CN109583126A - 一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法 - Google Patents

一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，步骤为S1、获知螺栓法兰接头尺寸、材料和载荷参数；S2、获得基于紧密度的垫片参数和室温下螺栓法兰接头的泄漏率计算公式；S3、建立螺栓法兰接头的有限元模型；S4、采用热力学分析方法，获得温度场分布结果；S5、采用顺序耦合热应力分析方法，得到高温下的初始垫片应力σ(0)；S6、进行高温螺栓法兰接头的蠕变分析，获得高温下与时间相关的操作垫片应力σ(t)；S7、建立高温下螺栓法兰接头与时间相关的泄漏率计算公式；S8、计算获得高温螺栓法兰接头在长周期服役过程中与时间相关的泄漏率。该发明的优点在于：能够预测螺栓法兰接头在高温长周期服役过程中的泄漏率变化趋势，可获知实时泄漏率。

Description

一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法
技术领域
本发明涉及高温静密封技术领域，尤其是一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法。
背景技术
螺栓法兰接头广泛应用于石油、化工、能源、电力行业中，在实际运行过程中，螺栓法兰接头的泄漏时常发生。通常包括两类泄漏方式，一是突发性泄漏，包括安装阶段由于螺栓法兰接头安装不当导致的垫片压溃或者偏转量过大从而产生的泄漏，以及运行过程中由于螺栓法兰接头突然受到压力、温度等载荷的剧烈波动或者受到弯曲载荷从而产生的泄漏；二是螺栓法兰接头在长时运行过程中由于材料劣化或者蠕变松弛导致的泄漏。
第二种情况多针对在高温环境下长期服役的螺栓法兰接头。在流程工业中，有相当大比例的螺栓法兰接头处于高温环境下长期服役。高温螺栓法兰接头在长期服役过程中，由于温度、压力等的长期作用，一方面螺栓会发生应力松弛，导致垫片压紧应力减小；另一方面，螺栓、法兰及垫片会发生变形协调和应力重分布。这都将加剧垫片应力的不均匀性，引起密封性能下降，甚至发生泄漏。因此，在高温下，螺栓法兰接头的密封性能是随时间不断劣化的，探明高温螺栓法兰接头在长周期服役过程中的泄漏率变化具有重要工程意义。
近年来，随着社会经济的发展和环保意识的提高，国家对过程工业中的挥发性有机物逸散控制也越来越严格。螺栓法兰接头的泄漏率控制也提上了日程。不过，要控制螺栓法兰接头在高温服役过程中的泄漏率，需要首先知道螺栓法兰接头的泄漏率在高温长周期服役过程中的变化规律。
与时间相关的高温螺栓法兰接头的泄漏率可以通过开展高温螺栓法兰接头长时服役过程中的泄漏率测试试验获得，但是试验方法需要搭建相关设备，且耗时较长，成本较高。但是，开展室温螺栓法兰接头的泄漏率的试验研究相对容易。通过室温下螺栓法兰接头的泄漏率试验，可以建立泄漏率与垫片应力的关系，但是该垫片应力是时间无关的。直接使用该方法不能获得高温螺栓法兰接头与时间相关的泄漏率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，为此，本发明提供一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，具体步骤如下：
S1、获知螺栓法兰接头中法兰、螺母、垫片、螺柱各部件的规格尺寸、材料、螺栓法兰接头内部压力P、服役温度，服役温度为高温；基于选定的紧密度等级，确定螺栓载荷Wm0；
S2、根据螺栓法兰接头泄漏率的室温试验方法，获得基于紧密度的垫片参数G，垫片参数G包含Gb、a和Gs三个参数；以及获得室温下螺栓法兰接头的泄漏率L与室温下的操作垫片应力σ、室温下的装配垫片应力σg、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P之间的关系；
