非金属垫片螺栓法兰连接寿命评价

非金属垫片螺栓法兰连接寿命评价孙振国;顾伯勤【摘 要】分析非金属垫片密封的时效特性,考虑高温条件下材料退化和垫片载荷松 弛过程对密封性能的影响,依据多孔介质理论,建立非金属垫片密封的时效泄漏模型. 将螺栓法兰连接系统寿命划分为密封寿命和部件寿命.提出密封寿命试验方法,在考 虑垫片泄漏特性变化的基础上,基于指标泄漏率分析螺栓法兰连接系统密封寿命;基 于蠕变和疲劳损伤准则分析高温螺栓的剩余寿命,探讨螺栓法兰连接系统的密封寿 命和各部件寿命之间的关系.建立螺栓法兰连接系统的寿命预测最弱环模型,将垫片 的变形特性和泄漏特性统一于螺栓法兰连接系统中进行研究,提出基于指标泄漏率 和结构完整性的螺栓法兰连接系统寿命评价方法.The time-correlated leakage characteristic of nonmetallic gaskets was analyzed. Considering the effect of the gasket compressive stress relaxation and the deterioration of material on gasket sealing performance at elevated temperature,a time- correlated leakage prediction model of non-metallic gasket sealing connections based on the porous medium theory was proposed. The life of bolted flanged connections was divided into sealing life and component life. A testing method of sealing life was put forward,the sealing life can be predicted based on target leakage rate in considering the change of gasket leakage characteristic,and the life of bolts can be obtained based on creep and fatigue damage criterion. The relationship between sealing life and component life of sealing system was discussed, and a weakest- link model for predicting the life of bolted flanged connections was established. A life evaluation method of bolted flanged connections based on the target leakage rate and the structural integrity was proposed, in which the deformation and leakage characteristic of the sealing system were both taken into consideration.期刊名称】润滑与密封年(卷),期】2011(036)003【总页数】4页(P37-40) 【关键词】 螺栓法兰连接;寿命预测;泄漏;结构完整性【作 者】 孙振国;顾伯勤【作者单位】 南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009【正文语种】 中文【中图分类】 TB42螺栓法兰垫片连接在压力容器和管道中的应用非常广泛，生产系统的安全性和可靠 性很大程度上取决于连接结构密封的有效性。随着现代石油、化工、能源和航天及 深海技术向着大型化、高参数方向发展，对螺栓法兰连接系统提出了愈来愈高的要 求。研究螺栓法兰连接系统的寿命评价技术，对于装置可靠性维修策略的制定，消 除安全隐患，避免恶性事故发生，保证装置长周期安全运行具有重要意义。现有的 泄漏模型如平圆板模型、三角沟槽模型和多孔介质模型12等大多仅仅适合 于常温下流体在密封间隙中的泄漏率计算，且泄漏与时间无关。文献 3所提出 的泄漏模型考虑了高温条件下垫片材料的退化，但没有分析垫片载荷松弛历程对密 封性能的影响。文献4提出了一种基于蠕变的螺栓法兰连接系统寿命预测方法， 但未考虑垫片密封的时效特性。迄今为止，对静密封系统的寿命研究局限于垫片寿 命的评价56，而将垫片的变形特性和泄漏特性统一到整个连接系统中进行 分析，考虑系统各部件寿命之间的关联，对整个系统的寿命进行表征和评价的研究 鲜见于报道。本文作者分析了非金属垫片密封的时效特性，考虑了高温条件下材料 退化和垫片载荷松弛历程对密封性能的影响以及系统密封寿命和部件寿命之间的关 联，建立了基于多孔介质理论的非金属垫片的密封时效泄漏模型和螺栓法兰连接系 统寿命预测模型，提出了基于指标泄漏率和结构完整性的螺栓法兰连接系统寿命评 价方法。