CN110940506B - 一种高温紧固件性能监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温紧固件性能监测系统及监测方法，属于蒸汽动力设备或燃气动力设备技术领域。本发明的监测系统包括：数据采集单元、与所述数据采集单元连接的数据处理单元、与所述数据处理单元连接的网页服务器、分别与所述网页服务器连接的多个终端展示器。本发明解决了在机组运行过程中不能实时监测紧固件密封状态及紧固件强度的问题。

Description

一种高温紧固件性能监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于蒸汽动力设备或燃气动力设备技术领域，特别是涉及一种高温紧固件性能监测系统及监测方法。

背景技术

汽轮机的缸体或阀门或者燃机汽轮机的缸体等高温高压设备，常采用上下半或前后半设计，为避免高温高压蒸汽泄漏至设备内其它腔室或大气中，必须使用紧固件将部件的上下半或前后半的结合面连接起来，并通过紧固件预紧的方法，保证部件的结合面在机组的整个服役期间具有良好的密封性能。随着机组功率等级及朗肯热力循环热效率的提高，更高进汽温度及压力成为汽轮机行业技术发展的方向，由此也导致了紧固件的工作温度及内部轴向应力水平的显著提升，而使得高温紧固件在寿命周期内面临：因材料蠕变而导致紧固件紧力下降，从而导致紧固件的功能性失效问题，即引发蒸汽泄漏事故；紧固件疲劳与蠕变交互损伤带来的强度失效问题，即引发紧固件断裂事故。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温紧固件性能监测系统及监测方法，解决了在机组运行过程中不能实时监测紧固件密封状态及紧固件强度的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种高温紧固件性能监测系统，其包括：

数据采集单元，其用于采集多个紧固件和多处密封法兰的工作温度，其包括：

密封法兰，包括上半部和下半部，所述密封法兰上设有多个第一测温孔；

多个紧固件，穿过所述密封法兰，将所述上半部和所述下半部紧固，所述紧固件上设有第二测温孔；

多个第一测温器，其设置在所述第一测温孔内，所述第一测温器设置在所述密封法兰上半部高度的一半位置处；

多个第二测温器，其设置在所述第二测温孔内，且其中一个所述第二测温器位于所述上半部和所述下半部的结合面；

数据处理单元，其与所述数据采集单元连接，其依据所述数据采集单元采集的数据，获得所述紧固件的轴向应力值，并依据所述轴向应力值，评估所述紧固件的密封状态和强度性能；

网页服务器，其与所述数据处理单元连接，用于获取所述紧固件的密封状态和所述强度性能的评估结果；

多个终端展示器，所述多个终端展示器与所述网页服务器连接，用于展示由所述网页服务器获取的所述紧固件的密封状态和所述强度性能的评估结果。

在本发明的一个实施例中，所述第一测温器设置在所述密封法兰下半部高度的一半位置处。

本发明还提供一种高温紧固件性能监测方法，其至少包括以下步骤：

通过数据采集单元采集多个紧固件和多处密封法兰的工作温度；

所述数据采集单元包括：

密封法兰，包括上半部和下半部，所述密封法兰上设有多个第一测温孔；

多个紧固件，穿过所述密封法兰，将所述上半部和所述下半部紧固，所述紧固件上设有第二测温孔；

多个第一测温器，其设置在所述第一测温孔内；

多个第二测温器，其设置在所述第二测温孔内，且其中一个所述第二

测温器位于所述上半部和所述下半部的结合面；

数据处理单元依据所述数据采集单元采集的数据，获得所述紧固件的轴向应力值；

所述数据处理单元依据所述轴向应力值，评估所述紧固件的密封状态和强度性能；

所述数据处理单元将所述密封状态和所述强度性能的评估结果反馈至网页服务器；

所述网页服务器将所述密封状态和所述强度性能的评估结果传输至多个终端展示器展示。

在本发明的一个实施例中，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述轴向应力值，获得所述紧固件剩余紧力值。

在本发明的一个实施例中，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：将所述紧固件剩余紧力值与许用的剩余紧力值阈值比较，评估所述紧固件的密封状态。