S3、采用有限元计算方法，建立螺栓法兰接头的有限元模型；
S4、在有限元模型上施加温度边界条件，采用热力学分析方法，计算高温下螺栓法兰接头的温度场分布，获得温度场分布结果；
S5、将温度场分布结果作为载荷边界条件之一，同时施加螺栓法兰接头内部压力P和螺栓载荷Wm0载荷边界条件，采用顺序耦合热应力分析方法，进行高温螺栓法兰接头热-结构耦合应力场分析，得到长周期服役初始时刻t＝0时的高温螺栓法兰接头的初始垫片应力σ(0)；
S6、保持螺栓法兰接头内部压力P和螺栓载荷Wm0的载荷边界条件，保持螺柱长度不变，进行高温螺栓法兰接头的蠕变分析，获得高温螺栓法兰接头在长周期服役过程中与服役时间t相关的操作垫片应力σ(t)，σ(t)包括t＝0时的初始垫片应力σ(0)；
S7、建立高温下螺栓法兰接头的泄漏率L(t)与高温下的操作垫片应力σ(t)、高温下的装配垫片应力σ'g、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P之间的关系：
L(t)＝F(σ(t),σ'g,G,P) (1)
式中，F表示函数关系，用高温下随时间变化的操作垫片应力σ(t)代替步骤S2中的与时间无关的操作垫片应力σ，同时将室温下的装配垫片应力σg更改为高温下的装配垫片应力σ'g；
S8、计算高温下螺栓法兰接头在长周期服役过程中与时间相关的泄漏率L(t)。
具体地说，步骤S3中的有限元模型，可通过ABAQUS或ANSYS有限元分析软件建立。
具体地说，步骤S5所述的热-结构耦合应力场分析包含螺栓法兰接头的预紧、升温、加压阶段。
具体地说，步骤S6中，服役时间t不小于100小时。
具体地说，步骤S6中，高温螺栓法兰接头在长周期服役过程中与服役时间t相关的操作垫片应力σ(t)，是与紧密度等级相关的，因为螺栓载荷Wm0与紧密度等级相关。
具体地说，步骤S7中，建立高温下螺栓法兰接头的泄漏率L(t)与高温下的操作垫片应力σ(t)、高温下的装配垫片应力σ'g、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P之间的关系，如下：
L(t)＝[(145P/14.7)*(1/Tf)]2/150 (2)
其中，
kf＝log(ησ'g/Gs)/logTc (4)
Tc＝(ησ'g/Gb)(1/a) (5)
σ'g＝(Gb/η)(Tn)a (6)
式中，Tn为计算装配紧密度，与紧密度等级相关。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，能够预测螺栓法兰接头在高温长周期服役过程中的泄漏率变化趋势，不仅可使工程技术人员了解服役过程中的实时泄漏率，而且还可以根据长周期服役过程中的泄漏率变化规律，为选择泄漏控制时机提供依据。
(2)本发明计算方法较为简便，不需要进行高温下的泄漏率试验，就可以预测高温螺栓法兰接头在长周期服役过程中的泄漏率变化规律，节约经济成本。
附图说明
图1是本发明的实施流程示意图。
图2是本发明的螺栓法兰接头结构示意图。
图3是本发明长周期服役过程中的垫片应力变化趋势示意图。
图4是本发明获取的长周期服役过程中与时间相关的泄漏率变化趋势示意图。
图中标注符号的含义如下：
1-法兰 2-螺母 3-垫片 4-螺柱
具体实施方式
一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，获知螺栓法兰接头中法兰1、螺母2、垫片3、螺柱4各部件的规格尺寸、材料、螺栓法兰接头内部压力P、服役温度，服役温度为高温，服役时间t不小于100小时，选定紧密度等级，如图1所示，具体步骤如下：
