（测试计量技术及仪器专业论文）法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发.pdf

兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：李欢日期：2 0 11 年乡月2 - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：李欢 导师签名：毳芬 日期：2 0 1 1 年舌月芝日 日期：2 0 1 1 年多月 乙日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 插图索引。i i i 附表索引v 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 国内外压力容器的研究现状2 1 2 1 螺栓预紧法兰的分类及特点3 1 2 2 国内外法兰螺栓预紧的研究现状5 1 2 3 目前法兰密封以及螺栓预紧存在的问题。5 1 3 压力容器的发展与特点6 1 4 课题的来源及现有加工装备的现状7 1 5 螺栓预紧力测量相近技术及发展8 1 5 1 应变测试系统的发展现状一9 1 5 2 国外应变测试系统的发展9 1 5 3 国内应变测试系统的发展1 0 1 6 本课题的主要研究内容1o 1 7 本章小结l l 第2 章压力容器密封机理研究1 2 2 1 密封及分类1 2 2 1 1 密封的重要性1 2 2 1 2 密封的分类1 2 2 2 压力容器密封机理13 2 2 1 密封机理的理论研究1 3 2 2 2 中低压设备的垫片密封1 4 2 2 2 1 垫片密封的密封机理1 4 2 2 2 2 垫片密封的结构1 5 2 2 3 高压设备的密封机理及结构1 6 2 3 对密封性能造成影响的主要因素1 8 2 4 本章小结2 0 第3 章螺栓连接结构预紧力控制基本要点2 l 3 1 预紧装置的控制要点2 l 3 1 1 螺栓预紧的重要性2 l 3 1 2 螺栓预紧操作情况分析2 2 3 1 - 3 螺纹连接结构受力分析2 3 法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发 3 2 最适预紧力2 4 3 3 螺栓法兰连接结构中影响密封的环节及防松措施2 6 3 3 1 螺栓法兰连接系统各元件对密封性的影响2 6 3 3 2 螺栓法兰连接的疲劳失效及防松措施2 8 3 4 本章小结2 9 第4 章应力应变测试系统的应用及特点3 0 4 1 应力应变测试系统的应用3 0 4 1 1 应变测量的特点3 0 4 1 2 应变测试装置的分类3 0 4 2 应变测量仪器31 4 2 1 电阻应变仪的分类及特点3 2 4 2 2 常用电阻应变仪的工作原理3 2 4 3 常用应变仪主要组成部分的功用和应具备性能3 3 4 4 国产应变仪的介绍3 6 4 4 1 常用电阻应变仪的介绍3 6 4 4 2 其它电阻应变仪的介绍3 8 4 5 本章小结3 9 第5 章应变测量仪硬件设计4 0 5 1 应变采集系统的基本组成及测量方法4 0 5 1 1 应变数据采集系统的基本组成4 0 5 1 2 应变采集系统的测量步骤4 1 5 2 螺栓拉力检测各环节的组成形式4 2 5 2 1 应变桥路的分类、特点以及应用场合4 2 5 2 2 放大电路的构成4 2 5 2 3 数模转换部分4 3 5 2 4 信号采集方式4 3 5 3 本测量仪器硬件组成设计4 4 5 3 1 桥路选择形式4 4 5 3 2 信号转换电路的确定4 5 5 3 3 通道选择开关k 及地址控制4 6 5 3 4 地址锁存器7 4 l s l 7 4 输入信号产生研究4 8 5 3 5 放大电路的选择4 9 5 3 6 信息采集系统形式以及实现方式51 5 4 仪器电气原理图设计5 3 5 4 1 信号转换电路设计5 3 5 4 2 元器件的布置5 4 i i 硕士学位论文 5 4 33 2 路信号转换电路的制作5 5 5 4 4 仪器电气系统组成设计一5 6 5 5 本章小结5 6 第6 章控制流程及上位机开发设计5 7 6 1 操作软件简介5 7 6 2 各通道静态数据的采集及处理5 7 6 2 1 数据采集系统u s b 2 0 8 5 与v b 的数据传递一5 8 6 2 1 1a d 模拟量输入格式及码制换算5 8 6 2 1 2a d 单通道与多通道采集时的数据排放顺序5 9 6 2 1 3v b 环境下u s b 2 0 8 5 系统的应用一5 9 6 2 2 各通道零点信号数据采集6 0 6 2 3 数据分析及处理6 2 6 2 3 1 数据分析计算6 2 6 2 3 2 零点漂移的处理6 2 6 3 人机对话结构开发6 3 6 3 1 操作界面结构设计6 3 6 3 2 操作界面特点介绍。