在本发明的一个实施例中，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述轴向应力值，获得紧固件疲劳寿命损伤值。

在本发明的一个实施例中，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述轴向应力值，获得紧固件蠕变损伤量值。

在本发明的一个实施例中，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述疲劳寿命损伤值及所述蠕变损伤量值获得所述紧固件的剩余寿命值。

在本发明的一个实施例中，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：将所述剩余寿命值与许用的剩余寿命值阈值比较，评估所述紧固件的强度性能。

本发明可实现对高温高压条件下紧固件的密封状态和强度安全性能相关的紧固件剩余紧力和剩余寿命进行定量评估。通过对密封状态及强度性能进行实时在线监测，利于及早发现工作机组的安全隐患，保证机组的安全运行。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高温紧固件性能监测系统的结构示意图；

图2中图1中数据采集单元的结构正视图；

图3中图1中数据采集单元的结构俯视图；

图4为本发明高温紧固件性能监测方法的流程图；

图5为图1中数据处理单元中获得的第一轴向应力值曲线；

图6为图1中数据处理单元中获得的第二轴向应力值曲线；

图7为图1中数据处理单元中获得的第三轴向应力值曲线；

图8为图1中数据处理单元中对第三轴向应力值曲线处理后获得的第四波谱图；

图9为图1中数据处理单元对图8中第四波谱图进行四点雨流法处理后获得的多个循环载荷下紧固件轴向应力波谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图9所示，本发明提供一种高温紧固件性能监测系统，其包括：数据采集单元1、第一数据库存储器2、第二数据库存储器3、数据处理单元4、网页服务器5、多个终端展示器6和控制系统7。

请参阅图1至图9所示，数据采集单元1包括：密封法兰11、多个紧固件 12、第一测温器14和第二测温器16，数据采集单元1用于采集紧固件12和密封法兰11实时温度数据。其中密封法兰11用于密封腔室内的高温高压蒸汽，密封法兰11包括上半部密封法兰111和下半部密封法兰112，上半部密封法兰 111和下半部密封法兰112具有紧密贴合的结合面，在密封法兰11上可以设有多个第一测温孔13，在本实施例中例如包括两个第一测温孔13，每个第一测温孔13内可以设有一个第一测温器14，也可以设有多个第一测温器14，本实施例中，在密封法兰11上例如设有两个第一测温孔13，每个第一测温孔13内例如设有一个第一测温器14，两个第一测温器14分别布置在上半部密封法兰111 高度的一半位置处和下半部密封法兰111高度的一半位置处。多个紧固件12穿过密封法兰11，将上半部密封法兰111和下半部密封法兰112紧固，紧固件12 上可以设有沿纵向延伸的第二测温孔15，第二测温孔15的延伸位置可以根据温度待测点的位置确定。在第二测温孔15可以设有多个第二测温器16，本实施例中，在第二测温孔15中，例如设有两个第二测温器16，其中一个第二测温器16布置在上半部密封法兰111和下半部密封法兰112的结合面处，用于测量上半部密封法兰111和下半部密封法兰112的结合面处的温度。另一个第二测温器16由第二测温孔15伸入上半部密封法兰111高度的一半位置处，用于测量紧固件12在上半部密封法兰111高度一半位置处的工作温度。通过第一测温器 14和第二测温器16可以测得上半部密封法兰111和下半部密封法兰112的结合面处的温度，以此可以判断上半部密封法兰111和下半部密封法兰112的结合面处是否发生泄漏，也可以测得密封法兰11温度，监测机组启动停机过程和变工况过程中紧固件12和密封法兰11之间的温度差，以此可以判断附加在紧固件12上的应力值，评估紧固件12的强度性能。

请参阅图1至图9所示，运行机组将运行过程中采集的数据信息输入控制系统7，例如输入分散控制系统(DCS系统)，DCS系统将数据信息例如经网闸、接口机、物理隔离装置等设备传入第一数据库存储器2。通过向第一数据库存储器2索取数据“读取”权限，并基于其二次开发接口，组建第二数据库存储器3，完成数据采集单元1采集的工作温度及相关运行数据的存储工作，数据存储频率例如在0.5s至2min范围。