S1、获知螺栓法兰接头中法兰1、螺母2、垫片3、螺柱4各部件的规格尺寸、材料、螺栓法兰接头内部压力P、服役温度，服役温度为高温；基于选定的紧密度等级，确定螺栓载荷Wm0(单位为N)；在该实施例中，紧密度等级为美国ASME PVRC提出的T1～T5五个等级，服役温度为400℃，选定的紧密度等级为T2和T3。
S2、根据螺栓法兰接头泄漏率的室温试验方法，该实施例中，螺栓法兰接头泄漏率的室温试验方法为美国ASME PVRC提出的室温试验方法(ROTT)，获得基于紧密度的垫片参数G，垫片参数G包含Gb、a和Gs三个参数(Gb和Gs单位为MPa，a无量纲)；以及获得室温下螺栓法兰接头的泄漏率L(单位为mg/s/mm)与室温下的操作垫片应力σ(单位为MPa)、室温下的装配垫片应力σg(单位为MPa)、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P(单位为MPa)之间的关系，具体公式为美国ASME PVRC提出的关系式，如下：
L＝[(145P/14.7)*(1/Tf)]2/150
其中，
σ＝r(ησg-P(Ai/Ag))
kf＝log(ησg/Gs)/logTc
Tc＝(ησg/Gb)(1/a)
式中，室温下螺栓法兰接头的泄漏率L、室温下的垫片操作应力σ和室温下的装配垫片应力σg均是与时间无关的；r为应力保持系数(在0.1至1.0之间，无量纲)；η为装配效率(无量纲)；Ai和Ag为分别为流体静压面积和垫片预紧面积(单位为mm2)；
S3、采用有限元计算方法，使用ABAQUS有限元分析软件，基于螺栓法兰接头中法兰1、螺母2、垫片3、螺柱4各部件的规格尺寸，输入各部件的弹性模量、泊松比、蠕变参数和垫片的压缩回弹曲线，建立螺栓法兰接头的有限元模型，螺栓法兰接头结构示意图如图2所示；
S4、在有限元模型上施加温度边界条件，采用热力学分析方法，计算高温下螺栓法兰接头的温度场分布，获得温度场分布结果；
S5、将温度场分布结果作为载荷边界条件之一，同时施加螺栓法兰接头内部压力P和螺栓载荷Wm0载荷边界条件，采用顺序耦合热应力分析方法，进行高温螺栓法兰接头热-结构耦合应力场分析，得到长周期服役初始时刻t＝0时的高温螺栓法兰接头的初始垫片应力σ(t＝0)，所述的热-结构耦合应力场分析包含螺栓法兰接头的预紧、升温、加压阶段；
S6、保持螺栓法兰接头内部压力P和螺栓载荷Wm0的载荷边界条件，保持螺柱长度不变，考虑长周期服役过程中的螺栓、法兰、垫片的蠕变，进行高温下螺栓法兰接头的蠕变分析，获得螺栓法兰接头在长周期服役过程中与服役时间t相关的操作垫片应力σ(t)，如图3所示。在该实施例中，服役时间为10000小时。图3给出了T2和T3两个紧密度等级下的最大垫片应力和平均垫片应力随服役时间的变化规律，最大垫片应力和平均垫片应力均可作为操作垫片应力来计算高温下螺栓法兰接头与服役时间t相关的泄漏率；
S7、使用高温下随时间变化的操作垫片应力σ(t)代替步骤S2中的与时间无关的操作垫片应力σ，同时将室温下的装配垫片应力σg更改为高温下的装配垫片应力σ'g，建立高温下螺栓法兰接头的泄漏率L(t)(单位为mg/s/mm)与高温下的操作垫片应力σ(t)(单位为MPa)、高温下的装配垫片应力σ'g(单位为MPa)、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P(单位为MPa)之间的关系：
L(t)＝F(σ(t),σ'g,G,P) (1)
式中，F表示函数关系；高温下螺栓法兰接头的泄漏率L(t)和高温下的垫片操作应力σ(t)均是与时间相关的。
具体公式为
L(t)＝[(145P/14.7)*(1/Tf)]2/150 (2)
其中，
kf＝log(ησ'g/Gs)/logTc (4)
Tc＝(ησ'g/Gb)(1/a) (5)
σ'g＝(Gb/η)(Tn)a (6)
式中，Tn为计算装配紧密度(无量纲)，与紧密度等级相关。
