高参数承压设备法兰螺栓自动紧固技术及装置课件

石油和化工行业装备技术创新论坛高参数承压设备法兰螺栓自动紧固技术及装置2025年全国石油和化工行业科技创新大会主要

内容目

录{高温螺栓拉剪扭复合载荷下应力松弛与疲劳寿命预测高温螺栓强度及松弛设计软件高温螺栓松弛与高参数法兰偏转角测试高温法兰连接接头温度分布测试与预测基于非线性压缩回弹垫片性能的预紧力设计方法高参数法兰螺栓全自动液压紧固系统非比例载荷高温法兰低周疲劳设计--交变塑性区法高温垫片动态压缩回弹与蠕变松弛测试高参数法兰连接密封性远程健康监测系统装备开发实验测试理论方法一

工程背景一、项目背景与研究团队

法兰螺栓：工业最广泛密封连接形式之一待连接部位法兰盘高压设备行业发展概况：

2024年全球高温高压设备市场规模为1293.6亿美元，法兰螺栓连接失效占设备泄漏事故的40%以上。高压换热

核电垫片

螺栓合成氨一、项目背景与研究团队

高参数法兰螺栓紧固难题

拧紧工艺

螺栓数量

应力松弛

热膨胀大极端复杂载荷导致精准自动控制难多工艺导致预紧力计算难复杂工况导致实时监测难全自动紧固系统设计控制执行减能耗低泄漏高精度紧密多尺寸安全耐用全自动易操作健康监测轻量化低成本传统螺栓紧固方法 高参数法兰螺栓紧固面临诸多难题扭矩扳手工作强度大成本较高操作要求高人工手动低效率低性能液压拉伸操作复杂成本高操作要求高

高温腐蚀

易燃易爆

长期运行

振动干扰长时间高温、瞬时高压冲击超高压力载荷波动监测》二

实验测试与理论方法二、实验测试与理论方法

2.1（1）

法兰接头热损失特性试验PFJ的测试装置设置热损失分析

在30℃时

，无风条件下的节能效率比风速为3

m/s时的节能效率平均提高了26%左右。PFJ的温度场模拟环境温度对不同目标温度热损失率的影响各测量点的温度对比稳定阶段各测量点的温度输入-测试结果蠕变-棘轮测试设备二、实验测试与理论方法

2.1（2）

高温垫片性能测试

垫片型号及应用输入：镶嵌类型、

温度、

应力幅、

应力速率、

蠕变和加载顺序结论：在实际应用中可以用相应的静态蠕变应变来估算垫片在循环载荷作用下的棘轮变形工程。测试棘轮效应与蠕变循环压缩回弹效应压缩应力-应变曲线的演变（a）与载荷路径;（b）与循环次数测试实验相同平均应力和应力幅下的多载荷测试二、实验测试与理论方法

〉2.1（2）

高温垫片性能测试

动态压缩与蠕变效应l

累积的动态压缩应变近似于静态蠕变应变。二、实验测试与理论方法

2.1（3）安装方式对高温螺栓应力松弛的影响

650℃螺栓单轴拉伸载荷下松弛试验结果

τ/σ≈0.77~0.85强化态347螺栓650℃螺栓多轴拉扭组合载荷下松弛试验结果固溶态347螺栓强化态347螺栓应力松弛幅度拉伸载荷加载液压拉升器液压扳手螺栓连接件螺栓连接组件几何图初始载荷(预紧力)越大，松弛幅