请参阅图1至图9所示，数据处理单元4与第二数据库存储器3连接，数据处理单元4调取数据库所存储的历史和实时运行数据，经分析计算后，获取当前高温高压紧固件12的剩余紧力值和剩余寿命值，并将二者分别与各自的许用阈值作对比，完成对紧固件12密封状态及强度性能的定量评估。

请参阅图1至图9所示，数据处理单元4将紧固件12密封状态及强度性能的定量评估结果上传至网页服务器5，相关人员可以通过查看网页服务器5，从而获得紧固件12密封状态及强度性能的信息。

请参阅图1至图9所示，网页服务器5还连接有多个终端展示器6，网页服务器5上的紧固件12密封状态及强度性能的信息可以通过多个终端展示器6，例如手机、电脑等，方便相关人员能够随时查看紧固件12密封状态及强度性能，并对其进行监控。

请参阅图1至图9所示，本发明还提供一种高温紧固件12性能监测方法，其至少包括以下步骤：

请参阅图1至图9所示，在步骤S1中，通过数据采集单元1采集紧固件12 和密封法兰11的工作温度，本实施例中紧固件12以螺栓为例，例如在被监测螺栓和附近密封法兰11处布置多处第一测温器14和第二测温器16。其中第一测温器14可以在上半部密封法兰111高度的一半位置处和下半部密封法兰112 高度的一半位置处各布置一处，第二测温器16可以布置在上半部密封法兰111 和下半部密封法兰112的结合面处，这样做的目的是可通过直接监测此处温度值判断是否已发生漏汽，因为如果发生漏汽现象，此处温度值将比未发生漏汽时来得高。第二测温器16还可以布置在上半部密封法兰111高度的一半位置处。运行机组将运行过程中采集的数据信息输入控制系统7，例如输入分散控制系统 (DCS系统)，DCS系统将数据信息例如经网闸、接口机、物理隔离装置等设备传入第一数据库存储器2。通过向第一数据库存储器2索取数据“读取”权限，并基于其二次开发接口，组建第二数据库存储器3，完成数据采集单元1采集的工作温度及相关运行数据的存储工作，数据存储频率例如在0.5s至2min范围。

请参阅图1至图9所示，在步骤2和步骤3中，数据处理单元4调取数据库所存储的历史和实时运行数据，经分析计算后，获取当前高温高压紧固件12 的剩余紧力值和剩余寿命值，并将二者分别与各自的许用阈值作对比，完成对紧固件12密封状态及强度性能的定量评估。对紧固件12密封状态及强度性能的定量评估的具体步骤如下：

1、对紧固件12密封状态的定量评估：

1.1在机组安装阶段，记录所监测紧固件12的初始紧力值σ₀，同时根据紧固件12工作服役环境及设计要求，确定其满足密封性能要求所需的最小紧力σ_cr；

1.2机组在第一工作状态下稳态运行时，通过数据采集单元1采集紧固件12 与密封法兰11的工作温度，分别记为T_b和T_f；

其中，n和k分别是对紧固件12和密封法兰11温度采集的个数。

1.3依据紧固件12与法兰的工作温度T_b、T_f，并结合紧固件12与密封法兰 11的材料物性数据及已测得的初始紧力值σ₀，获得在第一工作状态下，紧固件 12的轴向应力值σ₁：

σ₁＝σ(T_b,T_f,σ₀,α_b,α_f,E_b,E_f)

其中α_b为紧固件12的线膨胀系数、α_f为密封法兰11的线膨胀系数、E_b为紧固件12的弹性模量、E_f为密封法兰11的弹性模量。

1.4通过数据采集单元1采集在第一工作状态下的持续运行时间t₁，结合紧固件12材料的蠕变特性数据，获得紧固件12在第一工作状态下，持续运行t₁时间时，紧固件12剩余紧力值σ_1c：

σ_1c＝σ(T_b,σ₁,t₁,B,n)