6 4 6 4 本章小结。“ 结论与展望6 5 参考文献。6 6 致谢6 8 附录a 一6 9 h i 硕士学位论文 摘要 在化工、炼油领域，压力容器是其主要设备之一。压力容器的法兰接口是吞 吐物料的必经通道，是对接其他设施的接口。压力容器对接接口密封的严密性是 每个法兰接口都必须长期保证的。对高温、高压环境下的压力容器法兰接口密 封普遍采用金属垫嵌入式密封，密封垫截面为八角形或椭圆形，需要密封垫逐 步均匀嵌入法兰密封槽中，最终预紧力达到规定值。如果在密封垫嵌入法兰密 封槽的过程中，圆周受力不均匀，易发生局部翘曲变形，使密封失败，密封垫 报废。 本课题深入分析了采用扭矩扳手对八角垫或椭圆垫密封的法兰螺栓预紧中 发生密封失败原因，总结发现其中大部分是密封垫局部与圆周其它部位变形不 一致所造成。得出采用扭矩法实际不能准确反映各螺栓的预紧力，由于个别螺 栓预紧力过大，使密封垫产生翘曲变形。提出直接给出螺栓预紧过程的拉力来 指导加载顺序及加载值的方法。开发设计了3 2 路螺栓拉力检测的监视仪器。用 u s b 2 0 8 5 数据采集系统及笔记本电脑组成了仪器的信号处理及显示环境，自行设 计了以电阻应变片作为传感元件的桥路电路。开发了v b 环境下的笔记本电脑屏 幕操作显示界面。 本课题解决了压力容器在线密封过程中螺栓预紧力的检测问题，给压力容 器使用厂家和制造厂家带来了极大的便利，提高了法兰一次密封成功的可靠度。 节约了时间及成本。由于该检测装置使用便捷、操作简单，运输打包方便、针 对性强，具有良好的市场推广应用价值。 关键词：密封面；法兰；螺栓；预紧力；应力；监视仪 法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发 a b s t r a c t p r e s s u r ev e s s e li so n eo ft h em a i ne q u i p m e n ti nt h ec h e m i c a l ，o i lf i e l d t h e f l a n g ei n t e r f a c eo fp r e s s u r ev e s s e li st h en e c e s s a r yc h a n n e lt h a tt h r o u g h p u tm a t e r i a l a n do t h e rf a c i l i t i e sd o c k i n gi n t e r f a c e t i g h t n e s so fp r e s s u r ev e s s e li se v e r yf l a n g e i n t e r f a c em u s t l o n g - t e r mg u a r a n t e e i nh i g ht e m p e r a t u r e a n d h i g hp r e s s u r e e n v i r o n m e n t ，p r e s s u r e c o n t a i n e r s e a l i n gu s i n g e m b e d d e ds e a l ，s e a l i n gs e c t i o ni s o c t a g o n a lo ro v a l ，a s kg a s k e te m b e d d e ds e a lg r o o v e si s 伊a d u m l y ，f i n a l l yt h eb o l t so f p r e t i g h t e n i n gf o r c ea c h i e v et oaq u a l i f i e dn u m e r i c a lv a l e i fi nt h ep r o c e s st h a tg a s k e t e m b e d d e ds e