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新型密封材料對螺栓附加力測定與剖析
更新時間:2012-02-20

    1法蘭螺栓承受的力
  1.1法蘭螺栓的載荷

  預緊狀態下需要的最小的螺栓載荷見公式(1)。

  Wa=3.14DGbpy(1)式中:DG―墊片壓緊力作用于的中心圓直徑,mm;b―墊片有效密封寬度,mm;py―墊片比壓力,MPa.

  1.2系統操作狀態下需要的最小螺栓載荷見公式

  (2)Wp=0.785D2GP+6.28DGbmP(2)式中:P―設計壓力,MPa;m―墊片系數。

  根據GB150―1998《鋼制壓力容器》的規定設計法蘭螺栓時,應選取Wa和Wp中之大者來確定螺栓設計載荷。設計規定實際螺栓總截面應不小于需要的螺栓面積。在工程實用中,所配用的法蘭又采用高于計算時的工程壓力值的標準法蘭系列,配用的螺栓直徑也相應增大。因此,按運行系統壓力對現有的標準法蘭配用的螺栓進行的強度復核,證明螺栓在實際運行中具有足夠的安全余量。

  1.3法蘭螺栓的附加載荷

  2附加力Wg的測試與分析

  2.1螺栓受力測試條件

  (1)測試方法:對相同公程直徑的法蘭螺栓,在不同的壓力、溫度及介質工況下,做模擬載荷下的應力應變測試。使用BX- 3箱式應變計,縱向和橫向兩片半橋連接,外部用環氧樹脂保護,經試驗和標定。

  使用UCAM―5B應變儀測量與記錄。

  (2)實驗壓力:在系統壓力分別為:常壓0.25MPa、1.6MPa、2.0MPa,并在不同溫度下對相同公程直徑DN50mm的法蘭所配用的螺栓進行應變測試。

  (3)測試程序:首先測定預緊狀態下螺栓的應力,然后測定通入不同系統壓力下測定應力。最后按《帶壓堵漏技術暫行規定》的操作程序規定,先后分別注入密封劑,同時測定螺栓受力變化。最終封堵完成時,測定停止注入密封劑后3min~4min時螺栓的受力變化。

  2.2螺栓受力狀態

  對各種工況條件的模擬泄漏點,用帶壓堵漏進行封堵,全部獲得滿意的封堵效果。按規定順序和控制密封劑的壓力和速度注入密封劑,并測定螺栓受力后應力變化數據,綜合得出如下螺栓受力變化規律。

  在(1)和(2)兩項力的基礎上,A、C兩個螺栓的應力增加較大,增加值不同,其它B、D兩個螺栓受力雖然也有所增加,但增加應力不大,甚至個別工況的同位置螺栓應力值還有所減小。其中變動的測定應力數據,在同一增長趨勢的前提下,具體變化數值差別較大,比較復雜。在2、3與4注入孔注入密封劑時,與在1注入孔注入密封劑時相比較,螺栓受力狀態變化規律相同。

  2.3螺栓受力狀態的分析

  2.3.1在注入口兩側A、C兩個螺栓應力增大

  由于密封劑在1注入口進入密封空腔后,在系統內壓力的阻擋作用下,進入空腔的密封劑在口處空腔的頂部堆積,并將1的密封劑經擠壓和粘合,結合為整體,逐漸向下移動,直到在注入孔相鄰兩側注入孔之間填滿(包括A、C兩螺栓孔的間隙)。在填滿1注入點區段的過程(包括越過A、C兩個螺栓到2、3注入口邊緣),由于密封劑對空腔壁的摩擦阻力和填滿擠壓力,造成注入孔兩側的螺栓拉應力出現最高值。另外,注入密封劑的壓力過高、壓力過快,螺栓承受能力拉應力增長與注入密封劑的壓力、速度成正比。測試中極端情況曾發生過螺栓斷裂事故。

  密封劑在空腔內流動填滿、壓緊的過程,由于在同一時間里向兩側移動的密封劑的量不同,在注入口兩側所產生的力是不均衡的。因此,在1注入口兩側的螺栓所承受的應力值也不相同。

