一种带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的泄漏率预测方法，针对现有带防松弛垫圈螺栓法兰连接结构泄漏率无法预测的缺陷，通过建立带防松弛垫圈的螺栓法兰连接的变形协调方程、计算垫片的预紧和工作应力，依据紧密性理论，建立带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的泄漏率预测方法，从而实现连接结构的泄漏率预测。本发明专利技术所涉及的带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的泄漏率预测方法计算原理和方法简单，预测结果准确，可以广泛应用于包括高温高压且温度和压力均有较大波动场合下该种连接结构的泄漏率预测计算。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及垫片密封技术，尤其是一种带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的泄漏率预 测方法。
技术介绍
螺栓法兰垫片密封广泛应用于过程工业的设备和管道连接中，连接结构的失效极少是 因强度不足引起的，泄漏是失效的主要原因。尤其在高温工况下，由于垫片性能的劣化， 加之由介质压力、温度共同作用下螺栓伸长和法兰偏转，法兰密封面和垫片间出现相对分 离倾向导致的垫片压紧应力减小，更易造成连接系统密封性能下降甚至产生泄漏。在螺栓法兰连接系统中，预紧时垫片的压缩性能是保证其表面与法兰面形成初始密套才 的基本条件；而在操作工况下，垫片的回弹性能是补偿密封面相对分离、保持垫片压紧应 力的必要前提。然而要求垫片同时具备良好密封性能和较高的回弹性能，往往是难以做到 的，因为初始密封时垫片中有较大密封应力，在高温工况下，具有较大预应力的垫片受温 度和介质压力的共同作用，将产生显著的蠕变和应力松弛，其压縮回弹性能明显下降；此 外，垫片材料发生氧化或热分解，屈服强度降低，塑性变形量增大，必将导致垫片回弹性 能下降。国内外研究人员就垫片在高温下的力学性能进行了大量的试验研究，试图找到一 种表面屈服性能和高温下整体回弹性能较好的垫片以提高系统的密封性能，然而并未得出 满意的结果。要解决该问题，可在如图1所示的连接系统中引入弹性元件，即在螺母和法 兰之间加入若干个防松弛垫圈，如图2，利用防松弛垫圈优异的回弹性能补偿高温下垫片与 法兰密封面间的松弛，维持足够的工作比压，解决因垫片上残余应力下降造成的介质泄漏 问题。在静载荷和温度变化不太大的情况下，拧紧的螺纹连接件因满足自锁条件， 一般不会 自行松脱。但受振动、冲击或变载荷时，螺纹之间的摩擦力可能瞬时消失，连接有可能松 动，而影响正常工作，因此， 一般需采取一定的防松措施，比如加入防松弛的各种垫圈、 销、双螺母、紧定螺钉等。而作为传统的防松紧固件，弹簧垫圈由于其制作成本低廉，安装使用方便，在普通机电产品中已被广泛采用。但普通弹簧垫圈存在防松可靠性差、适用 温度范围小等缺陷，不能较好满足高可靠、高安全性的螺栓法兰连接要求，故近年来国内 外许多学者在螺栓连接结构用高性能防松弛垫圈的研究与开发方面开展了较多的工作。防松弛垫圈在结构与碟形弹簧相近，常用于高温、高压、载荷波动、危险介质等苛刻 工况以及对紧密性要求很高的螺栓法兰连接中。1998年，芬兰的Keto-Tokoi专利技术了一种由 可变形金属构成的活压垫圈，用来保证螺栓连接结构的紧密性。当工作温度达到一定值时, 该垫圈变成杯形，低于一定温度时则变成碟形，保证了螺栓法兰连接结构的预紧力在期望 的范围内，确保连接的密封性能。日本学者土川善司于2000年开发了一种螺母防松垫圈， 所专利技术的垫圈具有贯通螺栓轴心的贯通孔，其环状垫圈下表面为倾斜面，当螺栓以规定的 扭矩上紧时，螺母的下表面与垫圈的上表面贴紧，使垫圈倾斜面与被紧固构件的上表面咬 合，产生沿螺栓轴向的附加压力，从而可有效防止螺母的松动。2003年，Muhammad等人 对管道系统的螺栓法兰连接在有无垫圈情况下的密封性能进行了研究，介绍了在静载条件 下满足零泄漏要求的最优螺栓法兰垫圈连接系统模型。Chesterton和Klinger等公司的防松 弛垫圈产品已在我国部分石油化工企业得到了应用。在国内，早在1991年，段英贤、张放等人已经将这一新型垫圈引入到国产起重机的设 计与制造中，并从设计计算、制造工艺等方面进行了理论分析和试验研究，得出了其防松 效果优于一般弹簧垫圈的结论。