a lg r o o v e s ，c i r c u m f e r e n c eh a su n e v e nf o r c e ，p r o n et od e f o r m a t i o na n d w a r p i n g ，m a k es e a lf a i l u r e ，m a k eg a s k e ts c r a p t h es u b j e c ti n - - d e p t ha n a l y s i st h er e a s o nt h a ti nt h ef l a n g ep r e t i g h t e n i n gt o r q u e w r e n c ht oo c t a g o ng a s k e to re l l i p s eg a s k e ts e a la n dm a k es e a lf a i l u r e ，s u m m a r yf o u n d t h a tm o s to fl o c a lo fg a s k e ta n do t h e rp a r t so fc i r c u m f e r e n c eh a sad i f f e r e n t d e f o r m a t i o n t h e r eh a v eac o n c l u s i o nt h a tt o r q u em e t h o dh a v en o ta c c u r a t e l yr e f l e c t t h ep r e t i g h t e n i n gf o r c eo fe a c hb o l t b e c a u s ei n d i v i d u a lb o l th a st o op r e - t i g h t e n i n gt o p r o n et od e f o r m a t i o na n dw a r p i n g t h i sm e t h o di st h a td i r e c t l yg i v et h et e n s i o no f p r e - t i g h t e n i n gp r o c e s sa n du s et h a tg u i d a n c el o a do r d e ra n dl o a d i n gv a l u e d e s i g nt h e m o n i t o r si st h a t3 2b o l tt e n s i o nt e s t u s et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fu s b 2 0 8 5a n d l a p t o pm a k eu pt h es i g n a lp r o c e s s i n g a n dd i s p l a ye n v i r o n m e n to fm o n i t o r s ， s e l f - d e s i g n et h eb r i d g er o a dc i r c u i tu s et h es t r a i ng a u g e a ss e n s o r d e v e l o p m e n tt h e o p e r a t i n gd i s p l a yi n t e r f a c ea tv be n v i r o n m e n t t h et o p i cs o l v e do n l i n e r e p a i rp r o c e s s i n g o ft h et u b es h e e t ss e a l e d s u r f a c e ，b r o u g h tg r e a tc o n v e n i e n c ef o ru s e r sa n dm a n u f a c t u r e r s ，c o s ts a v i n g s ，i m p r o v e d e c o n o m i ce f f i c i e n c y d u et os i m p l eo p e r a t i o n , c o n v e n i e n tt