[发明专利]带防松弛垫圈的螺栓法兰连接结构的泄漏率预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及垫片密封技术，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。

背景技术

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封的基本条件；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，其压缩回弹性能明显下降；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发明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，所发明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-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年发明了一种防锁死、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。