1 非金属垫片密封时效泄漏模型 非金属垫片材料性能在工况下的退化实际上是一种在热和氧共同作用下发生的化学 反应，其反应速度与温度存在着紧密的关系，可用Arrhenius方程来表述：式中:U为反应过程的活化能;R为气体常数;T为反应温度;A为与温度无关的常 数;B=U/RO 垫片的蠕变松弛、残余压紧应力减小、回弹率减小以及流体泄漏通道数量和尺寸的 增加都会导致泄漏率的增加，它们各与一定的失效机制相联系，故根据Maxwellian衰减模型，可采用式（2）描述垫片材料性能衰减的动力学过程：式中:Pt为垫片在t时刻材料的任一性能参数;P0为垫片的初始材料性能参数;K为 与温度相关的反应速率；C,a为常数。非金属垫片材料可以近似看作是各向同性的多孔介质，其内部流道及其法兰与垫片 接触面间的泄漏通道由多个弯弯曲曲、半径不等的毛细管组成。多孔介质中的传递 过程主要包含分子传递和层流过程。介质通过垫片的总流率L（pv流率）为层流流率和分子流流率之和7，即:式中:pl, p2为毛细孑L进口和出口压力；pm为平均压力，pm = (p1+p2)/2;lm为毛 细孔平均长度;c为毛细口弯曲系数;n为气体动力学黏度;ri为任意毛细孑L半径;k为 毛细孔总数;M为气体分子量。用来表征泄漏通道的大小与数量，则有：研究表明，垫片泄漏通道的大小和数量随垫片压缩量的增大而减小，即随垫片残余压紧应力的增大而减小，它们与垫片的残余压紧应力SG(t)间存在如下负指数关系:式中:a , b为常数。则可表示为:由式 (3)可知，介质通过垫片的泄漏率是介质压力、物性参数、垫片尺寸、泄漏孔 道半径及数量的函数。由式 (3)、(5)和 (6)，介质通过垫片的泄漏率可表示成如下 形式:式中：l为垫片的有效密封宽度;AL、BL、CL、AM、BM、CM、nL、nM、a、p为 回归系数;SK为垫片初始安装应力。垫片残余压紧应力是影响连接系统密封特性的主要因素。螺栓、法兰、垫片材料的 蠕变和应力松弛均会引起垫片载荷随时间发生变化，因此为了更加准确评价连接系 统的时效泄漏率，必须研究垫片残余应力随时间的载荷变化历程。垫片的松弛是螺 栓法兰连接系统各部件共同作用的结果，满足一定的变形协调方程，在螺栓法兰连 接结构力学分析的基础上89，可建立考虑系统蠕变的螺栓连接变形协调方程:式中:DK, DG为装配和操作条件下的垫片压缩变形量;DP为垫片蠕变变形量;为螺 栓变形量；Df1, Df2为装配和操作条件下螺栓中心圆处的法兰变形量;为法兰在螺 栓中心圆处的轴向变形量；At f为法兰在螺栓中心圆处的轴向膨胀变相量。由式 (8)可以看出，垫片回弹量等于螺栓伸长量和法兰在螺栓中心圆处变形量之和 不同操作时间下的垫片残余应力SG(t)可以通过求解以变形协调方程为中心的超越 方程获得。非金属垫片密封在较高的温度下长时间服役，垫片压紧应力减小，泄漏通道变大、 变多，此时，流体的泄漏主要为层流。将式(7)简化，并将pv流率转化成工程上 常用的体积流率，则泄漏率可表示为:2 螺栓法兰连接系统寿命预测最弱环模型将螺栓法兰连接系统寿命划分为密封寿命和部件寿命。系统寿命可看成是由这两个 环节构成的一条链，并取决于最薄弱环节的寿命。不考虑法兰破坏，螺栓法兰连接 系统的寿命预测最弱环模型可表示为:式中:n为螺栓法兰连接系统的寿命；nb为螺栓许用寿命；nbc为螺栓累积寿命，螺 栓一旦更换，其累积寿命需重新计算;ns为系统密封寿命。若规定了指标泄漏率lr，基于垫片密封的时效泄漏模型和连接系统的变形协调分 析，由式 (8)，(9)即可得到考虑了高温条件下材料退化和垫片载荷松弛过程的螺栓 法兰连接系统的密封寿命ns。螺栓在运行中同时承受蠕变和疲劳的作用，根据Schlottner-Seeley蠕变模型10,由短期蠕变试验数据外推长期蠕变断裂时间tr的传统经验公式为： 式中Q为螺栓平均应力;A , m为回归系数。螺栓的低周期疲劳寿命可根据局部应力应变法按照Coffin-Manson公式11 来计算，即:式中:为应变范围;Nf为低周期疲劳寿命；c1、c2为与材料的疲劳特性有关的材料 常数;a1、a2为材料常数。考虑到齿根应力集中的影响，螺栓载荷主要集中在螺纹第一圈上，可按式 (13)计算&式中:E为螺栓材料弹性模量。将蠕变和疲劳损伤以线性方式累加，则一个检修周期tc内螺栓的寿命损伤可表示 为:式中:Nbc为螺栓累积疲劳寿命。当蠕变损伤和疲劳损伤之和为1时，发生失效， 则螺栓的许用寿命为:螺栓法兰连接系统寿命预测分析流程如图1所示。图1螺栓法兰连接系统寿命预测计算程序流程图Fig 1 Flow chart of the calculation program for predicting the life of bolted flanged connections3 密封寿命试验为获得时效泄漏模型中的回归系数AL、BL、CL、nL及a,研究了高温条件下垫 片密封寿命试验方法，并设计了垫片高温综合性能试验装置，如图2所示。图2垫片高温综合性能试验装置示意图Fig 2 Schematic diagram of comprehensive performance test apparatus of gasket at elevated temperature 该装置由加载系统、加热系统、介质给定系统、泄漏率测量系统及数据采集系统构 成。试验垫片和法兰之间设置了一个低压测漏空腔，通过测量空腔内介质的压力和 温度变化，根据气体状态方程获得试验垫片的时效泄漏率。该方法可以克服以高压 区作为泄漏空腔密封不严而带来试验误差大的问题，保证了测漏空腔压力测量的高 精度。图3示出了非石棉纤维橡胶垫片典型的泄漏率随时间的变化规律曲线。图3典型的不同组合应力水平下非石棉橡胶垫片的泄漏率与试验时间的关系Fig 3Typical relationship between the leakage rate and testing time of compressed non-asbestos fiber gasket at different combined stress levels 4 分析示例某一螺栓法兰连接，工作温度为T=473 K，被密封介质为氢气，介质压力为2.51 MPa，周期性波动频率为0.005 Hz。