r a n s p o r t a t i o np a c k a g e ， s t r o n gs p e c i f i c ，t h ep r o s t h e t i cd e v i c eh a sg r e a tm a r k e tv a l u e k e y w o r d s ：s e a l i n gs u r f a c e ，f l a n g e s ，b o l t , p r e t i g h t e n i n gf o r c e ，s t r e s s ，m o n i t o r l i 硕十学位论文 插图索引 图1 1 化工设备图1 图1 2 法兰结构形式4 图1 3 法兰密封结构4 图1 4 八角垫密封结构8 图1 5 八角垫受力示意图8 图2 1 静密封的分类1 3 图2 2 动密封的分类13 图2 3 垫片泄露形式1 4 图2 4 垫片一螺栓一法兰连接结构15 图2 5 法兰密封面形式15 图2 6 特殊形式的密封面1 6 图2 7 平垫密封结构1 7 图2 8 双锥环密封结构17 图2 9 “0 形环密封的局部结构1 8 图3 1 无内压预紧2 2 图3 2 有内压预紧2 2 图3 3 全垫片接触。2 3 图3 4 法兰连接系统的功能框图2 8 图4 1 应变测量方案31 图4 2y j d 一1 型静、动态电阻应变仪面板图3 6 图4 3y j d 一1 型静、动态电阻应变仪方框图。3 6 图4 4y 6 d 一3 a 型应变仪面板图3 8 图4 5y 6 d 一3 a 型应变仪方框图。3 8 图5 1 仪器模块组成4 4 图5 2 简易测量电阻阻值桥路4 5 图5 3 半桥连接的平衡电桥4 5 图5 48 个被测量公用一个桥路的信号转换电路4 6 图5 5 加入微调电阻后的8 路信号转换电路4 6 图5 6c d 4 0 5l 管脚图4 7 图5 7 应变电桥调理模块原理图5 0 图5 8 应变电桥调理模块接线图。5 0 图5 9 数据采集系统元件布局图5 1 图5 10c n i 插头( t t l 开关输入输出) 连接器5 2 图5 11d i d o 数字信号输入输出连接器5 3 l l i 法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发 图5 1 23 2 路信号转换电路原理图5 4 图5 1 3 电路元件布置图5 5 图5 1 43 2 路信号转换电路板调试连线图5 5 图5 1 5 电气系统结构组成图5 6 图6 1 模拟信号的数据采集过程5 8 图6 2 应变测试系统主面板6 3 图6 3 初始化参数界面6 3 图6 4 测量界面6 4 图6 5 报警界面6 4 i v 硕+ 学位论文 附表索引 表3 1 预紧许用应力值选择表。2 6 表5 1c d 4 0 5 1 引脚功能说明4 7 表5 2 上位直接操作7 4 l s17 4 的逻辑关系4 8 表5 3 由7 4 l s l 3 8 译码后上位直接操作7 4 l s l 7 4 的逻辑关系4 9 表5 4 调理模块主要技术参数5 0 表5 5 数据采集卡元件功能51 表5 6c n i 插头( t t l 开关输入输出) 连接器管脚功能5 2 表5 7d i d o 数字信号输入输出连接器管脚功能5 3 表6 1a d 双极性模拟量输入的数据格式5 8 表6 2a d 单极性模拟量输入的数据格式5 9 表6 3a d 的以下硬件参数取值5 9 表6 4 第一组通道采集的数据6 1 表6 5 第二组通道采集的数据6 1 表6 6 第三组通道采集的数据6 1 表6 7 第四组通道采集的数据6 2 v 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 石油化学工业是国民经济的重要支柱产业，压力容器及接管被广泛应用于化工、炼 油、机械、动力、轻工、纺织、冶金、核能及运输等工业部门，是生产过程中必不可少 的重要设备。如化工生产中的反应装置、换热装置、分离装置的外壳，流体贮罐，核动 力反应堆的压力壳，电厂锅炉系统中的汽包等，大多都是由压力容器及接管组成。不仅 如此，在家庭生活中，压力容器及接管的应用也非常普遍，如民用液化石油气瓶及接头 等。因此，压力容器及接管与工业生产和人民生活有着十分密切的关系。以下图1 1 为某化工工厂厂区设备一角。 