（化工过程机械专业论文）法兰密封设计、使用与管理专家系统开发研究.pdf

摘要 在螺栓法兰联接的密封设计中，法兰、垫片、螺栓等密封元件的正 确选用是保证螺检法兰联接密封可靠的关键环节。依据国家标准规范和 相应的行业标准规范，总结法兰密封领域专家实际工作经验，开发法兰 密封领域的专家系统，以实现螺栓法兰联接中各密封元件选用及管理的 自动化和程序化，降低工作量，避免人为错误。法兰密封设计与管理专 家系统是应用人工智能专家系统基本原理，依据模块化程序设计思想， 采用可视化及面向对象的程序设计方法，基于可视化的r a d ( 快速应用 程序开发) 编程语言d e l p h i5 0 开发的。通过总结并区分法兰密封领域各 类知识的特点，分别建立事实库、采用产生式规则以及构建模型库来进 行知识表示。系统采用“数据驱动”的正向推理控制策略，结合动态构 件和d l l ( 动态链接库) 技术设计推理机制。友好透明的帮助解释机制以 及通俗易懂的安装使用说明使系统成为一个完善的整体。通过系统分析、 体系结构设计、软件编制以及程序实现、系统分发与安装设计等一整套 软件开发过程的探索，为石油化工设备信息化工程的实现积累了经验。 关键词：法兰密封专家系统开发研究 t h e d e v e l o p m e n t a li n v e s t i g a t i o no n a n e x p e r ts y s t e m o f t h ed e s i g n ，u s a g ea n dm a n a g e m e n t o f f l a n g es e a l i n g a b s t r a c t i nt h ec o u r s eo f s e a l i n gd e s i g n ，h o w t op r o p e r l ys e l e c tt h es e a l i n gu n i t s ， s u c ha sf l a n g e s ，g a s k e t sa n db o l t s ，i st h ek e yt oi n s u r et h es e a l i n go ft h e b o l t - f l a n g ej o i n t t h eg o a lo fd e v e l o p i n gt h ef l a n g es e a l i n gs y s t e mi s t o r e a l i z et h ea u t o m a t i ca n dp r o c e d u r a ls e l e c t i o na n dm a n a g e m e n to fs e a l i n g u n i t ss o 踮t od e c r e a s et h ew o r l 【l o a da n da v o i dt h eu n m e a n ta r o l s t h e s y s t e mi sb a s e do nt h er e l e v a n tn a t i o n a ls t a n d a r d sa n di n d u s t r i a ln o r m s i t i n c l u d e sm a n y p r a c t i c ee x p e r i e n c e so ff l a n g es e a l i n gs p e c i a l i s t s t h es y s t e m i sd e v e l o p e db yt h er a d ( r a p i d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ) l a n g u a g ed e l p h i 5 0 ，a d o p t i n gt h em o d u l a r i z i n gd e s i g ni d e o l o g ya n do b j e c to r i e n t e d v i s u a l t e c h n o l o g y t h ef a c td a l a b a s e ，t h ep r o d u c t i o nr u l e sa n dt h em o d e ld a t a b a s e a r ec r e a t e dt oe x p r e s st h ef l a n g es e a l i n gk n o w l e d g e i no r d e rt 0d e c r e a s et h e c o m p l e x i t ya n dr e d u n d a n c yo ft h e i n f e r e n c ee n g i n e ，t h es y s t e mu s e st h e d y n a m i cc o n t r o l s ，t h ed l l s ( d y n a m i c l i n kl i b r a r i e s ) ，私w e l l8 st h ef o r w a r d r e a s o n i n ga n dc o n t r o l l i n gp o l i c y o f d a t ad r