采用的PN4.0、DN50整体钢制管法兰符合 化工行业标准HG20596-97，材料为16 Mn，弹性模量为210 GPa、泊松比为 0.3。密封垫片为非石棉纤维橡胶垫片，符合化工行业标准HG20606-97，垫片载 荷为35 MPa。螺栓的材质为25Cr2MoVA，弹性模量为204 GPa、泊松比为0.3。 若螺栓累积寿命nbc为0,规定指标泄漏率LR为0.2 Pam3/s,计算误差e为 1x10 - 4，检修周期tc为2.5x104h,预测该工况下此螺栓法兰连接系统的寿命。 将试验获得的非石棉纤维橡胶垫片时效泄漏模型中的回归系数列于表1。表1时效泄漏模型公式中的回归系数Table 1 Regression coefficients of the timecorrelated leakage model in equation 9AL BL CL nL a 相关系数 R 6.440x109-37.76-54.05-11.31-0.008 046 0.977 0 由文献12 可以得到式(11)中回归系数:A为5.998x1031, m为11.811 ,可 以得到tr为1.464 84x105h,个检修周期内的蠕变断裂损伤为0.17。由文献13 可以得到Cr-Mo-V材料的通用疲劳方程可表示为：式中:u为工作载荷波动频率。可以求得Nf为2.5x107次，一个检修周期内的疲劳断裂损伤为0.018。故一个检 修周期内的寿命累积损伤为0.188，螺栓许用寿命nb为1.329x105h。根据指标泄漏率LR及式(8)和(9)得到的螺栓法兰连接系统密封寿命ns为7 285 h。由于螺栓累积寿命nbc为0,依据螺栓法兰连接系统寿命预测最弱环模型，系 统寿命n为7 285 h。生产实践表明，该类密封装置在运行11个月(约7 900 h) 后发现了明显的泄漏，这与寿命评价结果一致。5 结论(1) 分析了非金属垫片密封的时效特性，依据多孔介质理论，考虑垫片载荷松弛历 程和高温条件下垫片材料退化对密封性能的影响，建立了非金属垫片密封的时效泄 漏模型。(2) 将高温螺栓法兰连接系统寿命划分为密封寿命和部件寿命，建立了高温螺栓法 兰连接系统的寿命预测最弱环模型，综合考虑垫片的变形特性和泄漏特性，提出了 基于指标泄漏率和结构完整性的螺栓法兰连接系统寿命评价方法。(3) 提出了密封寿命试验方法，通过试验得到了非石棉纤维橡胶垫片时效泄漏模型 回归系数，结合螺栓蠕变断裂经验公式及螺栓材料的疲劳方程，对某螺栓法兰连接 进行了寿命预测。研究表明，提出的非金属垫片密封时效泄漏模型及螺栓法兰连接 系统寿命预测最弱环模型具有一定的工程应用价值，可为相关设备静密封连接系统 合理检修周期及维修策略的制定提供理论依据。(4) 对于其他种类和材料的密封垫片，可通过本文作者建立的试验方法确定时效泄 漏模型中的各回归系数，进而实现对不同密封连接的寿命评价。参考文献【1】顾伯勤，李新华，田争静密封设计技术M .北京:中国标准出版社， 2004:1622.【2】Feng Xiu，Gu Boqin.Fractal Characterization of Seal Surface Topography of Metallic Gaskets J .Journal of Chemical Industry and Engineering，2006，57:23682371.【3】李玉艳，顾伯勤非金属垫片密封的寿命预测模型J.润滑与密封，2009 , 34(6):5254.Li Yuyan，Gu Boqin.Life Prediction Model of Nonmetallic Gasket Sealing J.Lubrication Engineering，2009，34(6):5254.【4】陆晓峰，顾伯勤基于蠕变的高温螺栓法兰连接系统寿命预测方法J.南京 工业大学学报，2002，24(4):1417.LU Xiaofeng，GU Boqin.Life Expectation Method of Flanged Connections Based on Creep Analysis at Elevated TemperatureJ.Journal of Nanjing University of Technology，2002，24(4):1417.【5】李玉艳，顾伯勤垫片密封综合应力加速寿命试验谱的研究J.压力容器， 2008，25(6):58.Li Yuyan，Gu Boqin.Research on Multiple Stresses Accelerate Life Test Spectrum with Multiple Stresses for Gasketed SealingJ.Pressure Vessel Technology，2008，25(6):58.【6】陈永林，顾伯勤垫片密封失效反应论模型J.润滑与密封，2001, 26(1):23.Chen Yonglin , Gu Boqin.Reaction Model of Gasket Sealing SystemsJ .Lubrication Engineering , 2001 , 26(1):2 - 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