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新型密封材料对螺栓附加力测定与剖析
更新时间:2012-02-20

    1法兰螺栓承受的力
  1.1法兰螺栓的载荷

  预紧状态下需要的最小的螺栓载荷见公式(1)。

  Wa=3.14DGbpy(1)式中:DG―垫片压紧力作用于的中心圆直径,mm;b―垫片有效密封宽度,mm;py―垫片比压力,MPa.

  1.2系统操作状态下需要的最小螺栓载荷见公式

  (2)Wp=0.785D2GP+6.28DGbmP(2)式中:P―设计压力,MPa;m―垫片系数。

  根据GB150―1998《钢制压力容器》的规定设计法兰螺栓时,应选取Wa和Wp中之大者来确定螺栓设计载荷。设计规定实际螺栓总截面应不小于需要的螺栓面积。在工程实用中,所配用的法兰又采用高于计算时的工程压力值的标准法兰系列,配用的螺栓直径也相应增大。因此,按运行系统压力对现有的标准法兰配用的螺栓进行的强度复核,证明螺栓在实际运行中具有足够的安全余量。

  1.3法兰螺栓的附加载荷

  2附加力Wg的测试与分析

  2.1螺栓受力测试条件

  (1)测试方法:对相同公程直径的法兰螺栓,在不同的压力、温度及介质工况下,做模拟载荷下的应力应变测试。使用BX- 3箱式应变计,纵向和横向两片半桥连接,外部用环氧树脂保护,经试验和标定。

  使用UCAM―5B应变仪测量与记录。

  (2)实验压力:在系统压力分别为:常压0.25MPa、1.6MPa、2.0MPa,并在不同温度下对相同公程直径DN50mm的法兰所配用的螺栓进行应变测试。

  (3)测试程序:首先测定预紧状态下螺栓的应力,然后测定通入不同系统压力下测定应力。最后按《带压堵漏技术暂行规定》的操作程序规定,先后分别注入密封剂,同时测定螺栓受力变化。最终封堵完成时,测定停止注入密封剂后3min~4min时螺栓的受力变化。

  2.2螺栓受力状态

  对各种工况条件的模拟泄漏点,用带压堵漏进行封堵,全部获得满意的封堵效果。按规定顺序和控制密封剂的压力和速度注入密封剂,并测定螺栓受力后应力变化数据,综合得出如下螺栓受力变化规律。

  在(1)和(2)两项力的基础上,A、C两个螺栓的应力增加较大,增加值不同,其它B、D两个螺栓受力虽然也有所增加,但增加应力不大,甚至个别工况的同位置螺栓应力值还有所减小。其中变动的测定应力数据,在同一增长趋势的前提下,具体变化数值差别较大,比较复杂。在2、3与4注入孔注入密封剂时,与在1注入孔注入密封剂时相比较,螺栓受力状态变化规律相同。

  2.3螺栓受力状态的分析

  2.3.1在注入口两侧A、C两个螺栓应力增大

  由于密封剂在1注入口进入密封空腔后,在系统内压力的阻挡作用下,进入空腔的密封剂在口处空腔的顶部堆积,并将1的密封剂经挤压和粘合,结合为整体,逐渐向下移动,直到在注入孔相邻两侧注入孔之间填满(包括A、C两螺栓孔的间隙)。在填满1注入点区段的过程(包括越过A、C两个螺栓到2、3注入口边缘),由于密封剂对空腔壁的摩擦阻力和填满挤压力,造成注入孔两侧的螺栓拉应力出现最高值。另外,注入密封剂的压力过高、压力过快,螺栓承受能力拉应力增长与注入密封剂的压力、速度成正比。测试中极端情况曾发生过螺栓断裂事故。

  密封剂在空腔内流动填满、压紧的过程,由于在同一时间里向两侧移动的密封剂的量不同,在注入口两侧所产生的力是不均衡的。因此,在1注入口两侧的螺栓所承受的应力值也不相同。