i v e n a saw h o l e ，t h es y s t e mh a s af r i e n d l yh e l pa n de x p l a i n i n gs y s t e m ，a n das t r a i g h t a w a ys e t u pr e f e r e n c e w i t ht h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fs y s t e m sa n a l y s i s ，s t r u c t u r ed e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g n ，p r o g r a mr e a l i z a t i o n ，s y s t e md i s t r i b u t e a n ds e t u p ，t h i si n v e s t i g a t i o n c a n p r o v i d e u s e f u l e x p e r i e n c e t ot h ei n f o r m 砒i o n e n g i n e e r i n g o f p e t r o c h e m i c a le q u i p m e n t k e yw o r d s ：f l a n g es e a l i n g ，e x p e r ts y s t e m ，d e v e l o p m e n t a li n v e s t i g a t i o n l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垃伽；年月岁只 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的觇定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和 借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 整丛查 一雌 伽；年 h 歹只 朋年月4 - 同 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 问题的提出及其意义 螺栓法兰联接形式因其操作简便、易于检修，而被广泛应用于石油、 化工、电力、核能等企业的设备、管道连接中。现代企业自动化水平高、 生产节奏加快、工艺操作连续性加强，尤其是石油化工行业，设备结构 复杂，接点繁多，据统计，在一个大中型石化企业中，其法兰连接点数 通常以数十万乃至上百万计f i 】。而且介质多具有高温、高压，易燃、易 爆，有腐蚀性、有毒性的特点。要保证每个连接点的密封设计合理，运 行可靠，工作量非常之大，而且难以保证密封质量。因此，螺栓法兰联 接的密封失效导致的泄漏问题往往成为困扰企业连续生产的一大难题。 法兰密封失效导致泄漏不仅增加损耗、提高成本，而且污染环境、 损害人体健康，甚至导致爆炸、人身伤亡等重大事故的发生 2 1 。有调查 资料【3 】表明，近十年来日本炼油行业发生的着火爆炸事故中，7 0 以上的 灾难性事故是由于密封失效而导致介质泄漏造成的。由此可见，密封的 质量直接影响着装置的安全运行；随着科学技术的进步和现代工业的发 展，生产规模日益扩大，对生产工艺和生产条件的要求日益苛刻，特别 是近代石油、化学、核能、航天、航海等新兴工业，设备日益向大型化、 综合化和高参数( 高温、高压、高真空、深冷等) 发展，并要求实现科 学管理、文明生产，最大限度地提高生产效益，从而对密封性能提出了 更为严格的要求；随着市场全球化趋势的加强，竞争的日益加剧，遵时 守信、保证产品的及时供应成为企业在市场中增强竞争力的前提，这些 都要求企业必须确保生产过程的连续运转，而任一个密封点的失效都有 可能导致整个生产装置的停车，中断生产过程；随着社会的进步，人们 的环保意识逐步增强，要求环境质量的提高必须与工业规模的扩大同步 进行。基于此我国开展了创建“无泄漏工厂”的活动，并且制定了一系 列与可持续发展相适应的规章、制度和政策，如中国环境与发展十大 对策、中国2 1 世纪议程、国家环境保护“九五”计划和2 0 1 0 年远 景目标等等【4 】。一些工业发达的国家，也已经把对易挥发物质逸出的 控制问题提上了议事日程，例如美国环保局( e p a ) 在1 9 9 0 年就已经发 】 l i 油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 布了“空气净化法”( c l e a r a i r a c t ) 5 1 。 综上所述，可以说加强对法兰密封设计的研究，以及对法兰密封使 用和有效管理的探索，具有十分重要的意义。 影响法兰密封性能的因素很多，包括法兰密封设计是否合理、密封 元件的选用是否得当、现场管理是否到位等。具体有法兰结构、密封面 型式、操作条件( 即压力、温度及介质的物理化学性质) 、组装应力的大 小、垫片的类型及其性能、法兰刚度及法兰密封面的质量等。法兰联接 的密封设计头绪繁多，涉及到许多标准的查阅和复杂烦琐的分析计算。 密封元件特别是垫片的选用是由被密封介质的性质、温度、压力以及紧 密性要求等因素综合决定的，并且其正确选用具有很强的经验性。