本發明涉及高溫法蘭連接安全技術領域，具體涉及一種高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法。

背景技術：

法蘭接頭是壓力容器和管道等裝置最常用的連接方式，為保證這些裝置在高溫環境下能長周期安全運行，必須滿足整個法蘭接頭系統的緊密性，而法蘭接頭最主要的失效形式就是泄漏。近年來，高溫管道及法蘭泄露失效的事故屢見報道，不僅造成經濟損失、環境污染，甚至造成重大的人員傷亡，因此高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法將是本領域技術人員研究和發展的重點。

依據gb150和asmeviii-1的要求，在操作工況下墊片的應力不小于mp就認為達到密封要求。這里必須提出解釋的是，m為墊片系數，p為法蘭接頭系統內部介質在工況下的壓力，mp值為在操作工況下滿足密封要求的最小墊片壓緊應力，結合墊片的有效接觸面積進行計算得到墊片滿足最低密封要求的墊片壓緊應力。但是在asme規范中，m值大多為經驗數據，僅考慮了m值與墊片材料、結構與厚度的關系，并將m值規定好，m的具體值可參見asme標準。但根據工程實際的研究，m值是非規定的，只是用來確定墊片預緊和工作狀態下滿足密封要求的建議值。生產實踐和廣泛的研究表明，m值還與介質性質、壓力、溫度、壓緊面粗糙度等因素有關。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在于，針對上述asme規范中墊片系數m的不完善，提供一種高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法，它提出了墊片系數m的修正方法，該修正方法能簡便地、全面地評定法蘭接頭的緊密性。

本發明為解決上述提出的技術問題所采用的技術方案為：

一種高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法，包括以下步驟：

s1、提出墊片系數m的修正方法：

以墊片殘余壓緊應力sg與體積泄漏率l之間的聯系作為橋梁，搭建墊片系數m與墊片各參量、體積泄漏率l、介質壓力p和工作溫度t之間的關系；

s2、根據工程或學術上要求的緊密性等級確定體積泄漏率l；

s3、確定墊片材料，并查閱相關文獻來確定該墊片各參量的值，然后根據工作要求確定介質壓力p和工作溫度t，根據步驟s1中的修正方法計算墊片系數m；

s4、根據asme規范中墊片系數m密封測定的方法，即sg≥mp，評定系統的緊密性：

令m1＝sg1/p，式中，sg1為法蘭接頭實際的墊片殘余壓緊應力，比較m1與m的大小，若m1>m，則系統的緊密性滿足要求的緊密性等級；否則，不滿足。

針對上述方案，提出第一種墊片系數m的修正方法，包括以下步驟：

s1、根據論文《墊片高溫性能及其表示方法》中提出的通過密封特性試驗擬合出的墊片體積泄漏率l與墊片殘余壓緊應力sg的關系式，轉換得到將墊片殘余壓緊應力sg用體積泄漏率l表示的表達式：

式中，al，ml，nl表示墊片材料的泄漏回歸系數，p表示介質壓力，t表示工作溫度；

s2、根據asme規范中墊片系數m密封測定的方法，即sg≥mp，取臨界的墊片殘余壓緊應力sg＝mp，結合式(1)得到將墊片系數m的表達式：

所述墊片各參量為al，ml，nl。

針對上述方案，提出第二種墊片系數m的修正方法，包括以下步驟：

s1、通過gb150里的操作狀態下螺栓載荷的設計式

式中，fb表示螺栓載荷，f表示墊片壓緊力，fp表示介質內壓產生的軸向力，dg表示墊片壓緊力作用中心圓直徑，b表示墊片有效密封寬度，轉換得到墊片系數m的表達式：

s2、將式(4)與文獻《螺栓法蘭連接的緊密性分析》中提出的求解墊片殘余壓緊應力sg的公式：

式中，dm表示墊片平均直徑，n表示墊片寬度，

相比得到墊片系數m的表達式：

式中，n表示墊片應力分布不均勻系數；

s3、根據論文《墊片高溫性能及其表示方法》中提出的密封特性試驗擬合出的墊片體積泄漏率l與墊片殘余壓緊應力sg的關系式，轉換得到將墊片殘余壓緊應力sg用體積泄漏率l表示的表達式：