1999年，西南工学院的夏静波、鲁绪芝等人在分析弹簧垫 圈性能的基础上，阐述了将其引入受轴向载荷的螺栓连接后对系统承载能力的影响，结果 表明在系统中引入弹性元件提高了螺栓的疲劳强度。武汉工业大学的刘德安、刘隽等人于 同年应用螺栓一垫圈应力理论对FRP结构搭接点预紧力进行了研究，试验结果表明，接点 的应力松弛状况得到非常明显的改善。Tseng Shao-Chien在2002年专利技术了一种防锁死、防 震、密封性好的螺栓螺母结构，该结构由活压垫圈、外螺套、衬垫和螺母等组成。国内顾 伯勤、陈晔等对螺栓法兰连接用弹性垫圈载荷变形特性进行了研究，提出了弹性垫圈优化设计方法，探讨了带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的紧密性评价方法。法兰连接的紧密性定义为在一定的操作条件下，法兰连接的泄漏率是否低于某一规 定的指标泄漏率；或者在某一规定的泄漏率指标下，密封连接能够承受的最高操作条件如 温度、压力等是否符合实际工况要求。满足上述条件的连接是紧密的，反之则认为是不紧 密的。现行ASME规范所规定的法兰密封设计方法中，将垫片的基本性能用垫片预紧密封比 压Y和垫片系数m来表示，认为实现密封只需保证预紧时垫片上的单位预紧载荷大于y值，而操作时垫片上的残余应力大于M与/7的乘积，并由此计算出所需的螺栓载荷。该设计方 法未涉及定量泄漏的概念，没有将法兰连接作为一个静不定系统进行分析，也没有考虑到 高温条件下螺栓、垫片的蠕变和松弛会使垫片应力显著降低而引起泄漏。原西德的DIN2505-90标准虽然考虑了操作温度下垫片的蠕变松弛会降低法兰连接的密 封性能以及停工和开工时垫片的受力的变化，但是，该方法主要引用预紧和操作时垫片的 特性值&、 ^作为基本参数，认为Ko和/d对同一垫片和同一介质为常数，并以此分别计 算预紧和操作时所需的螺栓载荷。因而该方法也存在着一些与ASME规范类似的不足，整 个计算过程(包括垫片系数本身)与法兰连接的密封性能没有明确的定量关系。ASME锅炉和压力容器委员会(PVRC)在近30年中进行了广泛的垫片试验研究工作， 在积累了大量数据的基础上，提出了基于紧密度要求的螺栓法兰载荷计算方法，形成了 ASME规范附录的螺栓法兰连接设计新方法。该方法采用具有紧密度或泄漏率特性的垫片 系数Gb、 a和Gs代替了规范中的加和》从而使法兰设计建立在密封准则之上。紧密度是 包含了介质压力和泄漏率的一个综合概念，用以度量在给定螺栓载荷下法兰接头限制泄漏 的能力。综上所述，国内外学者对防松弛垫圈的研究主要集中在防松弛垫圈结构设计和连接密 封性能试验研究基础上，尚未有与工程实际相结合、对带防松弛垫圈螺栓法兰连接结构泄 漏率进行准确预测的理论和方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有带防松弛垫圈螺栓法兰连接结构泄漏率无法 预测的缺陷，通过建立带防松弛垫圈的螺栓法兰连接的变形协调方程、计算垫片的预紧和 工作应力，依据紧密性理论，建立， 从而实现连接结构的泄漏率预测。本专利技术是采取以下的技术方案来实现的。 一种，包括以下步骤a)根据螺栓的变形量公式么/ = /32-/51计算螺栓总的变形量Al,式中lw为预紧工况下螺栓长度、lB2为操作工况下螺栓长度； 当连接系统的工作温度处于螺栓材料的蠕变温度范围时，随着服役时间的增加，螺栓 除了初始变形外，还会产生由蠕变引起的塑性变形，即螺栓的总应变^应由起始的弹性和塑性应变^。和蠕变应变^。两部分组成，即^考虑高温蠕变的影响，在预紧和操作工况下，由螺栓载荷，包括轴向力和温度,计算得到 的长度分别为 /別(1)2 = /0 + &『2 + /0 (《-W ) + S ( 2 )则螺栓总的变形量为~2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的泄漏率预测方法，其特征是包括以下步骤： ａ）根据螺栓的变形量公式Δｌ＝ｌ↓［Ｂ２］－ｌ↓［Ｂ１］计算螺栓总的变形量Δｌ，式中ｌ↓［Ｂ１］为预紧工况下螺栓长度、ｌ↓［Ｂ２］为操作工况下螺栓长度； ｂ）通过防松弛垫圈回弹量公式ΔＤ＝Ｄ↓［压］－Ｄ↓［弹］计算防松弛垫圈回弹量ΔＤ，式中Ｄ↓［压］为预紧时防松弛垫圈的轴向压缩量，Ｄ↓［弹］为操作时的轴向压缩量； ｃ）通过垫片操作工况条件下的变形量公式ΔＤ↓［１］＝Ｄ↓［Ｋ］－（Ｄ↓［Ｇ］＋Ｄ↓［Ｐ］）计算垫片操作工况条件下的变形量ΔＤ↓［１］，式中Ｄ↓［Ｋ］为预紧时垫片的压缩量、Ｄ↓［Ｇ］为操作时垫片的压缩量，Ｄ↓［Ｐ］为垫片蠕变量； ｄ）通过法兰操作工况条件下的变形量公式ΔＤ↓［Ｆ］＝２（Ｄ↓［Ｆ２］－Ｄ↓［Ｆ１］）－２Ｄ↓［Ｆｔ］计算法兰操作工况条件下的变形量ΔＤ↓［Ｆ］，式中Ｄ↓［Ｆ１］、Ｄ↓［Ｆ２］分别为螺栓中心圆处两个法兰的位移，Ｄ↓［Ｆｔ］为法兰环的轴向热膨胀变形量； ｅ）将压缩过程中垫片应力与变形关系式Ｓ↓［Ｋ］＝（Ａ↓［Ｃ］－Ｂ↓［Ｃ］Ｔ↓［２］）Ｄ↓［Ｋ］↑［Ｎ↓［Ｃ］］ （４） 与卸载过程中垫片应力与变形关系式 Ｓ↓［Ｇ］／Ｓ↓［Ｋ］＝Ａ↓［Ｓ］＋Ｂ↓［Ｓ］［Ｄ↓［Ｇ］／Ｄ↓［Ｋ］］↑［（Ａ↓［Ｔ］＋Ｂ↓［Ｔ］Ｔ↓［２］）］ （５） 代入变形协调方程２（Ｄ↓［压］－Ｄ↓［弹］）＋Ｄ↓［Ｋ］－（Ｄ↓［Ｇ］＋Ｄ↓［ｐ］）＝（ｌ↓［Ｂ２］－ｌ↓［Ｂ１］）＋２（Ｄ↓［Ｆ２］－Ｄ↓［Ｆ１］）－２Ｄ↓［Ｆｔ］ （６） 计算得到垫片残余压紧应力Ｓ↓［Ｇ］； 以上各式中，ＳＫ为垫片的预紧应力、Ａ↓［Ｃ］、Ｂ↓［Ｃ］、Ｎ↓［Ｃ］、Ａ↓［Ｓ］、Ｂ↓［Ｓ］、Ａ↓［Ｔ］、Ｂ↓［Ｔ］为垫片压缩的回归系数； 并根据试验条件下垫片的密封性能公式Ｌ＝Ａ↓［Ｌ］ＰＴ↑［Ｍ↓［Ｌ］］Ｓ↓［Ｇ］↑［Ｎ↓［Ｌ］］ （７） 计算试验室条件下的泄漏率Ｌ，式中，Ｐ为操作介质压力，Ａ↓［Ｌ］、Ｍ↓［Ｌ］和Ｎ↓［Ｌ］均为试验得到的回归系数； ｆ）根据泄漏率修正公式Ｌ↓［Ｒ］＝ｂ↓［１］η↓［１］／ｂ↓［２］η↓［２］↑［ｔ］Ｌ （８） 获得系统实际泄漏率Ｌ↓［Ｒ］，式中，ｂ↓［１］、ｂ↓［２］分别为试验垫片和实际垫片的有效密封宽度、η↓［１］为试验介质在试验温度下的粘度、η↓［２］↑［ｔ］为实际介质在操作温度下的粘度。...
【技术特征摘要】
1、一种带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的泄漏率预测方法，其特征是包括以下步骤a)根据螺栓的变形量公式Δl＝lB2-lB1计算螺栓总的变形量Δl，式中lB1为预紧工况下螺栓长度、lB2为操作工况下螺栓长度；b)通过防松弛垫圈回弹量公式ΔD＝D压-D弹计算防松弛垫圈回弹量ΔD，式中D压为预紧时防松弛垫圈的轴向压缩量，D弹为操作时的轴向压缩量；c)通过垫片操作工况条件下的变形量公式ΔD1＝DK-(DG+DP)计算垫片操作工况条件下的变形量ΔD1，式中DK为预紧时垫片的压缩量、DG为操作时垫片的压缩量，DP为垫片蠕变量；d)通过法兰操作工况条件下的变形量公式ΔDF＝2(DF2-DF1)-2DFt计算法兰操作工况条件下的变形量ΔDF，式中DF1、DF2分别为螺栓中心圆处两个法兰的位移，DFt为法兰环的轴向热膨胀变形量；e)将压缩过程中垫片应力与变形关系式 id=icf0001 file=A2009101834310002C1.tif wi=55 he=4 top= 142 left = 105 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/>与卸载过程中垫片应力与变形关系式<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <msub><mi>S</mi><mi>G</mi> </msub> <msub><mi>S</mi><mi>K</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><msub> <mi>A</mi> <mi>S</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>B</mi> <mi>S</mi></msub><msup> <mrow><mo>[</mo><mfrac> <msub><mi>D</mi><mi>G</mi> </msub> <msub><mi>D</mi><mi>K</mi> </msub></mfrac><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>A</mi> <m...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾伯勤，周剑锋，刘麟，陈晔，邵春雷，陆晓峰，黄星路，张育，朱瑞松，孙振国，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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