在现 场中，法兰密封的使用与管理是否得当，也直接影响密封的性能。正确 选用法兰密封元件，对法兰密封进行适时管理，都需要专业技术人员的 指导。 在我国石化企业中，法兰密封知识远未普及，也非常缺少这方面的 专业技术人员。现场调研也发现，懂得密封原理及其设计的人员少、密 封设计不合理、垫片等密封元件选用不当的现象很普遍。文献【6 】关于密 封垫片的应用现状调研发现：工厂中的跑、冒、滴、漏现象依然普遍且 大部分问题就出现在密封垫片上，而且也发现企业中知道垫片的人多， 懂得垫片的人少这一基本事实。 基于重视环保、环保全球化的大背景以及我国密封技术人员不足的 事实，适时提出开发研究法兰密封设计、使用与管理等方面的专家系统， 用来优化密封设计、确保密封质量、并且代替密封技术人员做一部分这 方面的工作，以减少泄漏，节约宝贵的资源，不仅具有十分重要的现实 意义和广阔的发展前景，而且对未来发展具有重大的战略意义1 7 9 】。 目前，法兰密封专家系统的研究开发已具有了坚实的理论基础和相 关技术。计算机科学技术的飞速发展及其应用日益普及，人工智能 ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 和知识工程理论研究迅速发展，使社会进 入了知识和信息的经济时代。1 9 7 7 年美国斯坦福大学费根鲍姆 ( f e i g e n b a u m ) 教授在日本举行的第五届国际人工智能会议上提出了“知 识工程”的概念i m ”】，标志着人工智能的研究进入了新的、实际应用的 2 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 阶段。而专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 正是目前人工智能应用领域最成熟的 一个方面。专家系统基本理论的发展为代替领域专家解决复杂而烦琐的 专业问题提供了可能。 1 2 国内外发展现状 在文献资料查阅中，没有检索到国内、外关于法兰密封专家系统开 发研究成功的资料。在诸多关于法兰密封的资料中，大部分是基于密封 原理来探讨如何提高密封效果，降低密封成本的。密封新技术的研究主 要集中在两个方面：新型材料和新型结构，或者是把这两个方面结合起 来进行考虑。如柔性石墨就是一种性能非常好的代石棉密封垫片的新型 材料：梯形波齿垫片中骨架的梯形结构是一种非常新颖的实用结构：由 柔性石墨带和改进的“v ”型钢带绕制而成的低应力缠绕垫片也是一种 新型结构的缠绕垫片1 扪。 虽然专家系统在许多领域的研究至今已经取得了显著的进展，虽然 某些领域的专家系统在应用中也获得了一定的经济效益，但是专家系统 在法兰密封领域的应用还鲜有报道，开发出成功的法兰密封专家系统更 是空白。 1 3 论文研究内容及方法 通过d e l p h i5 0 开发平台，利用可视化和面向对象技术以及数据和 功能的模块化设计思想，依据国家标准及相应的行业标准，基于专家知识 和经验开发法兰密封专家系统。该系统可以实现法兰密封元件选用及管 理的自动化和智能化，能够降低密封设计和管理的工作量，避免人为错 误。同时，本系统采用正向推理控制策略，结合动态构件和d l l ( 动态链 接库，d y n a m i cl i n kl i b r a r y ，简称d l l ) 技术，以减小推理机推理过程的 复杂性，降低其冗余度，并提高系统的开放性和实用性。模块化和开放 性的设计思想贯穿本系统开发过程的始终。通过提高程序的可移植性和 可扩充性，来缩短开发周期，提高开发效率。 由于时间和主客观条件的限制，本论文在人工智能专家系统基本原 理的指导下，旨在探索法兰密封设计、使用与管理专家系统研制过程中 各环节，f 发研究的基本步骤和方法，为将来开发出高水平的、实用的、 3 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 且能广泛推广的法兰密封专家系统奠定一定的基础。 4 l i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 第2 章法兰密封专家系统基本理论 2 1 法兰密封基本原理 2 1 1 螺栓法兰结构形式及其密封机理 ( 1 ) 螺栓法兰联接基本结构 如图2 - 1 所示，螺栓法兰 联接系统是由被联接件( 法 兰) 、密封元件( 垫片或垫环) 和联接件( 螺栓一螺母) 等 三部分组成。其工作原理是 通过上紧联接螺栓使法兰密 封面压紧垫片或垫环而实现 密封的。螺栓法兰联接具有 结构简单，易于拆卸，可实 现多次重复拆装、便于生产 操作和检修维护等优点。但 由于它是非一体化结构，如 图2 1 螺栓法兰联接结构形式 果对法兰、垫片或垫环等密封元件选用不当，或者安装不规范，都会引 起法兰联接密封不严密，进而导致介质泄漏。由于法兰的两个接触面即 使经过精细加工，它们之间也会因微小的凹凸不平而形成微小的间隙。 这种微小的间隙就是导致流体介质泄漏的主要原因。垫片的作用就是在 螺栓预紧后产生弹塑性变形，填补由于法兰接触面凹凸不平而造成的间 隙，以阻止流体泄漏，达到密封的目的。从法兰密封机理来分析，泄漏 是客观存在的，而我们所要做的是尽可能控制泄漏量，以使其达到最小。 ( 2 ) 螺栓法兰联接主要泄漏形式 按照泄漏的机理分类，法兰联接泄漏主要有两种形式 6 】：界面泄漏 和渗透泄漏( 示意图见图2 - 2 ) 。