度越大。强化态的347螺栓表现出比固溶

态更低的松弛幅度，表明其相比固

溶态松弛稳定性更强，具有更好的

抗松弛性能。拉扭载荷加载固溶态347螺栓应力松弛幅度法兰最大转角原理普通铰链连接测量装

置的放大系数柔性铰链测量装置的放

大系数法兰连接转角二、实验测试与理论方法

2.1（4）

法兰接头转角紧固测试

测试结果外弯矩对法兰连接最大转角和泄漏率的影响在外部弯矩作用下测试夹角n泄漏率随外弯矩的增加而缓慢

增加，且几乎呈线性关系法兰接头小转角新型挠曲放大实验系统二、实验测试与理论方法

2.2（1）基于非线性压缩回弹理论的预紧力设计 由初始预紧力、工作压力和法兰刚度极限对应的螺栓载荷所围成的区域视为给定螺栓法兰连接的有效密封区域。垫片非线性压缩回弹理论垫片的卸载性能与最大压应力法兰连接的变形协调理论：

螺栓构件的刚度

法兰刚度垫片刚度70

MPa和室温下的典型压缩回弹曲线确定合理密封区域与预紧范围(b)螺栓法兰连接预紧力范围：(a)DN200,(b)DN500确定不同内压下的安全螺栓预紧范围不同内压下DN300法兰螺栓应力与垫片压缩力的关系螺栓法兰连接密封要求工作压力下最小螺栓载荷与法兰转角工作压力下最小螺栓载荷垫圈最小螺栓载荷二、实验测试与理论方法

2.2（2）

低周疲劳设计的“交变塑性区法”基于非线性R-O模型的直接稳态循环理论，发明了能“精准”、“高效”确定高参数承压装备低周疲劳设计的“交变塑性区法”。温度相关非线性本构

直接稳态循环法获得复杂结构总应变范围

交变塑性与低周疲劳融合设计非比例载荷下复杂高温法兰低周疲劳试验载荷设计

——“交变塑性区法”“高效”获得指定循环非比例载荷下复杂高参数承压构件的稳态应变范围

，避免了过度依赖工程经验的“盲目性”二、实验测试与理论方法

2.2（3）

高温螺栓应力松弛与寿命预测》组合荷载作用下锚杆的松弛性能

变载荷下的理论模型验证高温螺栓载荷估算模型复合载荷作用下螺栓的应力松弛螺栓连接组件中的载荷分布弯矩和扭矩作用下的应力分布理论模型预测应力松弛曲线与有限元分析结果理论模型预测的应力松弛与有限元分析结果吻合较好。有限元仿真和材料性能有限元仿真316不锈钢蠕变应变曲线应力松弛实验对比基于短期应力松弛试验的加速蠕变预测方法理论机理实际应力松弛方程稳态蠕变应变速率等效应力松弛时间实验结果对比600℃时不同应力水平蠕变曲线转换(线)和实验(点)蠕变比较稳态蠕变速率对比n基于短期应力松弛试验的加速蠕变预测方法

，将等效松弛速率定义为稳态阶段的蠕变速率

，实现短期应力松弛预测长期蠕变行为。基于蠕变数据的应力松弛预测模型Schlottner-Seeley蠕变评估程序根据ACR理论

，建立蠕变-应力松弛 转换模型平均蠕变速率计算程序基于O-H定律的两种平移模型对比基于CDM本构方程的计算结果n基于平均蠕变速率的蠕变-应力松弛转换模型优于基于连续损伤力学模型的蠕变-应力松弛转换模型

，

因为前者避免了断裂应变数据的弥散效应。二、实验测试与理论方法

〉2.2（4）

高温螺栓应力松弛-蠕变转换

《》应力松弛曲线三

装备开发与工程应用三、装备开发与工程应用

3.1闭环矢量自动控制系统使用了基于PLC与变频调压技术对步进电机的闭环矢量控制闭环矢量控制技术明显优于传统PID算法、开环扭矩控制等同类技术

，定位精度可达±0.05

°

,能耗功率降低60%

，响应速度由传统的100ms提高到5ms。全速域高精度控制：通过24位绝对值编码器实时反馈转子位置

，结合FOC（磁场定向控制）算法补偿

，消除传统步进电机的累计误差和失步问题

，实现0.01

°级分辨率。TIA

Portal硬件组态配置

PLC逻辑控制程序图总体控制设计流程图》》•闭环矢量控制技术实现了对超高压液压泵站高精度输压控制。闭环矢量控制流程》3.2（1）高温螺栓软件设计程序参考标准：ASME-PCC-1-2019《压力边界螺栓法兰连接安装指南》GB/T38342-2019