图1 1 化工设备一角 法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发 众所周知，化学工业生产具有工艺过程复杂，工艺条件要求严格，介质具有易燃、 易爆、有毒，腐蚀性强，生产装置大型化以及生产过程的连续性、自动化程度高等特点， 这就要求必须将事故发生的可能性降低到最小，也就对化工压力容器接管的密封性能提 出了很高的要求。随着生产能力的扩大，化工生产中设备规格、型号在变化，特别是静 止设备直径越来越大，这些高、中压静止设备是化工生产中化学反应、传质、传热的关 键设备。在运行中由于温度、压力的变化，常出现设备接管法兰口的泄露，在泄露时为 维持生产的正常运行，采用带压堵漏或其它方法加以维护。但是由于生产系统的压力的 变化，介质腐蚀，造成接管法兰密封面的冲刷、腐蚀，甚至损坏，给生产维修带来较大 的难度。而在化工、炼油生产中，从原料到产品，包括半成品、中间体、添加剂、催化 剂、各种溶剂和试剂等，绝大多数是易燃易爆的，而它们多以气体、液体状态存在，在 高温、高压、深冷、真空条件下极易泄露或者挥发，甚至达到物质的自燃点，一旦密封 容器的密封性发生变化，不仅会导致生产成本升高，情况严重时会导致修复周期长，费 用高，甚至报废，造成极大的经济损失。而且还会对现场操作的工人人身造成威胁，如 果这些物质泄漏到车间里，其浓度超过车间空气中有毒物质最高容许浓度时，就会危及 工人及在场人员的生命安全；即使在低浓度( 剂量) 下，也会因多种有害因素长时间对 人体的联合作用而影响职工身体健康，导致各种职业病的发生乜】。 基于上述生产特点，对化工压力容器接管法兰密封提出了更高的要求，即一是满足 化工工艺的要求，二是安全可靠。化工压力容器接管法兰密封首先应该满足化工工艺的 要求，即压力容器的结构型式和构造能在指定的生产条件下( 压力、温度、物态条件) 下完成指定的生产任务。化工压力容器接管法兰密封的另一基本要求是确保其安全、稳 定、长周期运行。生产实践表明，压力容器发生爆炸所造成的灾难性事故为数不少，甚 至于相当频繁。为保证压力容器的安全运行，防止事故发生，世界各国都先后成立了专 门的研究机构，从事压力容器的科学研究工作，并制定有关技术规范。在设计压力容器 的时候除了需要遵守标准的规程之外，密封性是化工压力容器的一个十分重要的问题， 因为化工厂所处理的物料中很多是易燃、易爆或者有毒介质，化工压力容器中的物料如 果泄露出来，不但给生产造成损失，还会引起燃烧、爆炸、灼伤、中毒等事故。因此， 不管是高压还是中、低压容器，在设计制造安装和使用过程中都必须特别重视容器的密 封性问题。 1 2 国内外压力容器的研究现状 近年来，由于锅炉、石油、化工以及原子能工业的迅速发展的需要，人们对压力容 器的理论和实验应力分析技术进行了更加广泛深入的研究。弹塑性力学理论的进一步发 展，电测和光弹性应力测量技术的不断完善，特别是电子计算机技术在应力分析中的应 用，使得人们能够对压力容器各部分的受力和变形情况做出比较符合实际的分析，有了 比较精确的理解，再结合压力容器试验和使用过程中积累的丰富经验，就可以进一步弄 清楚各类应力对容器强度的影响。为此，国内外学者对压力容器的密封安全性分析做了 大量的研究工作。 2 硕十学位论文 1 9 8 7 年c a s c a l e s 根据非线性密封特性分析了螺栓法兰连接的泄露问题，提出了三 维图解分析方法及法兰转角的简化模型，并推导了法兰环转角的近似公式。2 0 0 1 年， g o w r i s r i n i v a s a n 用三维线性有限元分析了压力容器螺栓连接的最大应力以及螺栓头部 过度圆角处的应力集中。2 0 0 2 年，t o m o s h i m i y a m u r a 给出了并行环境下用分级区域分解 法进行静力弹塑性有限元分析的关键技术1 。 对于压力容器密封分析，国内学者也做出了卓越的成绩。1 9 8 5 年，谷芳毓基于接触 有限元混合法，提出一种可调间隙处理弹塑性接触问题增量方法，考虑法兰联接中螺栓 弯曲的作用。并简化压力容器为轴对称模型，螺栓为等效梁单元，考虑上下法兰间及上 法兰与螺栓间的接触状态，对容器进行了密封分析。1 9 9 3 年，李润芳以轴对称有限元应 力分析为基础，应用弹塑性接触理论、弹塑性大变形理论、瞬间温度场理论以及热弹塑 性接触耦合分析方法，形成了一套冷热态瞬态密封分析程序系统，并对压力容器模拟体 的冷热态工况进行了分析。 