沿法兰与垫片之间接触面( 通称为密封 面) 的泄漏，叫做“界面泄漏”。界面泄漏是由于法兰密封面与垫片密封 面具有一定的粗糙度和不平度，致使两者的接触面上存在着间隙造成的。 5 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 被密封介质泄漏时，介质在界面上的流动近似于平面之间的流动。由于 介质流速较小，可按层流状态考虑，泄漏量大小与接触界面间隙的平方 及垫片内、外介质的压差成正比，与介质的粘度成反比。因此，应当尽 量减小接触界面的间隙，以减少泄漏。 由纤维制成的非金属垫片 透过其纤维间微小间隙的泄 漏，称为“渗透泄漏”。渗透泄 漏可视为毛细现象，其泄漏量 大小与其材质的紧密度有关。 若在纤维材料中添加某些填充 剂，如石棉中加入橡胶，即可 使渗透泄漏大大减小。若用纤 维性材料与金属材料一起成型 为组合式垫片，如不锈钢石墨 缠绕垫片、金属包垫片，则可 使渗透泄漏完全避免。 蕊 5 鋈 ： 泄漏f 主# = = f 二# 界面泄漏 缪 荔 j ， 。， 图2 - 2 螺栓法兰联接主要泄漏形式 一般来讲，界面泄漏比渗透泄漏大得多。对于非金属垫片，界面泄 漏通常要占全部泄漏量的8 0 甚至9 0 以上。对于金属垫、金属与非金 属组合垫，可完全视为界面泄漏。因此，对法兰联接密封的研究主要是 考察界面泄漏。 ( 3 ) 螺栓法兰结构密封机理 螺栓法兰联接密封的原理是靠螺栓力使法兰密封面压紧垫片，使垫 片产生弹塑性交形，填满法兰密封面上由于加工租糙度等微观凹凸不平 形成的间隙来实现密封。法兰密封面对垫片的压力增加，接触界面的间 隙就减小，压力介质流过接触面的阻力就增大。当介质通过该界面的阻 力大于垫片内外的介质压差时，流体介质就被“密封”住【 l 。这种完全 靠螺栓力压紧垫片实现密封的方法称为“强制式密封”，如中低压法兰常 用的各种平垫密封等。与强制式密封对应的还有自紧式密封，它是靠螺 栓预紧力实现初始密封，靠介质压力顶紧垫片实现工作密封，如轴向自 紧的“c ”形环密封，径向自紧的三角垫密封等；另外还有的密封结构主 6 4 i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 要靠螺栓力预紧实现密封，而介质压力对密封元件也有一定自紧作用， 称为半自紧式密封。按操作压力通常还可分为中低压、高压和超高压 密封：0 0 0 9 8 m p a p 9 8 m p a ( 绝对压力) 时为中低压密封。其中p 1 5 6 8 m p a 时为低压密封；9 8 m p a p 9 8 m p a 时为超高压密封。中低压法兰多采用强制式密封，高压容器法兰常采用 自紧式密封。 2 1 2 法兰密封泄漏模型 法兰密封的泄漏模型m 1 9 1 主要有三种：平行圆板模型、三角沟槽模 型和多孔介质模型。 平行圆板模型认为流体介质通过密封点处的泄漏可简化为定常的层 流流动，流向为由圆板的内径处流向外径。设泄漏间隙高为h ( m n 、，圆 板内径r 1 ( m m ) ，外径r 2 ( m m ) ，介质粘度为r l ( m p a s ) ，垫片内外侧压力分 别为p 。( m p a ) 、p ：( m p a ) ，则体积泄漏率为： 扣端( c m 3 i s ) ( 2 - 1 ) 三角沟槽模型认为垫片与法兰密封面之间的缝隙由许多的三角沟槽 组成。设三角沟槽的深度为h ( m m ) ，三角沟槽的底宽为l ( m m ) ，流道的 长度( 垫片的宽度) 为b ( m m ) ，介质粘度为r l ( m p a s ) ，介质密度为 , o ( g c m 3 ) ，则体积泄漏率计算公式如下： 对于介质为液体 驴訾( c m 3 s ) ( 2 - 2 ) 对于介质为气体 ：l h3 a ( p ) 2 ( 仰3 s )( 2 3 ) 2 c 艰p l b 式中：卸= p ：- p ，m p a ；0 ) 2 = p 2 2 一p 2 ；c 为常数。 多孔介质模型认为非金属垫片材料可近似看作各向同性的多孔介 质泄漏流道由多个弯曲的半径大小不一的毛细管组成。气体通过多孔 介质的流动状态可分为层流和分子流，其流率为层流流率和分子流流率 l i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 之和。实验研究表明毛细管半径r 随垫片残余应力盯的增大而减小，关 系为：，= ，b 1 ) 。气体介质通过垫片的泄漏率为： 如=以-南0-,lpm：咱)十九去括盯1(p：_p1)(2-17 4 ) oy 埘 式中：l p r p v 泄漏率，( c g t l 3 i s ) ； p 。一扫2 + p i ) ，m p a ； m 一气体分子量； 4 、厶、n j 、n 。一系数。 垫片泄漏模型的建立为预测法兰密封的泄漏率提供了理论依据，给 出的泄漏率计算公式描述了介质通过特殊流道的一般规律。但是，由于 垫片材料、垫片结构、密封面形式、加载状况等因素各不相同，把计算 公式应用到具体密封环境是非常困难的。 2 1 3 法兰密封影响因素 影响法兰密封的因素很多，概括来说有两个方面：一是法兰联接构 件( 法兰、垫片和螺栓等) 自身的状况，二是操作条件( 介质、压力、 温度等) 等外界的因索。