其中，B和n是描述紧固件12材料松弛行为的Norton常数。

1.5将σ_1c与许用值K*σ_cr进行对比，若σ_1c>K*σ_cr，则评估紧固件12的密封状态为安全，若σ_1c<＝K*σ_cr，则评估紧固件12的密封状态为危险，并向运行人员发送警告信息。式中K为安全系数，且K≤1。

1.6当机组运行状态发生变化，由第一工作状态变为第二工作状态，则以σ_1c作为初始值，相应的通过数据采集单元1采集机组在第二工作状态下的持续运行时间t₂、紧固件12工作温度T_b2、密封法兰11工作温度T_f2，并重复步骤(1.2) -(1.5)，以此对紧固件12密封状态进行实时在线监测与评估。

2、对紧固件12强度性能的定量评估：

2.1疲劳寿命损伤评估：

2.1.1通过数据采集单元1采集紧固件12与密封法兰11的工作温度T_b和T_f，结合紧固件12与密封法兰11的材料物性数据及紧固件12初始紧力值σ₀，获取在整个运行过程中紧固件12的第一轴向应力值曲线。

2.1.2对第一轴向应力值曲线依次进行峰谷化和滤波处理，分别获得第二轴向应力值曲线和第三轴向应力值曲线。峰谷化处理，是指只保留轴向应力值变化曲线中，轴向应力值发生转折拐点的应力，即保留轴向应力值由“上升变为下降”和由“下降变为上升”的拐点轴向应力值，如此可大幅减少轴向应力值变化曲线中的数据信息量。滤波处理，是指将峰谷化后的轴向应力值变化曲线中，相邻的轴向应力峰谷差值小于某一阈值a的应力变化曲线进行抹除。a值的大小可以是某一固定值，也可以是轴向应力值变化曲线中最大峰谷差值的百分比，例如a＝(轴向应力峰值-轴向应力谷值)*5％。

2.1.3对第三轴向应力值曲线例如采用四点雨流法处理，获得多个循环载荷下的紧固件轴向应力值波谱图。具体步骤为，首先对第三轴向应力值曲线进行处理获得第一波谱图，再对第一波谱图进行四点雨流法处理获得多个循环载荷下的紧固件轴向应力值波谱图。

2.1.4多个循环载荷下的紧固件轴向应力值波谱图上分别对应了多个疲劳寿命损伤值D_fi，疲劳寿命损伤值D_fi的获取方法如下：

根据公式

其中，

为总轴向应变幅值，

为轴向应变幅值中的弹性应变幅值部分，

为轴向应变幅值中的塑性应变幅值部分，σ_f′为紧固件12所用材料的疲劳强度系数，E为紧固件12所用材料的弹性模量，N_f为循环工作次数，ε_f′为紧固件12 所用材料的疲劳塑性系数，b为紧固件12所用材料的疲劳强度指数，c为紧固件12所用材料的疲劳塑性指数。

获得疲劳寿命损伤值为：

其中i为运行过程中轴向应力循环导致的疲劳寿命损伤次数。

2.1.5将多个疲劳寿命损伤值进行加和，获得总的疲劳寿命损伤值D_f：

2.2蠕变损伤评估：

2.2.1参照紧固件12密封状态定量评估方法中紧固件12的轴向应力值σ₁的获取方法，获得紧固件12在第一工作状态下，持续运行t₁时间时，紧固件12 剩余紧力值σ_1c。

2.2.2结合材料的LMP公式，获取在第一工作状态下的断裂时间t_r1。

2.2.3结合公式

获得在第一工作状态下的紧固件12蠕变损伤量值 D_c1。

2.2.4当运行状态由第一工作状态变化为第二工作状态时，重复步骤(2.2.1) -(2.2.3)，获得在第二工作状态下的紧固件12蠕变损伤量值D_c2。

2.2.5若当前紧固件12已经历n个稳态运行状态，获得紧固件12的总蠕变损伤量值Dc为：

2.3紧固件12疲劳-蠕变的剩余寿命值评估：

对当前状态下，高温高压紧固件12的疲劳-蠕变剩余寿命值D进行评估：

D＝D_f+D_c

2.4强度性能评估：

将剩余寿命值D与许用的剩余寿命值阈值[D]进行对比，若D<[D]，则评估为安全；若D>＝[D]，则评估为危险，向运行人员发送警告信息。[D]为许用的剩余寿命值阈值，[D]<1。