  在1区段封堵完成后,停止注入密封剂3min~4min后,对螺栓已承受的拉应力进行观测,通过数据显示,均有所减少。这是因为注入密封剂的推力操作虽然停止,但在空腔内的密封剂,被用强力挤压所形成地流动,在常温下还有一个剪切应力的平衡过程。如果在高温下,则同时存在应力引起的降解。说明密封剂在空腔内存在自身挤压力的平衡过程。

  2.3.2在1注入口远处的B、D螺栓应力增加较小

  因为在1注入口注入的密封剂,不仅还没有流动到B、D螺栓附近,更没有填满这一段空腔。所以在B、D两侧螺栓上,不会直接形成密封剂的挤压力而引起的拉应力。但是由于在A、C区段的密封剂,对空腔形成的挤压力,通过法兰(假设为不变形体)传递到B、D螺栓上,所以在B、D两侧螺栓同时也承受小于A、C螺栓的拉应力。另外,虽然A、C区段密封剂的挤压力在特殊受力工况下,对于B或D螺栓原已承受的预紧拉应力会产生暂时减低的现象。但是,在多点分别注入后,其螺栓拉应力的绝对值仍是增加的。不仅说明带压堵漏的封堵全过程中,密封剂对空腔内壁的挤压力始终处于变动状态。同时还说明不停车带压密封必须采用多点注入的基本原则的重要性。

  2.3.3控制密封剂注入压力与速度的必要性密封剂由高压注射枪出口经注射阀进入到密封空腔内所需要的最小推力值,在高压油泵出口压力表上可以明确显示出来。如果超过这一推力,则证明进入空腔的密封剂的推力和速度超过了实际需要。

  这个不必要的推力,即形成对螺栓的有害超负荷拉应力。因此在注入密封剂的操作中,绝对应当控制注入压力和速度。测试中曾经发生螺栓因超负荷产生塑性变形直到断裂的情况,就是在没有控制注入推力的情况下发生的。

  2.3.4封堵后螺栓应力减小在全部封堵操作过程,由于密封剂的挤压力使夹具和法兰螺栓承受了附加应力。而且在全部螺栓上的应力总体呈附加增长现象。但在封堵后,停止注入密封剂一段时间后所出现的螺栓峰值应力降低,是与密封剂自身的物理特性有关。

  热固性密封剂在受外界热影响后,随着温度的升高回表现出由常温的粘弹性体(具有一定硬度)到流动性极端的熔融状,再过度到提高自身强度、硬度的固化阶段。在这些变化过程中,密封剂的体积有一个膨胀和收缩的变化过程。

  在测试封堵完成后,再经过一段时间,发生的螺栓原有应力有所减少,与密封剂的收缩特性有关。对密封剂基本性能要求,体积膨胀与收缩的比率应达到最小,也是衡量密封剂质量优劣的关键技术指标之一。另外,也和注入密封剂的操作技术有关。如果在封堵作业全部完成,并保证做到密封剂在空腔内全部填满并使挤压力达到密封要求,就可以使密封剂的膨胀与收缩量减低,相应的会减少螺栓应力的变化。

  3结论

  3.1应用不停车带压密封技术对原法兰螺栓形成的总载荷,仍然使螺拴处于安全运行范围内,因此,该技术可以保证带压堵漏密封操作中法兰螺栓的安全。

  3.2密封剂挤压产生的附加应力通过执行操作规程指出的封堵操作施工方法,可以控制在合理的必要的范围,减少非必要的附加应力。

  3.3应注意法兰螺栓的金属材料性能,对于低温工况的封堵,应采取防止由于低温脆性而引起的螺栓断裂。

  3.4在进行密封操作前,应详细检查螺栓状况,检查内容包括:①螺栓材质;②螺栓腐蚀状况。对于腐蚀严重,已过载的螺栓,应在封堵操作之前予以更换或采取加强措施;③螺栓的工作温度。对于所有螺栓材料,都不得超出GB150所列相应材料的允许温度范围之外。

  3.5封堵密封操作完成后,不得再紧固螺栓。

  3.6为保证不停车带压密封技术的安全应用,必须严格执行所列封堵操作的规定。

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