具体来说有以下几种： ( 1 ) 垫片的力学性能 垫片是法兰密封中的重要元件。要达到良好的密封效果，垫片必须 具有一定的抗变形能力和较好的回弹能力，即在适宜的压缩变形范围内， 可以承受足够高的组装应力，以满足密封预紧力的要求；而在升起介质 压力，螺栓被拉长时，垫片能随之发生回弹以补偿法兰密封面的分离， 保证垫片密封面上具有足够的残余应力。对于高温用垫片，还要求具有 抗应力松弛能力。 垫片的变形、回弹及应力松弛性能与垫片的材料、形状、结构、初 始预紧力、压紧面约束情况以及操作温度等因素有关。 ( 2 ) 垫片密封面的硬度 法兰联接密封要求垫片在一定的预紧应力下，其密封面产生弹塑性 变形填满法兰密封面上可能出现的间隙，以阻止介质泄漏。因此，应该 8 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 使垫片密封面的硬度低于法兰密封面的硬度，一般要求两者相差h b 4 0 以上，至少也应有h b 8 以上的差值，否则垫片在被压紧时会损伤法兰密 封面。垫片密封面硬度越低，越易产生变形，越易填满间隙实现良好 密封。以金属包垫片为例，在同样条件下，铝包垫片比不锈钢包垫片泄 漏率要小。例如，金属包垫片密封面贴上一层柔性石墨纸，其泄漏会大 为减小。 ( 3 ) 法兰密封面的粗糙度 法兰密封面直接与垫片表面接触，是传递螺栓力使垫片变形的一种 表面约束。为了保证密封效果，法兰密封面的表面粗糙度应与所使用的 垫片相适应。当采用金属垫时，如八角垫环、椭圆垫环、透镜垫环，其 表面粗糙度通常要求达到r a 0 4 ，以尽量减小或消除接触间隙；另外，对 质地较软的垫片，包括具有表面软层的组合式垫片，如石棉橡胶板垫片、 聚四氟乙烯垫片、柔性石墨复合垫片、金属缠绕式垫片等，由于垫片接 触面易于变形，法兰密封面过于光滑会降低界面上的阻力，对防止泄漏 反而不利，因此表面粗糙度可适当大些，一般要求达到r a l 2 5 r a 6 3 ； 至于金属包垫片，由于垫片密封面硬度较大，要求法兰密封面的粗糙度 较小( r a l 6 r a 0 8 ) 。 有时为了减小泄漏，对于平面法兰，在其密封面上车削出2 3 道同 心圆密封槽( 俗称水线) ，但不允许密封面上有径向划痕或刀痕。 ( 4 ) 法兰刚度 如果法兰的刚度不够，会引起法兰密封面变形，使其产生轴向翘曲， 造成垫片内、外侧受力不均匀，进而导致密封失效。另外，在螺栓数量 较少的情况下，如果法兰刚度不够还会使两螺栓之闯的法兰密封面呈波 浪式变形，造成蛰片周向受力不均匀，也不能保证密封。但过分提高法 兰刚度，不仅使法兰变得笨重，给安装带来麻烦，同时也增加了制造成 本。因此，当采用非标准法兰时，不仅需要进行法兰的强度计算，还需 要进行刚度计算。此外，对易燃易爆或有毒介质，为保证密封的可靠性， 要求法兰具有足够的刚度，故常升级选用法兰，如原油常压蒸馏装置采 用的法兰，其公称压力通常为1 6 m p a 。 ( 5 ) 法兰密封面型式 9 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 如前所述，法兰密封面的型式有全平面、突面、凹凸面、榫槽面、 环连接面及锥面等六种。前四种用于各种平垫，后两种用于金属垫环。 法兰密封面型式不同，适用的工况不同，密封性能也不尽相同。如一般 用于中低压的全平面、突面、凹凸面、榫槽面，其密封性能按顺序依次 较好。而环连接面和锥面，由于和金属垫环为线接触密封，金属垫环又 具有良好的回弹能力和抗松弛能力，并具有定的自紧作用故常用于 中高压与高温工况。 ( 6 ) 螺栓预紧力 对于采用平垫的强制式密封，若加大螺栓预紧力，即提高垫片的组 装应力，能促使垫片变形，减小或消除法兰密封面与垫片之间的间隙， 并缩小垫片内部纤维之间的孔隙，从而增加了介质泄漏阻力。并且在操 作时又可使垫片残留较大的工作比压值，从而保证良好的密封状态。螺 栓预紧力应均匀地施加在垫片上，当所需要的预紧力定时，通过减小 螺栓直径，增加螺栓个数，有利于垫片均匀受力，对提高密封效果有利。 f 7 ) 操作条件 操作条件是指在运转工况下法兰联接系统所承受的压力、温度及介 质的物理、化学性质。单纯的压力或介质因素对密封的影响并不是主要 的，只有在它们与温度联合作用时，尤其是在波动的高温作用下，将会 严重影响密封性能。在高温工况下，介质对垫片的溶解和腐蚀作用加剧， 增加了泄漏的可能性；法兰、螺栓、垫片可能产生高温蠕变和应力松弛， 使垫片工作比压下降；一些非金属垫片在高温下会加速老化或变质；此 外，在高温作用下，由于法兰联接构件各自膨胀量不一致，会破坏相互 的变形协调关系，使密封失效。如果温度和压力联合作用，又有波动时， 趣片还会发生疲劳失效。高温或低温下操作的密封，在开停工时由于法 兰和螺栓冷却速度不一样，也可导致垫片应力降低，使密封失效。此外， 挚片在温度波动条件下的物理性能的改变，管道受温度影响造成的附加 应力，都可能引起垫片泄漏。上述各种因素中，高温下螺栓与帑片的应 力松弛，法兰、螺栓和垫片三者之间变形协调关系的破坏，常常是造成 密封失效的主要原因。 综上所述，影响法兰密封的因素很多，为了保证密封可靠，无论在 1 0 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 进行法兰密封设计，还是在解决现场出现的密封泄漏问题时，都应该从 实际工况出发，全面考虑有关的影响因索，注意从结构、选材，以及各 种辅助措施上解决问题。 