《法兰接头安装技术规定》例

例

例是例计数器4h后l

采用西门子系统全自动控制，紧固效率高；l自动设置参数，全自动装卸，操作方便。三、关键装备与工程应用

装置覆盖率50%输入70%的螺栓装配载荷，并测量法兰之间的间隙输入（1+BLLF)/NLLF的螺栓装配载荷，并测量法兰之间的间隙螺栓拉伸器从零加到满载，循环3-5次，直到螺母不发生移动l

紧凑型法兰螺栓预紧解决方案；l

可支持180mm以内法兰螺栓预紧；单工具固紧方法50%~70%的螺栓装配扭矩，加载给法兰对侧上两个相隔180°的螺栓（N-S），工具旋转90°,

给此时相隔180°的螺栓(E-W)加载50%~70%的螺栓装配扭矩20%~30%的螺栓装配扭矩，加载给法兰对侧上两个相隔180°的螺栓（N-S），工具旋转90°,

给此时相隔180°的螺栓(E-W)加载20%~30%的螺栓装配扭矩100%的螺栓装配扭矩，加载给法兰对侧上两个相隔180°的螺栓（N-S），工具旋转90°,

给此时相隔180°的螺栓(E-W)加载100%的螺栓装配扭矩100%的螺栓装配扭矩，加载给每组螺栓，按圆形模式加载给全部螺栓，每次加载一组。直至螺母不转动法兰螺栓紧固程序100%的螺栓装配扭矩，按圆形模式加载，直至螺母不转动100%的螺栓装配扭矩，从头索引一个待固紧螺栓，按星形模式或圆形模式加载给余下的全部螺栓50%~70%的螺栓装配扭矩，从头索引一个待固紧螺栓，按星形模式或圆形模式加载给下一组的四个螺栓50%的螺栓装配扭矩，加载给十二点钟、六点钟、三点钟、九点钟方向的螺栓，每次紧固一组螺栓100%的螺栓装配扭矩，按星形模式依次加载给十二点钟、六点钟、三点钟、九点钟方向的螺栓50%的螺栓装配扭矩，加载给下一组的螺栓，直到约1/4的螺栓加载了50%的载荷20%~30%的螺栓装配扭

矩，按星形模式依次加载给十二点钟、六点钟、三点钟、九点钟方向的螺栓50%~70%的螺栓装配扭

矩，按星形模式依次加载给十二点钟、六点钟、三点钟、九点钟方向的螺栓20%~30%的螺栓装配扭矩，按星形模式或圆形模式加载给第一组的四个螺栓=1100%的螺栓装配扭矩，加载给每组螺栓，每次加载一组。直至螺母不转动100%的螺栓装配扭矩，按星形模式依次加载，直至螺母不转动50%~70%的螺栓装配扭

矩，按星形模式加载给下一组的四个或六个螺栓20%~30%的螺栓装配扭

矩，按星形模式加载给第一组的四个或六个螺栓螺栓拉伸器从零加到满载，循环3-5次，直到螺母不发生移动100%的螺栓装配扭矩，加载给余下所有组的螺栓，最后再加载给第一与第二组螺栓100%的螺栓装配扭矩，按星形或圆形模式加载给全部螺栓，直至螺母不转动100%的螺栓装配扭矩，按星形模式加载给余下全部螺栓100%的螺栓装配扭矩，按圆形模式加载给全部螺