式中，al，ml，nl表示墊片材料的泄漏回歸系數，p表示介質壓力，t表示工作溫度t；

s4、將式(1)帶入式(6)中，得到墊片系數m的表達式：

所述墊片各參量為al，ml，nl，dm，dg，n，b。

針對上述方案，在上述第二種修正方法的基礎上提出第三種墊片系數m的修正方法，如下：

在s4中，假設dg＝dm，得到墊片系數m的表達式：

所述墊片各參量為al，ml，nl，n，b。

上述方案中，所述法蘭接頭實際的墊片殘余壓緊應力sg1在學術上是通過數值模擬計算、實驗測試或者理論推導得到的；在工程中則是通過具體測量得到的。

本發明的有益效果在于：

本發明的高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法對asme規范中的墊片系數m進行了修正，修正后的墊片系數m值不是強制限定的，它結合了系統的泄漏率，不僅考慮了墊片的材料及尺寸、系統的介質壓力，還考慮了所處系統的溫度環境，可計算在系統所需環境以及泄漏率條件下的墊片系數m的范圍。因此該修正的方法能簡便地、較全面地評定法蘭接頭的緊密性，提高了高溫管道法蘭接頭的安全性，具有較強的指導意義。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是通過第一種墊片系數m的修正方法得到的柔性石墨纏繞墊片在不同的體積泄漏率情況下的墊片系數。

具體實施方式

為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

本發明提供一種高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法，包括以下步驟：

s1、提出墊片系數m的修正方法：

以墊片殘余壓緊應力sg與體積泄漏率l之間的聯系作為橋梁，搭建墊片系數m與墊片各參量、體積泄漏率l、介質壓力p和工作溫度t之間的關系。

s2、根據工程或學術上要求的緊密性等級確定體積泄漏率l：

由于體積泄漏率l與緊密性有關，通過要求的緊密性等級，例如經濟、標準、緊密、嚴密、極密，則可知道對應的體積泄漏率l的大小，因此可通過要求的緊密性等級確定體積泄漏率l。

s3、確定墊片材料，并查閱相關文獻來確定該墊片各參量的值，然后根據工作要求確定介質壓力p和工作溫度t，根據步驟s1中的修正方法計算墊片系數m。此時計算得到的m值是一個與緊密性等級相關的量，它也是一個最大的臨界值。所述相關文獻為論文《墊片高溫性能及其表示方法》，該論文于2001年發表于期刊《化工設備與管道》。

s4、根據asme規范中墊片系數m密封測定的方法，即sg≥mp，評定系統的緊密性：

令m1＝sg1/p，式中，sg1為法蘭接頭實際的墊片殘余壓緊應力，它在學術上是通過數值模擬計算、實驗測試或者理論推導得到的；在工程中則是通過具體測量得到的。比較m1與m的大小，若m1>m，則系統的緊密性滿足要求的緊密性等級；否則，不滿足。

針對上述高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法的步驟s1，本發明提出了三種墊片系數m的修正方法。

第一種墊片系數m的修正方法：

在論文《墊片高溫性能及其表示方法》中，根據密封特性試驗擬合出墊片體積泄漏率l與墊片殘余壓緊應力sg的關系式：

式中，l—體積泄漏率，cm³/s；

al，ml，nl—墊片材料的泄漏回歸系數；

p—介質壓力，mpa；

t—工作溫度，℃；

sg—墊片殘余壓緊應力，mpa。

將式(9)進行轉換，將墊片殘余壓緊應力sg用體積泄漏率l表達：

根據asme規范中墊片系數m密封測定的方法，即法蘭接頭在操作過程中的墊片殘余壓緊應力sg要大于或等于管道中操作介質壓力p的m倍，系統才不會發生泄漏，即sg≥mp。取臨界的墊片殘余壓緊應力sg，表達式為：

sg＝mp(10)