2 1 4 螺栓法兰联接密封设计理论及方法 国标g b l 5 0 、a s m e 规范、d i n 2 5 0 5 等都规定了法兰联接系统的设 计方法t 2 耻2 4 1 。g b l 5 0 中规定的设计方法基本上是沿用美国a s m e 规范， 依据垫片系数m 和预紧密封比压y 进行设计，其主要考虑的是联接结构 的强度。d i n 2 5 0 5 标准中注意到垫片力、介质力使法兰产生的挠度、垫 片的压缩量、螺栓的拉伸、材料弹性模量在高温下的变化以及热变形对 联接密封性能的影响。p a y n ej r 和s c h n e i d e r r w 在a s m e 附录法中引 入了新的垫片常数倪、a 、g 。，并且建立了确定这些参数的实验标准， 提出了紧密分析方法口5 1 。紧密性分析方法中提出了法兰联接的紧密性概 念，规定了紧密性分析的内容和方法，解决了泄漏率的定量预测和控制 问题【26 1 。 ( 1 ) 传统的法兰密封系统设计理论 传统的法兰密封系统设计方法可归结为两类。 一类是以弹性分析为基础的方法，其中具有代表性的是w a t e r s 法。 它已被美国、英国、日本等国的压力容器设计规范所采纳，也被我国钢 制压力容器采纳。该方法列出了常用垫片的特性参数：最小预紧密封 比压y 和垫片系数i n 的推荐值。其基本设计步骤是：选定垫片类型，由 参数表查出其m 值和y 值；据此求出在预紧状态和工作状态下所需要的 螺栓类型；再分别根据常温与操作温度下韵螺栓许用应力确定所需要的 螺栓横截面积，根据数值大者确定螺栓的直径和数量。对于法兰，该方 法要求在预紧状态下和工作状态下的应力分别限制在规定的数值之内， 并通过控制法兰中的弹性应力以保证法兰强度和联接接头的密封要求。 法兰中的应力是由预紧和操作两种状态下作用于法兰上的总力矩所引起 的，并且在设计方法中规定了力矩的计算方法。这类设计方法的核心是 考虑法兰中的应力，并控制法兰整体处于弹性范围，使法兰不产生屈服 和蠕变，以此来保证连接接头的严密性，实际上这可以看作是一个强度 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 设计准则。 另类是以塑性分析为基础的方法，其中最具代表性的是原西德标 准d i n 2 5 0 5 。该方法对一定范围内的各种垫片材料，给出了在装配情况 下以及在高温工况下的最大许可载荷。后者用于保证在压力已经卸载而 容器仍处于高温时垫片不致压坏，同时给出了非金属垫片在2 0 及3 0 0 时的弹性模量。该方法的出发点是把联接系统作为一整体来研究，它 要求做出总体的载荷一变形图，由此来研究联接接头的总体性态，并校 验垫片在设计条件下能否保证密封。载荷一变形图考虑到装配和受压状 态下，由于力矩的力臂改变而引起的法兰柔度变化，但同样也略去了压 力膨胀的影响。该方法包括了由于温度升高弹性模量降低而造成的螺 栓和法兰刚度的减小，并且考虑了垫片在高温下的蠕变。这个方法不同 于w a t e r s 方法之处在于，它强调提供一个联接接头时考虑法兰、螺栓和 垫片的互相依赖关系。出发点不是在于法兰中的应力，而是着眼于整个 联接接头的性态。因此，可以认为该方法属于“整体分析”设计方法的 范畴 2 7 。 美国a s m e 锅炉压力容器规范的设计方法，采用蛰片预紧密封比压 y 和垫片系数m 表征垫片的基本性能，它们被定义为两个独立的、仅与 垫片材质和结构型式有关的常数( 石棉橡胶板还与厚度有关) 。这些数值 长期以来定义模糊，本身又未经试验验证，实际上这两个参数不只决定 于垫片的材料、结构型式和尺寸，而且还与其它诸多因素有关；定量的 垫片密封试验证明，垫片系数m 值还取决于介质的性质、压力，所规定 的指标泄漏率和垫片的组装应力；该设计方法也未考虑密封连接最重要 的指标泄漏率。以强度破坏作为法兰失效准则，与螺栓法兰连接的 实际失效情况不相符合。把法兰连接系统简化为静定系统，孤立地考虑 其各个部件，无法反应连接系统的真实密封情况。法兰密封要经历预紧、 升压、升温、正常操作、开工、停工和重新开工各个环节，是一个动态 过程。因此，要实现良好的密封，法兰联接系统( 包括法兰、挚片和螺 栓) 始终都要具有适宜的变形协调关系，以保证挚片有足够的顶紧力。 这就需要对法兰联接系统进行变形协调分析和计算。现行的这种设计方 法只是孤立地考虑预紧状态和操作状态的螺栓载荷，只能是一种粗略的 1 2 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 估算。此外，高温工况下会造成法兰联接件，尤其是垫片和螺栓的蠕变 松弛，会导致垫片应力降低，密封失效。现行设计方法对这一点也未考 虑。由此可见，a s m e 规范所采用的y 、m 是不可靠的，故该设计方法 存在着很大的局限性。随着现代石油、化工等工业的迅速发展，对设备 管道的密封性能提出了越来越高的要求，美国p v r c 新规则将法兰接头 的泄漏分为五个等级1 2 剐( 见表2 1 ) 。 表2 - 1p v r c 新规则中对法兰接头的泄漏率分级 泄漏等级 泄漏率( r e g i s m m ) 备注 水、空气级t 。 2 x 1 0 1 公用j ：程，最低密封要求 相当于一个d n l 5 0 法兰 标准级t 2 2 x 1 0 。