S8、综合公式(2)～(6)，将有限元计算获取的与时间相关的操作垫片应力σ(t)，即T2和T3两个紧密度等级下的最大垫片应力和平均垫片应力等数据代入，计算获得高温螺栓法兰接头在长周期服役过程中与时间相关的泄漏率L(t)，如图4所示。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、获知螺栓法兰接头中法兰(1)、螺母(2)、垫片(3)、螺柱(4)各部件的规格尺寸、材料、螺栓法兰接头内部压力P、服役温度，服役温度为高温；基于选定的紧密度等级，确定螺栓载荷Wm0；
S2、根据螺栓法兰接头泄漏率的室温试验方法，获得基于紧密度的垫片参数G，垫片参数G包含Gb、a和Gs三个参数；以及获得室温下螺栓法兰接头的泄漏率L与室温下的操作垫片应力σ、室温下的装配垫片应力σg、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P之间的关系；
S3、采用有限元计算方法，建立螺栓法兰接头的有限元模型；
S4、在有限元模型上施加温度边界条件，采用热力学分析方法，计算高温下螺栓法兰接头的温度场分布，获得温度场分布结果；
S5、将温度场分布结果作为载荷边界条件之一，同时施加螺栓法兰接头内部压力P和螺栓载荷Wm0载荷边界条件，采用顺序耦合热应力分析方法，进行高温螺栓法兰接头热-结构耦合应力场分析，得到长周期服役初始时刻t＝0时的高温螺栓法兰接头的初始垫片应力σ(0)；
S6、保持螺栓法兰接头内部压力P和螺栓载荷Wm0的载荷边界条件，保持螺柱长度不变，进行高温螺栓法兰接头的蠕变分析，获得高温螺栓法兰接头在长周期服役过程中与服役时间t相关的操作垫片应力σ(t)，σ(t)包括t＝0时的初始垫片应力σ(0)；
S7、建立高温下螺栓法兰接头的泄漏率L(t)与高温下的操作垫片应力σ(t)、高温下的装配垫片应力σ′g、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P之间的关系：
L(t)＝F(σ(t),σ′g,G,P) (1)
式中，F表示函数关系，用高温下随时间变化的操作垫片应力σ(t)代替步骤S2中的与时间无关的操作垫片应力σ，同时将室温下的装配垫片应力σg更改为高温下的装配垫片应力σ′g；
S8、计算高温下螺栓法兰接头在长周期服役过程中与时间相关的泄漏率L(t)。
2.根据权利要求1所述的一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，其特征在于，步骤S3通过ABAQUS或ANSYS有限元分析软件建立有限元模型。
3.根据权利要求1所述的一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，其特征在于，步骤S5所述的热-结构耦合应力场分析包含螺栓法兰接头的预紧、升温、加压阶段。
4.根据权利要求1所述的一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，其特征在于，步骤S6中，服役时间t不小于100小时。
5.根据权利要求1所述的一种与时间相关的高温螺栓法兰接头泄漏率预测方法，其特征在于，步骤S7中，建立高温下螺栓法兰接头的泄漏率L(t)与高温下的操作垫片应力σ(t)、高温下的装配垫片应力σ′g、垫片参数G、螺栓法兰接头内部压力P之间的关系，如下：
L(t)＝[(145P/14.7)*(1/Tf)]2/150 (2)
其中，
kf＝log(ησ'g/Gs)/logTc (4)
Tc＝(ησ'g/Gb)(1/a) (5)
σ'g＝(Gb/η)(Tn)a (6)
式中，η为装配效率，Tn为计算装配紧密度，与紧密度等级相关。
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