高压管道法兰连接密封性安全评估研究

法兰密封基本原理

   

   

在连接法兰螺栓预紧力的作用下，高弹性金属密封垫片通过法兰盘紧压在密封槽的斜面上，对通道内的流体形成两道封堵，密封垫片的高弹性可有效保证以较大的接触压力作用于密封面，从而实现密封。

图1 法兰密封基本原理图

垫片(密封圈)是法兰连接的主要密封元件，垫片密封性能的好坏是保证法兰密封的最重要因素。

正常情况下，良好的垫片材料在法兰螺栓预紧力作用下，可产生必需的弹性变形且不会被压坏;在管道内介质压力作用下，法兰密封面间隙会增大，垫片材料又会随之回弹且与法兰面保持紧密接触，从而保证法兰连接的良好密封。

如果垫片材料存在质量缺陷或选型不当，工作时垫片在法兰密封面上就可能发生不均匀塑性变形或回弹失效，进而导致管道法兰密封失效。

现有法兰密封性检测方法

   

   

国内外针对法兰密封性检测普遍采用压力试验、热成像检测、超声波检测、螺栓形变检测等方法，每种检测都是通过相应的专用仪器、设备来进行。

压力试验是在管道安装完成后进行的，通过加压设备将一定压力的水或气体打入管道内，检验其密封效果，但该方法不能检验在役管道法兰连接密封性，热成像检测仪通过红外热成像可探测泄漏气体，但在使用过程中受环境温度影响大，精度较低，且无法检测液体泄漏。

超声波检测仪通过接收流体泄漏时发射的超声波来探测法兰连接部位泄漏，但该检测方法受环境噪声影响较大，检测精度低，且只能探测已发生泄漏，无法实现对连接法兰密封性的实时监测。

螺栓形变检测仪通过检测法兰螺栓形变，可实现对法兰各螺栓预紧状态及密封圈接触状态的监测，该方法需要对法兰螺栓安装前粘贴应变片，且监测结果受人为和环境因素影响较大。

本次研究使用方法

   

   

通过检测或监测高压管道法兰螺栓的预紧应力状态，借助安全评估模型可实时评估高压管道法兰密封状态。

螺栓预紧状态对法兰密封的影响

法兰与垫片通过螺栓的预紧力进行压紧实现密封。适当的预紧力可使垫片产生弹性变形并填充密封间隙，有效防止管道内流体泄漏;

过大的预紧力则会把垫片压坏或挤出，导致法兰密封失效。

在法兰安装中，如果未按照紧固顺序对法兰螺栓进行充分预紧和均匀预紧，会使垫片与密封面出现局部压紧不足的情况，大大降低法兰密封的可靠性。

有关资料统计表明，国内80%法兰螺栓的预紧是按经验操作的，能保证密封可靠率的只有22.3%。

法兰螺栓预紧力不足或不均是法兰密封失效的主要原因。

监测原理

当高压流体流入管道或压力波动时，法兰盘发生微小位移变化，密封圈所受法兰压紧力相应产生变化，导致密封圈弹性变形量发生改变，从而使连接螺栓的应力出现波动，最终导致法兰连接部位密封状态发生变化。

法兰密封性评估模型建立

   

   

高压管道连接法兰一般采用密封钢圈进行密封，密封垫片处于压紧状态是保证法兰不发生泄漏的首要条件。

密封垫片压紧力与垫片系数m和比压力y有关，垫片的比压力y是指作用到垫片上的单位密封面积的压紧力,使垫片在弹性内变形且足以将法兰表面上微观的不平度填补严密不致产生泄漏的最小数值。

当管道内通过高压流体时，因其内压产生的轴向力作用,趋于将两片连接法兰分开，导致作用在垫片上的压紧力减少。

当垫片的有效截面上的压紧压力小至某临界值时，仍能保持密封，这时在垫片上剩余压紧力即为有效压紧力。当小至临界值以下时就会发生泄漏,甚至将垫片吹掉。

因此,垫片的有效紧固力必须超过防喷器内流体压力的m倍,通常称m为垫片系数。垫片系数m值和比压力y值都是垫片本身特有的数值,其数值因垫片的形状、材质等不同而异。

根据GB150-2011标准，法兰密封的安全性取决于螺栓载荷和垫片压紧力的合理控制。

在螺栓拧紧时，需要施加足够的初始压紧力来确保密封；当管道带压工作时，流体压力会降低垫片的有效压紧力，因此必须通过螺栓提供更大的压紧力以抵抗内部压力。

为保证法兰不发生泄漏，螺栓实际载荷需介于操作状态最小载荷和材料强度极限之间，且单根螺栓的轴向应力既不能低于密封所需的最小安全应力，也不能超过螺栓材料的强度极限。

若管道内流体压力超过由螺栓初始预紧力确定的轴向应力安全临界值，即使螺栓未超载，密封结构仍可能因压紧力不足而失效。

由计算公式可以得出螺栓最小安全应力与流体压力关系图，σ₀为法兰螺栓实际预紧力;σ_m为法兰螺栓安全临界应力;p_m为管道内流体压力最大临界值在螺栓初始预紧力既定条件下，若高压管道内流体压力大于此值，则法兰密封失效。

图2 螺栓最小安全应力与流体压力关系图

开展高压管道法兰连接密封性安全监测与评估时，应将具体的管道内流体压力、管道尺寸、法兰型号、密封垫片及螺栓材质、螺栓个数等数据输入此评估模型，可得该管道在既定工况下实现可靠密封和安全运行的基本条件，即单个螺栓所需的最小安全应力监测值。

若单个螺栓轴向应力(预紧力)检测值大于最小安全应力监测值且小于危险压力限值则评估结论为该高压管道法兰密封状态良好，无泄漏危险。

现有法兰螺栓预紧应力监测方法

   

   

扭矩扳手法、电阻应变片电测法、磁敏电阻传感器测量法和超声波检测法等。高压管道法兰连接密封性安全监测工作原理如图所示。

图3 高压管道法兰连接密封性安全监测工作原理图

针对高压管道法兰连接密封结构，通过力学分析与公式推导，建立了螺栓安全应力与高压管道法兰连接密封性的关系，通过对螺栓应力监测来对在役高压管道运行过程中法兰密封状态进行安全评估技术，该方法还需进行大量应用试验验证，并在此基础上做进一步的修正和完善，同时对于螺栓轴向应力监测也需要进一步研究更加精准有效的方法。

参考文献

[1]王强,苗金明,高压管道法兰连接密封性安全评估模型研究[J],北京劳动保障职业学院学报,2015(9)

[2]龚其春，刘成良，王永红，新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计[J],液压与气动，2005(3)

[3]赵学，李欢，张文彬，大型法兰对接螺栓预紧力加载过程分析及处理措施[J]，机械设计与制造，2011(9)

[4]邢桂萍，罗广辉，郑新兵，法兰密封泄漏的原因分析[J],石油化工设备技术，2008，29(2)

[5]吴宇，法兰连接中螺栓预紧力及垫片密封性的研究[J],炼油技术与工程，2006，36(7)

[6]GB150-2011压力容器[S]，北京，国家质量监督检验检疫总局，2011.