3 每天泄漏l o 升氮气 紧密级t ， 2 1 0 易燃，有毒介质 高紧密级t 2 x 1 0 。7 高真空、剧毒介质及微量泄漏 特殊紧密级t 52 x 1 矿将带来严重后果时采用 显然，按现行的法兰设计方法，要做到按上述紧密性准则进行泄漏 定量设计是无法实现的。所以目前不少研究者都致力于提出一种更合理 的方法，即把允许泄漏率作为设计准则的密封连接设计方法 2 9 旬”。 ( 2 ) 以泄漏率为准则的法兰密封设计理论 相关试验结果表明3 2 瑚1 ，当垫片应力一定时，l o g p 与l o g l 。之 间存在良好的线性关系。因此引入了一个新的垫片参数紧密性系数 l p ： 广r 1 4 铲专靴一2 手l 等j ( 2 - 5 ， 式中：p 一试验介质压力，m p a ； p 一标准大气压力，m p a ： 三m 一单位质量泄漏率，m g s ： 工。一通过整个垫片的泄漏率，m g l s ； a 一指数，由垫片试验获得，对于气体介质其值般在0 5 0 8 之间。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 通过定义系数三，将p 和泄漏率k 两个变量合二为一，从而简化了 数据处理。三可理解为在单位泄漏率下，垫片所能密封的内压，因此它 是一个反映垫片密封能力的参数。综合试验结果及计算，最终得到了垫 片装配应力s 。和残余顶紧应力s 。和紧密性参数之间的关系式3 5 1 ： 耻 鲁 ；( m p a ， 陆s ， 将垫片的试验结果关系直接应用于法兰连接系统的分析，能定量地 计算出泄漏率，将泄漏率和强度同时作为法兰连接失效的判据，能按照 不同的泄漏率要求进行法兰连接设计。可以克服现行法兰设计中的不足， 把法兰设计从带有经验性的强度设计。变为定量的法兰密封分析设计 3 6 】。 应用多孔介质中气体流动模型来描述流体通过非金属垫片的泄 漏，可将气体通过垫片的泄漏率表示成如下普遍形式”】： 三= 4 万1q - l p o - 一p ：) + 厶吉1 寺口1 ”惦一p 2 ) ( 2 - 7 ) 式中：a l 、a m 、1 3 l 、n m 一常数o b _ 垫片宽度，m m | 卜垫片单位外周长的泄漏率，e m 3 s m n l ： r l 气体粘度，m p a s ； p 。、p ：一毛细管两端的压力，m p a ； r 一通用气体常数； t _ 一气体绝对温度。k ； m 一气体分子量； q 一垫片参与顶紧应力。m p a 。 通过试验可以建立垫片残余顶紧应力与泄漏率，介质压力与泄漏率， 垫片宽度与泄漏率，气体粘度与泄漏率的关系。如已知垫片残余顶紧应 力、介质压力、垫片尺寸以及介质粘度，可求出泄漏率；同理，如已知 连接系统最大允许泄漏率、介质压力、垫片尺寸及介质粘度，可以求出 所需的垫片残余顶紧应力。从而使以最大允许泄漏率作为设计准则的密 封连接的“紧密性设计”成为可能。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 对于柔性石墨复合垫片【3 8 】和金属石墨缠绕挚片其泄漏率，与 垫片残余顶紧应力& 、介质压力p 都存在如下的关系： = 4 l p u , s ；“( c m 3 s ) ( 2 8 ) 式中：4 ，m ，l 一与密封系统各部件有关的常数。 根据此式可以建立泄漏率与预紧力的关系，从而实现紧密性设计。 由模拟垫片装配状态的试验数据表明h 叫，取同一介质压力， 垫片应力与单位质量泄漏率盯l 按如下的指数函数形式变化： 三= a e “( c m 3 s )( 2 9 ) 当垫片应力相同时，其介质压力p 与泄漏率l 的关系为： 工= 印“ m 3 0 ( 2 一l o ) 其中系数a ，b ，c 和指数n 为垫片密封参数。工作状态下的试验数 据表明在同一介质压力下，垫片应力与泄漏率表现出较好的幂函数关系： l = d a 一 i n 3 s )( 2 - 1 1 ) 该式( d 为试验系数) 在仃一p 一工关系图上表现为卸载曲线，根据资 料作近似可处理为通过原点的直线，其斜率即为m = p ，由此可得到4 2 】： ”2 孵o - a 2 m 从而把m 视为由盯。、旺】、a 、b 和n 决定的法兰计算参数。垫片接 触面上必需残留的最低应力为： m p 2 研o o p 呻曲 2 m 从而可以实现按最大允许泄漏率准则计算垫片密封参数。 在分析缠绕式垫片的密封机理及其变形特性与密封性能之间的 关系的基础上，求得螺栓拧紧力w 的表达式【4 3 l ： 渺= 0 t s s d , 1 p + ( 卢2 1 ) 盯f ( n ) ( 2 - 1 4 ) 只要求出盯。值代入此式即可求得密封需要的w 值并满足优化条件a 对于缠绕垫片密封比压为： 。：坐竺堕丝坠量( m p a ) (2fl “ _ - - 7 1 、1 5 ) 彳_ 釉大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 式中：系数e 和垫片结构及材质有关，可由试验测定； n 为缠绕层数； e ，、e ：分别为缠绕带和填充物的弹性模数； a 为折减系数： s 、0 分别为缠绕带和填充物的宽度。 在对缠绕式垫片应力和位移做了线性化和不滞后等假设的基础 上【4 4 1 ，得到了s x i 与s 口的关系式为： s x j ：s a + 0 - _ k ) p ( 2 - 1 6 ) 以2 基于美国p v r c 的方法，紧密度乙表示产生单位质量泄漏率三。