1 2 1 螺栓预紧法兰的分类及特点 接管法兰是压力容器中物料流通的必经环节。在容器、管件和阀门的连接中，法兰 是一种主要的可拆连接的结构，法兰密封包括螺栓、螺母、垫片及其与之连接的壳体( 容 器简体、封头或管道) ，形成“法兰螺栓挚片连接系统 。对于高温高压系统，物料的密 封垫多分为：八方形或椭圆形截面的圆环结构。对于这种密封垫的加载，要求圆周均匀 逐步加压，使密封垫逐步均匀的嵌入法兰的密封槽中，从而达到密封。 法兰的种类很多，我国有关部门已经制定了一系列的法兰的标准。列入标准的法兰 主要类型如图1 2 所示，其基本类型可以分为三类h 1 ： ( 一) 整体法兰 指法兰环、法兰颈部及容器或接管三者能有效地连接成一整体结构以共同承受力矩 作用的法兰。如图1 2 ( a ) 所示，即为整体法兰。由于锥劲的作用，整体法兰的强度和 刚度都较高，故适用于压力、温度都较高的重要场合。这种法兰既与容器或接管对焊成 为整体，所以法兰环的受力会牵动容器或接管，在容器或接管上引起附加弯曲应力。 ( 二) 活套法兰 活套法兰亦称松套法兰或者自由法兰。这类法兰不是直接连在容器或接管上，只是 将法兰环松套在容器或接管的凸缘或翻边上，如图1 2 ( b ) 所示。法兰环可以不带锥劲 或带有锥劲。活套法兰不会在容器或接管上引起附加弯曲应力，因此不会在壳体或者管 子上产生附加弯曲应力，这对于高压设备或管道而言是颇为重要的，可以不必因为由于 法兰环对容器或接管引起附加弯曲应力而加大容器或接管的厚度。 螺纹法兰从受力角度分析和活套法兰属于同一类型，如图1 2 ( c ) 所示。主要用于 高压管道，常和锥形密封面、金属透镜垫配合使用。它对管壁引起的附加弯曲应力很小， 可以略去而作为活套法兰进行计算。 ( 三) 任意式法兰 这类法兰称平焊法兰也称作任意式法兰，这是中低压容器和管道中最为常用的法兰 形式，如图1 2 ( d ) 、( e ) 、( f ) 所示，其中( d ) 、( e ) 为甲型平焊法兰，( f ) 为乙型平 一一 3 法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发 焊法兰。它们结构简单、加工方便，其受力特征介于整体法兰和活套法兰之间。所以在 计算时根据具体的法兰，视法兰环和容器或管道连接的牢固程度而作为整体法兰或活套 法兰计算。 ( d ) 、 豸 昶i 闲 、k y ( e ) ( f ) 图1 2 法兰结构形式 对于上述各法兰的密封结构如图1 3 a 所示，由法兰1 ，垫片2 ，螺栓3 组成。亦有 无挚圈密封( 如图1 3 b ) ，依靠两接触表面挤压进行密封。在生产实际中，压力容器 常见的密封失效很少是由于联接件或者被联接件的强度破坏所引起，较多的是由于密封 不好而导致泄露。一般来说，流体在密封口泄露有两种途径：一是垫片渗漏；二是压紧 面泄露。根据流体的泄露形式，容器密封按原理可分为两大类：强制性密封和自紧性密 封。法兰平垫密封式是强制性密封的典型，它是完全依靠螺栓力通过法兰压紧面作用， 强制压紧密封元件( 垫片) 使之密封。当垫片单位面积上所受的压紧力达到某一值时， 压紧面上凹凸不平的表面被填满，消除垫片与密封面间的泄漏间隙，为阻止介质泄漏形 成了初始条件。而自紧性密封主要依靠容器内的操作压力压紧密封元件，使连接口达到 密封。 ( a ) 有垫密封 图1 3 法兰密封结构 4 1 、 撼 对 ( b ) 无垫密封 硕十学位论文 1 2 2 国内外法兰螺栓预紧的研究现状 人们长期以来十分重视螺纹连接的设计，但对螺纹连接过程，即螺纹拧紧工艺及设 备却不太重视。对于经常发生螺纹实际拧紧力并未到达设计要求，或螺纹连接设计不合 理的现象，由于螺纹拧紧工艺研究的缺乏，不能将其解决。国外在拧紧方法的研究方面， 进行了大量的试验，并不断制定和修改螺纹拧紧方面的标准。美国早在4 0 年代末就开 始着眼于螺栓伸长和轴力的关系，并进行了扭矩转角法的研究，并于1 9 6 0 年制定了规 范，以后在1 9 6 2 年修订规范时，强调以扭矩转角法作为主要拧紧方法。1 9 6 4 年、1 9 7 4 年又不断地进行了修订，使规范日臻完善。扭矩转角法在当时已是美国主要拧紧方法。 英国、日本、西德等也都相继采用，并都制定了各自的扭矩转角法标准。之后，各国 又在进行屈服点法的研究。现在，在汽车发动机上都积极地采用着这种方法。