栓，直至螺母不转动100%的螺栓装配扭矩，按圆形模式依次加载，直至螺母不转动输入1/NLLF的螺栓装配载

·荷，并测量法兰之间的间隙输入70%的螺栓装配载荷，并测量法兰之间的间隙50%~70%的螺栓装配扭矩，按星形模式依次加载20%~30%的螺栓装配扭矩，按星形模式依次加载100%的螺栓装配扭矩，按星形模式依次加载 四

个

或

更

多

工

具 两

个

或

更

多

工

具修改后的传统固紧方法同步多螺栓模式液压拉伸装置是否已经按要求安装完毕生成操作路径图生成操作路径图生成操作路径图生成操作路径图传统星形固紧方法不同固紧方式的选择象限固紧方法圆形固紧方法装置覆盖率100%

重新检查装置的安装

多工具固紧方法开始触摸屏参数赋值生成螺栓序号图手动检查安装情况液压拉伸器系统初始化是

否结束例例例例否三、装备开发与工程应用

3.2（2）

高温螺栓紧固设计软件高温紧固螺栓强度与松弛校核运用pythonTkinter设计DS1-NB》螺栓最小断裂应力应力限值校核100(690)1101

102

103

104

105

106

MinimumTimeto

Rupture,

hr螺栓许用应力(454)

900

(482)950

(510)

1000(538)1050(566)1100(593)1150(621)1200(649)1250(677)1300(704)1350(732)1400(760)1450(788)1500(816)

Temperature,℉(℃)建立有限元模型，按ASME规范校核A

、B

、C级载荷下的应变限值1.00.8304and

316

stainless

steels,intersection(0.3,0.3)0.62

1/4Cr-1Mo-Vsteel,

Ni-Fe-CrAlloy,800H,

intersection(0.1,0.1)0.49Cr-1Mo-Vsteel,intersection(0.1,0.1)0.20.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Σ(n/Nd)应力分布蠕变疲劳损伤评定密封结构尺寸

有限元模型许用循环次数-应变范围50

(340)20

(140)10

(69)5

(34)2

(14)热载荷的施加SrTYPE316SS,

BoltingStress,ks

i(MPa)Σ(Δt/Td)1073.3（1）

高参数法兰螺栓自动化高精度紧固装置●

控制精度：±3%、±1%●

预紧力偏差：

1.5%、

3%●

紧固效率：

1.5-3min/组(含执行器拆装）

功

●

螺栓安装顺序可视化；能

●

紧固过程自动化（一次性选参数）；优

●

过程参数（压力、温度、预紧力等）支持趋势图、数势据报表等多种展示方式，支持全过程溯源；●异常状态自动识别（如压差异常、响应延迟、传感器漂移）并智能预警；●与云平台对接，实现移动端/PC端多终端可视化管理宜化化机

万米深地大科学装置

东海石化紧固效果显著，通过严格耐压试验和泄漏试验检验标准三、装备开发与工程应用

轻量化设计：85KG人体工学尺寸设计：

1152x300mm超高压闭环矢量控制：

150MPa、70MPa执行器覆盖率：

50%、

100%等多模式操作模式：

自动模式、手动模式适应性：化工行业标准全螺栓、螺母规格数字化液压扭矩紧固装置

数字化液压拉伸紧固装置企业应

用装置特点加压紧固加压紧固三、装备开发与工程应用

3.3（4）

高参数法兰螺栓紧固系统的操作流程》》 完全实现多规格/全自动的狭小空间适用/轻量安全设计套筒安装螺栓组装软管连接螺栓组装软管连接底座安装四、创新成果与未来展望

自动紧固技术及装置同类产品人工螺栓尺寸互换性电动3-4个直径规格手动

3-4个直径规格1个直径规格3-4个直径规格//密封寿命使用寿命10000次以上，较同类产品性能提高500%以上使用寿命2000次左右/150MPa超高压调节自动调节手动调节/操作性无门槛，简单培训，2人操作，便捷省力有门槛，专业施工团队，至少2-3人操作无门槛，至少2-

3人，耗时耗力健康监测5G物联网远程监测无/连接紧密性良好，稳