  在1區段封堵完成后,停止注入密封劑3min~4min后,對螺栓已承受的拉應力進行觀測,通過數據顯示,均有所減少。這是因為注入密封劑的推力操作雖然停止,但在空腔內的密封劑,被用強力擠壓所形成地流動,在常溫下還有一個剪切應力的平衡過程。如果在高溫下,則同時存在應力引起的降解。說明密封劑在空腔內存在自身擠壓力的平衡過程。

  2.3.2在1注入口遠處的B、D螺栓應力增加較小

  因為在1注入口注入的密封劑,不僅還沒有流動到B、D螺栓附近,更沒有填滿這一段空腔。所以在B、D兩側螺栓上,不會直接形成密封劑的擠壓力而引起的拉應力。但是由于在A、C區段的密封劑,對空腔形成的擠壓力,通過法蘭(假設為不變形體)傳遞到B、D螺栓上,所以在B、D兩側螺栓同時也承受小于A、C螺栓的拉應力。另外,雖然A、C區段密封劑的擠壓力在特殊受力工況下,對于B或D螺栓原已承受的預緊拉應力會產生暫時減低的現象。但是,在多點分別注入后,其螺栓拉應力的絕對值仍是增加的。不僅說明帶壓堵漏的封堵全過程中,密封劑對空腔內壁的擠壓力始終處于變動狀態。同時還說明不停車帶壓密封必須采用多點注入的基本原則的重要性。

  2.3.3控制密封劑注入壓力與速度的必要性密封劑由高壓注射槍出口經注射閥進入到密封空腔內所需要的最小推力值,在高壓油泵出口壓力表上可以明確顯示出來。如果超過這一推力,則證明進入空腔的密封劑的推力和速度超過了實際需要。

  這個不必要的推力,即形成對螺栓的有害超負荷拉應力。因此在注入密封劑的操作中,絕對應當控制注入壓力和速度。測試中曾經發生螺栓因超負荷產生塑性變形直到斷裂的情況,就是在沒有控制注入推力的情況下發生的。

  2.3.4封堵后螺栓應力減小在全部封堵操作過程,由于密封劑的擠壓力使夾具和法蘭螺栓承受了附加應力。而且在全部螺栓上的應力總體呈附加增長現象。但在封堵后,停止注入密封劑一段時間后所出現的螺栓峰值應力降低,是與密封劑自身的物理特性有關。

  熱固性密封劑在受外界熱影響后,隨著溫度的升高回表現出由常溫的粘彈性體(具有一定硬度)到流動性極端的熔融狀,再過度到提高自身強度、硬度的固化階段。在這些變化過程中,密封劑的體積有一個膨脹和收縮的變化過程。

  在測試封堵完成后,再經過一段時間,發生的螺栓原有應力有所減少,與密封劑的收縮特性有關。對密封劑基本性能要求,體積膨脹與收縮的比率應達到最小,也是衡量密封劑質量優劣的關鍵技術指標之一。另外,也和注入密封劑的操作技術有關。如果在封堵作業全部完成,并保證做到密封劑在空腔內全部填滿并使擠壓力達到密封要求,就可以使密封劑的膨脹與收縮量減低,相應的會減少螺栓應力的變化。

  3結論

  3.1應用不停車帶壓密封技術對原法蘭螺栓形成的總載荷,仍然使螺拴處于安全運行范圍內,因此,該技術可以保證帶壓堵漏密封操作中法蘭螺栓的安全。

  3.2密封劑擠壓產生的附加應力通過執行操作規程指出的封堵操作施工方法,可以控制在合理的必要的范圍,減少非必要的附加應力。

  3.3應注意法蘭螺栓的金屬材料性能,對于低溫工況的封堵,應采取防止由于低溫脆性而引起的螺栓斷裂。

  3.4在進行密封操作前,應詳細檢查螺栓狀況,檢查內容包括:①螺栓材質;②螺栓腐蝕狀況。對于腐蝕嚴重,已過載的螺栓,應在封堵操作之前予以更換或采取加強措施;③螺栓的工作溫度。對于所有螺栓材料,都不得超出GB150所列相應材料的允許溫度范圍之外。

  3.5封堵密封操作完成后,不得再緊固螺栓。

  3.6為保證不停車帶壓密封技術的安全應用,必須嚴格執行所列封堵操作的規定。

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