请参阅图1至图9所示，在步骤4中，通过数据处理单元4将紧固件12密封状态及强度性能的定量评估结果上传至网页服务器5，相关人员可以通过查看网页服务器5，从而获得紧固件12密封状态及强度性能的信息。

请参阅图1至图9所示，在步骤5中，网页服务器5还连接有多个终端展示器6，网页服务器5上的紧固件12密封状态及强度性能的信息可以通过多个终端展示器6，例如手机、电脑等，方便相关人员能够随时查看紧固件12密封状态及强度性能，并对其进行监控。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种高温紧固件性能监测系统，其特征在于，其包括：

数据采集单元，其用于采集多个紧固件和多处密封法兰的工作温度，其包括：

密封法兰，包括上半部和下半部，所述密封法兰上设有多个第一测温孔；

多个紧固件，穿过所述密封法兰，将所述上半部和所述下半部紧固，所述紧固件上设有第二测温孔；

多个第一测温器，其设置在所述第一测温孔内，所述第一测温器设置在所述密封法兰上半部高度及下半部高度的一半位置处；

多个第二测温器，其设置在所述第二测温孔内，且其中一个所述第二测温器位于所述上半部和所述下半部的结合面；

数据处理单元，其与所述数据采集单元连接，其依据所述数据采集单元采集的数据，获得所述紧固件的轴向应力值，并依据所述轴向应力值，评估所述紧固件的密封状态和强度性能；

网页服务器，其与所述数据处理单元连接，用于获取所述紧固件的密封状态和所述强度性能的评估结果；

多个终端展示器，所述多个终端展示器与所述网页服务器连接，用于展示由所述网页服务器获取的所述紧固件的密封状态和所述强度性能的评估结果。

2.一种高温紧固件性能监测方法，其特征在于，其至少包括以下步骤：

通过数据采集单元采集多个紧固件和多处密封法兰的工作温度；

所述数据采集单元包括：

密封法兰，包括上半部和下半部，所述密封法兰上设有多个第一测温孔；

多个紧固件，穿过所述密封法兰，将所述上半部和所述下半部紧固，所述紧固件上设有第二测温孔；

多个第一测温器，其设置在所述第一测温孔内，所述第一测温器设置在所述密封法兰上半部高度及下半部高度的一半位置处；

多个第二测温器，其设置在所述第二测温孔内，且其中一个所述第二测温器位于所述上半部和所述下半部的结合面；

数据处理单元依据所述数据采集单元采集的数据，获得所述紧固件的轴向应力值；

所述数据处理单元依据所述轴向应力值，评估所述紧固件的密封状态和强度性能；

所述数据处理单元将所述密封状态和所述强度性能的评估结果反馈至网页服务器；

所述网页服务器将所述密封状态和所述强度性能的评估结果传输至多个终端展示器展示。

3.根据权利要求2所述一种高温紧固件性能监测方法，其特征在于，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述轴向应力值，获得所述紧固件剩余紧力值。

4.根据权利要求3所述一种高温紧固件性能监测方法，其特征在于，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：将所述紧固件剩余紧力值与许用的剩余紧力值阈值比较，评估所述紧固件的密封状态。

5.根据权利要求2所述一种高温紧固件性能监测方法，其特征在于，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述轴向应力值，获得紧固件疲劳寿命损伤值。

6.根据权利要求5所述一种高温紧固件性能监测方法，其特征在于，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述轴向应力值，获得紧固件蠕变损伤量值。

7.根据权利要求6所述一种高温紧固件性能监测方法，其特征在于，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：依据所述疲劳寿命损伤值及所述蠕变损伤量值获得所述紧固件的剩余寿命值。

8.根据权利要求7所述一种高温紧固件性能监测方法，其特征在于，所述高温紧固件性能监测方法的步骤还包括：将所述剩余寿命值与许用的剩余寿命值阈值比较，评估所述紧固件的强度性能。

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