国外发动 机凡是承受交变载荷以及受振动和温度影响的螺栓，如连杆螺栓、曲轴螺栓、主轴承螺 栓、缸盖螺栓，均己淘汰扭矩法，而改用扭矩转角法或用不受扭矩系数影响的屈服点 法控制拧紧过程。 国外建筑、航空、航天、汽车、造船、机械等行业自5 0 年代以来即采用了控制预 紧力的力矩( 或转角等) 安装技术，控制精度、摩擦性能的紧固件制造技术，制订了较 完善的针对螺纹连接结构安装力矩和预紧力的标准，有较完善的螺纹连接规范和大量的 技术研究成果。研究范围涉及到螺纹连接理论、预紧力控制、摩擦性能控制、防松控制、 防疲劳控制、生产统计过程控制、连接结构力学试验和分析、可靠性研究、新型多功能 紧固件研制、新材料及新结构的应用、螺纹副应力、变形、运动性能测试、分析等诸多 方面。典型的应用标准如波音的螺栓和螺母的安装( b a c s 0 0 9 m ) ，n a s a 的( n a s an s t s 0 8 3 0 7 预紧力螺栓设计准则、s a e 的( s a e l 4 7 1 a ( 2 0 0 0 年) 等等。目前，美、德、 日、俄等国工程上大量采用预紧力控制安装技术，力矩法标准中比较严格的规定了扭矩 系数和应用条件。 我国力矩法控制预紧力技术5 卜7 0 年代基本仿效前苏联的技术资料，应用范围有 限。随着和国外公司的合作，国内也在对国外拧紧技术进行引进、消化和吸收，8 0 年代 后，汽车、铁道、航空等行业结合自己的工况开展了相应的研究，制订了相应的行业技 术规范。机械部效仿日本标准编制了螺纹紧固件紧固通则g b t 1 6 8 2 3 2 1 9 9 7 ) 。国内 有许多行业要求高强度螺栓连接副按扭v 系数供货，按扭矩法进行施工，以保证设计要 求的预紧力。目前国内在钢螺栓的连接理论、预紧力保证、安装力矩控制、扭矩系数检 测试验、现场装配等方面进行了大量的研究工作。通过充分的研究、试验和分析工作， 了解螺纹连接装配中安装力矩与预紧力、应力状态，确定工程应用中典型的螺栓连接结 构的拧紧力矩系数等设计参数，确定安装力矩，为在工程中准确控制螺栓预紧力提供必 要的设计依据，这对于螺栓连接结构预紧力、应力可靠性分析是十分必要的哺仆1 。 1 2 3 目前法兰密封以及螺栓预紧存在的问题 传统的法兰密封结构形式通常会有下列问题n 1 ： 法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发 ( 1 ) 大直径换热器基本上会采用多管程，存在较大的温差，使法兰和螺栓产生较 大的变形差异，易造成某些部位垫片应力低于密封条件所需的最低值，导致泄漏的发生； ( 2 ) 当工作压力较大时，直径大的换热器法兰因为需要更大的螺栓载荷，因而螺 栓规格或数量需要更大或更多，使法兰径向力臂加大，加之自身截面大，因而整体刚性 差，使密封的可靠性降低，密封结构的泄漏率与工作压力呈线型增长关系； ( 3 ) 由于螺栓载荷较大，为避免被过度压紧而使垫片失效，垫片需要较大的宽度。 垫片越宽，垫片应力的径向均匀度越差，泄漏的可能性就越大； ( 4 ) 直径越大，预紧力的均匀性也越差，某些部位因过度预紧导致垫片塑性变形 而失效的可能性增加： ( 5 ) 直径越大，密封面的加工越困难，平面度越难保证；垫片材料和尺寸的均匀 性也越难保证。 传统的法兰连接结构的密封属于强制密封。法兰间的密封依靠主螺栓的预紧作用均 匀地压紧垫片，使其产生适量的变形，垫片因变形回弹，从而在垫片与法兰之间形成一 道紧密的屏障，使介质通过这道屏障的压降必须大于或等于内压。在石油化工行业，大 型容器之间的连接通常是由法兰通过螺栓连接，并通过预紧螺栓使挚片压紧而保证密 封，法兰的两个接触面，即使经过精密机械加工，它们之间也会存在着及其微小的间隙， 这种极其微小的间隙就是流体泄露的原因。在石油化工装置中，关于压力容器这种密封 结构泄漏的问题时常出现，当压力容器直径较大时，这种结构泄漏的可能性更会增大。 现有的螺栓预紧方式是扭矩法，对螺栓逐个分次加载，由扭矩力换算出螺栓的预紧 力。但是，扭矩法的扭矩只有1 0 作用在预紧力上，其余的9 0 消耗在螺纹及螺栓端部 摩擦上。因而，摩擦系数的波动大大影响螺栓预紧力。如果波动超出一定范围，就会出 现产品可靠性问题。如果摩擦力过小，扭矩过高螺杆会拉长变细，或者螺纹脱扣，摩擦 力过大，扭矩过低，预紧力不足，会使垫片窜动，导致流体渗漏以及螺栓本身以及整个 连接体的疲劳失效，影响密封。扭矩法拧紧时，螺纹件摩擦系数离散度越大，拧紧质量 越差( 预紧力离散度越大) 。