时 密封的介质压力p ，即： = 手( 去丁 陋 由缠绕式垫片密封特性试验得到的垫片应力与紧密度的关系，再根 据变形协调关系求得螺栓预紧载荷增量只。与操作时垫片残余顶紧力的 减量心的关系为： 峨：叱7 c a 乙 ( 2 1 8 ) 根据此式仍然可采用我国现行规范的垫片系数m 值，依据缠绕式垫 片的密封性能试验分析，建立既能满足陋，l 要求，又可按现行规范方便 地进行密封设计的垫片预紧密封比压y 与介质压力的关系【4 5 】。在进行设 计时使用y p 图，只需根据介质压力p 即可方便地查取垫片预紧比压y 值，然后，即可按现行规范的密封设计程序进行法兰设计。 ( 3 ) 法兰密封系统设计理论进展 美国p v r c 从1 9 7 4 年起成立了专门工作小组。探讨螺栓法兰连接设 计的新方法，其新的a s m e 规范基本思路 4 6 1 为：以连接点的密封度作 为设计准则； 根据泄漏率与设计压力来确定密封度，再求出预紧和操 作工况下所需的螺栓载荷，并校核法兰的强度。 这种设计思路更合乎科学原理，但是在尚未对垫片性能充分揭示的 】6 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 情况下，要对联接做出明确的分析仍是困难的。因此密封参数的研究就 成为关键，法国机械工业技术中心( c e t i m ) 、英国流体力学研究学会 ( b h r a ) 都与p v r c 紧密合作研究 4 m 剐，而西德同样在致力于修改垫 片密封参数，并且也都取得了一定的成果。但现在的试验研究基本上都 是常温试验，而高温下垫片性能更具有实际而普遍的意义。国外的高温 试验研究已经表明f 4 钉，在高温时效时弹性垫片材料的失重与它的机械性 能及紧密性之间存在某种关系，这种联系对于评价垫片的密封性能具有 很大的潜力。国内也开展了一些垫片高温性能研究，但尚不完善。因此 开展垫片高温性能的研究、寻求表征垫片基本性能的参数、建立和完善 以最大泄漏率为设计准则的密封连接设计方法是今后密封技术研究领域 的主要课题。 在法兰密封设计理论中，除了法兰的设计、螺栓的受力分析外，还 包括垫片的应力计算和密封性能的校核等内容。密封性能的校核计算有 三种方法：华特斯计算法，原西德d i n 2 5 0 5 法以及系数法。三种校核计 算方法既有区别，又有联系。系数法以美国的国家标准a s m e 规范为 基础，其垫片密封性能计算部分的核心是预紧比压y 与垫片系数m 值的 确定。原西德d i n 2 5 0 5 法与系数法将法兰、螺栓、垫片作为一个系统， 着眼于垫片在设计温度、压力下的反力、甚至运转周期的影响。对垫片 的特性参数，d i n 2 5 0 5 法考虑到液体和气体的差别，另外，由于考虑到 垫片力、介质力对法兰产生的挠度、螺栓的拉伸、各种材料弹性模量在 高温下的降低以及热胀冷缩，使得计算结果趋近于实际情况。d i n 2 5 0 5 法和系数法最大的不足之处是计算过程复杂、影响参数繁多，可操作性 较差。因此，这两种方法在许多国家未能得以推广应用。相反地，简便 易行的华特斯法，在许多国家( 包括我国) 却得到了广泛的应用。华特 斯法是一种强度计算方法，它着重于螺栓强度，而没有把垫片反力是否 足以阻止介质泄漏作为着眼点。长期实践表明，用华特斯法进行密封校 核一般认为还是满意的。另外，为了确保安全，应用时经常采用一些加 强措施。例如，在国外对于苛刻条件的法兰连接处，往往把y 与m 值 加大若干倍数。在国内，常常采用法兰螺栓升级的方法来解决某些部位 的易漏问题，其目的也是为增加y 值。在文献 1 7 中，对这三种密封校 1 7 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章法兰密封专家系统基本理论 核方法进行了详细的阐述。 2 2 专家系统基本原理 法兰密封专家系统属于法兰密封信息化工程的内容，它是随着石油 化工信息化工程的确立而被提出的。石油化工信息化工程主要包括三个 方面：一是以“石化金桥工程”为主体的通信、管理、信息网络：二是 以先进控制为主体的过程控制；三是以计算机为主要手段进行的辅助设 计和管理【5 0 】。法兰密封信息化工程是石油化工信息化工程的部分内容， 它主要是利用计算机为媒介，通过开发计算机应用软件来提高法兰密封 设计、使用与管理的效率和质量。开发法兰密封设计、使用与管理专家 系统，把专家系统基本原理应用于法兰密封领域是实现法兰密封信息化 工程的主要手段。 2 2 1 专家系统的涵义 所谓专家系统就是一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能 化程序系统，它能运用领域专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类 专家的思维过程，求解需要专家才能解决的困难问题。美国s t a n d f b r d 大 学教授f e i g e n b a u m 认为：“专家系统是一种智能的计算机程序，它运用 知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题【5 。” 专家系统是人工智能( a r t i f i c i a li n t e