將式(10)帶入到式(1)中，得到：

將式(11)進行轉換，將墊片系數m用墊片各參量、體積泄漏率l、溫度t、介質壓力p表示，得到：

圖1顯示了通過第一種墊片系數m的修正方法得到的柔性石墨纏繞墊片在不同的體積泄漏率情況下的墊片系數。

第二種墊片系數m的修正方法：

根據gb150里提及的操作狀態下螺栓載荷的設計，所需要的螺栓載荷fb為保持墊片密封所需的墊片壓緊力f和介質內壓產生的軸向力fp，即：

式中，dg—墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；

p—介質壓力，mpa；

b—墊片有效密封寬度，mm；

m—墊片系數。

將式(3)進行轉換，得到墊片系數m的表達式：

在文獻《螺栓法蘭連接的緊密性分析》(該論文于1988年發表于期刊《石油化工設備》)中介紹了關于運用全面積計算方式求解墊片殘余壓緊應力sg的方法：

式中，fb—操作狀態下的螺栓載荷，n；

dg—墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；

dm—墊片平均直徑，mm；

n—墊片的幾何寬度，mm

p—介質壓力，mpa。

式(12)與(5)的比值可得到：

式中，n—墊片應力分布不均勻系數。

則通過式(13)得到：

mp＝nsg(14)

對論文《墊片高溫性能及其表示方法》中根據密封特性試驗擬合出墊片泄漏率與墊片殘余壓緊應力的關系式

進行轉換，將墊片殘余壓緊應力sg用體積泄漏率l表達：

將式(13)、(1)帶入式(6)中，得到將墊片系數m用體積泄漏率l、溫度t、介質壓力p、墊片寬度n、墊片直徑dm、dg等因素表示的表達式：

第三種墊片系數m的修正方法：

在所述第二種方法的基礎上進行修正，對于常用的墊片，dg和dm相差不大，則：

將式(15)、(1)代入到式(6)中，得到將墊片系數m用體積泄漏率l、溫度t、介質壓力p、墊片寬度n等因素表示的表達式：

上述三種墊片系數m的修正方法都是通過墊片殘余壓緊應力sg與體積泄漏率l之間的聯系作為橋梁，搭建墊片系數m與體積泄漏率l、墊片各參量、介質壓力p、工作溫度t之間的關系。由于體積泄漏率l與系統的緊密性密切相關，因此可通過體積泄漏率l得到墊片系數m與系統緊密性的關系。

表1給出了按照體積泄漏率l劃分的安全性等級，具體的泄漏率等級指標還需工程具體要求而定。

表1

為了進一步說明本發明的高溫管道法蘭接頭的緊密性評定方法，以柔性石墨復合墊片和柔性石墨纏繞墊片為例，通過三種墊片系數m的修正方法計算得到的不同墊片材料在不同溫度下的墊片系數，參見表2。

表2

上述的兩種墊片的公稱直徑為dn300，公稱壓力為pn10.0，根據公稱直徑和公稱壓力對照國標查找墊片的尺寸并計算dm，dg，n，b。al，ml，nl的值根據論文《墊片高溫性能及其表示方法》查詢。

例如，柔性石墨復合墊在常溫20℃、系統的內壓為3.5mpa的環境下，經實際計算和相關墊片性能文獻(例如《不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的高溫性能研究》)的查閱，泄漏率一般在10^-3～10^-4范圍內，因此取安全等級ⅲ計算，即l＝2×10^-3cm³/s。柔性石墨復合墊在高溫400℃、系統的內壓為3.5mpa的環境下，泄漏率較大，取安全等級ⅱ級進行計算，即l＝2×10^-2cm³/s。

上述墊片系數m的修正方法在計算過程中需先知系統的介質壓力、工作溫度、墊片材料、緊密度等級，并計算墊片直徑、墊片寬度。與傳統的墊片系數m比起來，修正后的墊片系數m值不是強制限定的，它結合了系統的泄漏率，不僅考慮了墊片的材料及尺寸、系統的介質壓力，還考慮了所處系統的溫度環境，可計算在系統所需環境以及泄漏率條件下的墊片系數m的范圍。因此該修正的方法能簡便地、較全面地評定法蘭接頭的緊密性，提高了高溫管道法蘭接頭的安全性，具有較強的指導意義。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。