摩擦系数过大时，螺栓预紧力会小( 拧紧太松) ；摩擦系数 过小时，螺栓预紧力会太大( 螺栓会有拧至塑性变性区甚至断裂的危险) 。因此，单方 面盲目追求提高拧紧工具的扭矩控制精度是无法提高拧紧质量的，也是一种浪费性的无 用投资。 这种老式的预紧方法无法判断正在被预紧的螺栓是否载荷最轻，密封垫是否逐步圆 周均匀嵌入法兰密封槽中，也无法换算出的预紧力受螺栓变形、垫片精度影响很大，最 终预紧力数值受到质疑。经常发生法兰对接预紧后打压实验发生泄漏，密封垫局部受损 严重。究其原因是密封垫没有均匀逐步压入密封槽中，在预紧过程中产生翘曲变形，使 密封失效。 1 3 压力容器的发展与特点 我国过程工业中，压力设备的螺栓法兰连接系统长期实行以事后维修、预防性计划 维修为主的检修体制。以预防性计划维修为主的检修体制曾经是适应我国生产力发展的 6 硕士学位论文 检修体制，一般包括大修、临修、定期维修等形式。随着装置向大型化和高参数化方向 发展，对螺栓法兰连接系统提出了愈来愈高的要求，其安全可靠性对装置长期高效运行 的影响也越来越大，检修投入随之大幅上升。在这种情况下，传统检修体制逐渐暴露出 其缺点，主要有哺1 ： ( 1 ) 由于技术条件的限制，现有的检修决策更多的建立在经验基础上，没有全面 完整的分析设备螺栓法兰连接系统可能发生的故障，“以计划检修为主、故障检修为辅 的检修体制常常造成系统的过修或失修，甚至可能会给设备生产带来隐患。 ( 2 ) 随着科学技术的发展，过去的一些维修思想可能不符合静密封实际的需要， 需要对管理者和维修人员进行新的检修思想和新的检修技术培训，利于更好的理解、选 择和执行故障维修策略。 ( 3 ) 现代石油化工装置的大型化和高参数发展趋势对过程装备的螺栓法兰连接系 统提出了愈来愈高的要求，现有的螺栓法兰连接系统故障模式研究还不够全面，如何针 对不同的故障模式采用不同的检修策略还需要深入研究；同时维修技术的发展，特别是 状态检修技术的发展，为设备静密封的故障分析提供了更多的分析手段和检修策略，如 何充分、及时、有效地将这些技术综合运用到螺栓法兰连接系统检修决策中还是一个难 点。 1 4 课题的来源及现有加工装备的现状 本研究课题来源于压力容器制造的资深企业兰州石油机械有限公司，委托研发 设计多螺栓均匀预紧过程的监视仪开发，作为压力容器接管密封的专用设备。 垫片是密封结构的重要元件。垫片变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。垫 片的变形包括弹性变形和塑性变形两部分，只是弹性变形具有回弹能力，回弹能力大， 适应操作压力和温度的波动也大，密封性能就较好。而垫片的变形和回弹，与螺栓预紧 力，垫片的材料和结构有关。对高温、高压、腐蚀性介质，垫密封普遍为合金材料，截 面现状为八角形或椭圆形。八角垫和椭圆垫密封属于静密封中的自紧密封，其结构是在 法兰面上开梯形槽，并在槽中嵌入八角形或椭圆形截面的金属环形垫圈，依靠这种结构 的特点，当压力升高时密封件与平盖、筒体端部之间的压紧力自动加大，从而达到密封 的目的。椭圆垫密封效果较好，但加工相对困难。以八角垫为例，八角挚密封结构如图 1 4 所示，八角挚与法兰梯形槽的内外侧面形成线接触密封，所需螺栓载荷较小，对密 封面的表面粗糙度要求也不高，而且制造检修方便、有一定的自紧作用、密封效果好、 适用范围广，八角垫的受力结构示意图如图1 5 所示，正在广泛地被用于化工设备和管 道的密封4 1 。 7 法兰螺栓均匀预紧过程的监视仪开发 1 5 ：1 1 图1 4 八角垫密封结构 薄 g 、 ，：薯琏i z - 列 图1 5 八角垫受力示意图 在密封面上受螺栓预紧力产生的法向压紧力g 和平行于密封面的摩擦力f 的影响，处 于弹性压缩状态，建立起初始密封。操作状态下，由于内压的作用，螺栓载荷增加，其 伸长量增加，八角垫产生回弹，预紧密封比压下降。 当法兰上分布多个螺栓时，要达到预紧的目的就要保证每个螺栓受到的预紧力一 致，这样才能保证压力容器在预紧的同时又不产生泄漏的情况。对于八角垫或椭圆垫嵌 入式密封法兰预紧过程要求每个螺栓受到的预紧力基本一致，预紧终了预紧力一致。综 上所述，设计一种直接观测到多个螺栓各自受受力变化及大小的预紧力监视仪器十分必 要，这样不仅实现了自动化，减轻了重复劳动强度，而且会减少由于预紧力不均匀造成 的垫片的损失，能给企业带来显著的经济效益并且具有广阔的市场推