、系统的介质压力，还考虑了所处系统的温度环境，可计算在系统所需环境以及泄漏率条件下的垫片系数m的范围。因此该修正的方法能简便地、较全面地评定法兰接头的紧密性，提高了高温管道法兰接头的安全性，具有较强的指导意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是通过第一种垫片系数m的修正方法得到的柔性石墨缠绕垫片在不同的体积泄漏率情况下的垫片系数。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种高温管道法兰接头的紧密性评定方法，包括以下步骤：

S1、提出垫片系数m的修正方法：

以垫片残余压紧应力S_G与体积泄漏率L之间的联系作为桥梁，搭建垫片系数m与垫片各参量、体积泄漏率L、介质压力P和工作温度T之间的关系。

S2、根据工程或学术上要求的紧密性等级确定体积泄漏率L：

由于体积泄漏率L与紧密性有关，通过要求的紧密性等级，例如经济、标准、紧密、严密、极密，则可知道对应的体积泄漏率L的大小，因此可通过要求的紧密性等级确定体积泄漏率L。

S3、确定垫片材料，并查阅相关文献来确定该垫片各参量的值，然后根据工作要求确定介质压力P和工作温度T，根据步骤S1中的修正方法计算垫片系数m。此时计算得到的m值是一个与紧密性等级相关的量，它也是一个最大的临界值。所述相关文献为论文《垫片高温性能及其表示方法》，该论文于2001年发表于期刊《化工设备与管道》。

令m₁＝S_G1/P，式中，S_G1为法兰接头实际的垫片残余压紧应力，它在学术上是通过数值模拟计算、实验测试或者理论推导得到的；在工程中则是通过具体测量得到的。比较m₁与m的大小，若m₁>m，则系统的紧密性满足要求的紧密性等级；否则，不满足。

针对上述高温管道法兰接头的紧密性评定方法的步骤S1，本发明提出了三种垫片系数m的修正方法。

第一种垫片系数m的修正方法：

在论文《垫片高温性能及其表示方法》中，根据密封特性试验拟合出垫片体积泄漏率L与垫片残余压紧应力S_G的关系式：

式中，L—体积泄漏率，cm³/s；

A_L，M_L，N_L—垫片材料的泄漏回归系数；

P—介质压力，MPa；

T—工作温度，℃；

S_G—垫片残余压紧应力，MPa。

将式(9)进行转换，将垫片残余压紧应力S_G用体积泄漏率L表达：

根据ASME规范中垫片系数m密封测定的方法，即法兰接头在操作过程中的垫片残余压紧应力S_G要大于或等于管道中操作介质压力P的m倍，系统才不会发生泄漏，即S_G≥mP。取临界的垫片残余压紧应力S_G，表达式为：

S_G＝mP (10)

将式(10)带入到式(1)中，得到：

将式(11)进行转换，将垫片系数m用垫片各参量、体积泄漏率L、温度T、介质压力P表示，得到：

图1显示了通过第一种垫片系数m的修正方法得到的柔性石墨缠绕垫片在不同的体积泄漏率情况下的垫片系数。

第二种垫片系数m的修正方法：

根据GB150里提及的操作状态下螺栓载荷的设计，所需要的螺栓载荷F_b为保持垫片密封所需的垫片压紧力F和介质内压产生的轴向力F_P，即：

式中，D_G—垫片压紧力作用中心圆直径，mm；

P—介质压力，MPa；

b—垫片有效密封宽度，mm；

m—垫片系数。

将式(3)进行转换，得到垫片系数m的表达式：

在文献《螺栓法兰连接的紧密性分析》(该论文于1988年发表于期刊《石油化工设备》)中介绍了关于运用全面积计算方式求解垫片残余压紧应力S_G的方法：

式中，F_b—操作状态下的螺栓载荷，N；

D_G—垫片压紧力作用中心圆直径，mm；

D_m—垫片平均直径，mm；

N—垫片的几何宽度，mm

P—介质压力，MPa。

式(12)与(5)的比值可得到：

式中，n—垫片应力分布不均匀系数。

则通过式(13)得到：

mP＝nS_G (14)

对论文《垫片高温性能及其表示方法》中根据密封特性试验拟合出垫片泄漏率与垫片残余压紧应力的关系式

进行转换，将垫片残余压紧应力S_G用体积泄漏率L表达：

将式(13)、(1)带入式(6)中，得到将垫片系数m用体积泄漏率L、温度T、介质压力P、垫片宽度N、垫片直径D_m、D_G等因素表示的表达式：

第三种垫片系数m的修正方法：

在所述第二种方法的基础上进行修正，对于常用的垫片，D_G和D_m相差不大，则：

将式(15)、(1)代入到式(6)中，得到将垫片系数m用体积泄漏率L、温度T、介质压力P、垫片宽度N等因素表示的表达式：

上述三种垫片系数m的修正方法都是通过垫片残余压紧应力S_G与体积泄漏率L之间的联系作为桥梁，搭建垫片系数m与体积泄漏率L、垫片各参量、介质压力P、工作温度T之间的关系。由于体积泄漏率L与系统的紧密性密切相关，因此可通过体积泄漏率L得到垫片系数m与系统紧密性的关系。

表1给出了按照体积泄漏率L划分的安全性等级，具体的泄漏率等级指标还需工程具体要求而定。

表1

为了进一步说明本发明的高温管道法兰接头的紧密性评定方法，以柔性石墨复合垫片和柔性石墨缠绕垫片为例，通过三种垫片系数m的修正方法计算得到的不同垫片材料在不同温度下的垫片系数，参见表2。

表2

上述的两种垫片的公称直径为DN300，公称压力为PN10.0，根据公称直径和公称压力对照国标查找垫片的尺寸并计算D_m，D_G，N，b。A_L，M_L，N_L的值根据论文《垫片高温性能及其表示方法》查询。

例如，柔性石墨复合垫在常温20℃、系统的内压为3.5MPa的环境下，经实际计算和相关垫片性能文献(例如《不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能研究》)的查阅，泄漏率一般在10^-3～10^-4范围内，因此取安全等级Ⅲ计算，即L＝2×10^-3cm³/s。柔性石墨复合垫在高温400℃、系统的内压为3.5MPa的环境下，泄漏率较大，取安全等级Ⅱ级进行计算，即L＝2×10^-2cm³/s。

上述垫片系数m的修正方法在计算过程中需先知系统的介质压力、工作温度、垫片材料、紧密度等级，并计算垫片直径、垫片宽度。与传统的垫片系数m比起来，修正后的垫片系数m值不是强制限定的，它结合了系统的泄漏率，不仅考虑了垫片的材料及尺寸、系统的介质压力，还考虑了所处系统的温度环境，可计算在系统所需环境以及泄漏率条件下的垫片系数m的范围。因此该修正的方法能简便地、较全面地评定法兰接头的紧密性，提高了高温管道法兰接头的安全性，具有较强的指导意义。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种高温管道法兰接头的紧密性评定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提出垫片系数m的修正方法：

S2、根据工程或学术上要求的紧密性等级确定体积泄漏率L；

2.根据权利要求1所述的高温管道法兰接头的紧密性评定方法，其特征在于，所述垫片系数m的修正方法包括以下步骤：

S1、根据密封特性试验拟合出的垫片体积泄漏率L与垫片残余压紧应力S_G的关系式，转换得到将垫片残余压紧应力S_G用体积泄漏率L表示的表达式：

所述垫片各参量为A_L，M_L，N_L。

3.根据权利要求1所述的高温管道法兰接头的紧密性评定方法，其特征在于，所述垫片系数m的修正方法包括以下步骤：

S1、通过GB150里的操作状态下螺栓载荷的设计式

S2、将式(4)与求解垫片残余压紧应力S_G的公式：

式中，D_m表示垫片平均直径，N表示垫片宽度，

相比得到垫片系数m的表达式：

式中，n表示垫片应力分布不均匀系数；

S3、根据密封特性试验拟合出的垫片体积泄漏率L与垫片残余压紧应力S_G的关系式，转换得到将垫片残余压紧应力S_G用体积泄漏率L表示的表达式：

S4、将式(1)带入式(6)中，得到垫片系数m的表达式：

<mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>m</mi> </msub> <mi>N</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>D</mi> <mi>G</mi> </msub> <mi>b</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </msub> <msup> <mi>PT</mi> <msub> <mi>M</mi> <mi>L</mi> </msub> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>N</mi> <mi>L</mi> </msub> </mfrac> </msup> <mo>/</mo> <mi>P</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

所述垫片各参量为A_L，M_L，N_L，D_m，D_G，N，b。

4.根据权利要求3所述的高温管道法兰接头的紧密性评定方法，其特征在于，所述垫片系数m的修正方法如下：

在S4中，假设D_G＝D_m，得到垫片系数m的表达式：

<mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>b</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </msub> <msup> <mi>PT</mi> <msub> <mi>M</mi> <mi>L</mi> </msub> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>N</mi> <mi>L</mi> </msub> </mfrac> </msup> <mo>/</mo> <mi>P</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

所述垫片各参量为A_L，M_L，N_L，N，b。

5.根据权利要求1所述的高温管道法兰接头的紧密性评定方法，其特征在于，所述法兰接头实际的垫片残余压紧应力S_G1在学术上是通过数值模拟计算、实验测试或者理论推导得到的；在工程中则是通过具体测量得到的。