用于螺栓法兰接头的泄漏监测方法与流程

本发明涉及螺栓法兰接头泄漏监测技术，尤其涉及一种基于光纤光栅传感技术的螺栓法兰接头泄漏监测装置和方法。

背景技术：

螺栓法兰接头结构简单、装配方便、可拆卸，是一种广泛应用于石油化工装置中的静密封结构型式，其密封性能的好坏由法兰、垫片和螺栓三者构成的系统决定。统计发现，95％的泄漏来源于法兰泄漏。因此，消除事故隐患，首先要消除法兰泄漏。

法兰接头的泄漏检测方法很多，各种检漏方法和检漏仪器的特点及使用范围不相同，对他们的选择要根据具体的被检密封件和检漏要求而定，包括被检密封件的型式、尺寸和材料，所要求的检漏灵敏度、使用的检漏方法的灵敏度、示踪泄漏的物质，以及经济性、稳定性和安全性等。

对于企业在用的螺栓法兰接头，传统的泄漏检测方法，主要是基于经验常识的目测、闻、听，然后就是采取气泡检测法，而且该方法一直沿用到现在。气泡检测法有两种最常用的方法：涂抹液体法和浸泡法，在对于不宜采用浸泡法进行气泡检漏的场合，如长管线、大设备或容器密封处的检漏，则可采用涂抹液体法，因多用肥皂液作为显示液，也称皂泡法。气泡检漏法的检漏灵敏度不高，能否产生气泡和发现这些气泡与较多因素有关，如漏孔可能被杂质堵塞、漏孔很小以致形成气泡时间较长、被检件体积过小冒泡时间很短，都可能造成误判或漏检。气泡检漏法属于粗检漏，检漏灵敏度不高，一般用于确定是否泄漏，而不用作定量。

针对石化装置内螺栓法兰接头的泄漏问题，近年来国内外普遍采用美国环保署提出的epamethod21方法进行检测。测量原理如图12所示，将检测器(如催化氧化检测器、火焰电离检测器、红外吸收检测器和光电离检测器)的探头放在螺栓法兰接头部位，测量逸出的示漏气体的浓度水平，单位为ppm。

现有技术存在以下缺陷：

(1)传统的泄漏检测方法，如目测、闻、听、气泡检测等方法，无法检测微小泄漏情况。

(2)epamethod21方法无法得到螺栓法兰接头的泄漏量或泄漏率，仅给出泄漏量的粗略水平，是一种用于确定泄漏位置或对装置内设备的泄漏程度进行分类的测量方法。

(3)epamethod21方法的测量精度受仪器标定气体类型的影响较大。化工装置的设备或管道内介质成分复杂(如烯烃、烷烃、芳香烃、醛、酚等)，测量仪器的类型(如催化氧化检测器、火焰电离检测器、红外吸收检测器和光电离检测器)对每种气体的灵敏度不同，因而无法保证测量精度。

(4)epamethod21方法是对螺栓法兰接头开展周期性地检测，目前无法实现接头泄漏状况的实时监测。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的第一目的在于提出一种螺栓法兰接头泄漏监测和方法，其能够对于微小泄露进行监测。

本发明的第二目的在于提出一种螺栓法兰接头泄漏监测装置和方法，其能够对泄漏率定量监测。

本发明的第三目的在于提出一种螺栓法兰接头泄漏监测装置和方法，其能够判定泄露等级。

为此，本发明提出一种用于螺栓法兰接头的泄漏监测装置，所述螺栓法兰接头包括通过多个螺栓、垫圈、螺母结合在一起而构成密闭空间的上法兰和下法兰，所述上法兰和下法兰之间设置有压紧垫片；所述泄漏监测装置包括：温度计、压力表、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、计算单元；

温度计用于测量所述密闭空间内的温度t；

压力表用于测量所述密闭空间内的压力p；

光纤光栅传感器设置在所述多个螺栓的至少一个上，且在所述至少一个螺栓上设置至少一个所述光纤光栅传感器，以感应所述螺栓受到拉力时的长度变化；

光纤光栅解调仪用于接收光纤光栅传感器的采集信号，并将所述采集信号解析后送至计算单元；计算单元根据所接收的解析信号计算得到总螺栓力wp；

计算单元根据计算泄漏率lm；

其中，do为压紧垫片的外径；di为压紧垫片的内径；al、nl、ml为回归系数，为与密闭空间中所容纳的介质相关的常数。

优选地，所述多个螺栓为四个，且在每个所述螺栓上设置有所述所述光纤光栅传感器。

优选地，在所述至少一个螺栓的相反的侧面上分别一个所述光纤光栅传感器。

优选地，所述光纤光栅传感器为金属涂覆光纤光栅传感器。

优选地，对于宽温区，所述光纤光栅传感器固定在所述螺栓的外侧面上。

优选地，所述光纤光栅传感器通过点焊方式固定在所述螺栓的外侧面上，所述光纤光栅传感器的纵轴与所述螺栓纵轴平行。

优选地，对于窄温区，所述光纤光栅传感器设置在所述螺栓的内。

优选地，在所述螺栓内开设有纵向的孔，所述光纤光栅传感器封装在所述孔内。

优选地，所述孔分别开设在所述螺栓的顶部和底部；所述光纤光栅传感器通过环氧树脂封装在所述孔内。

本发明还提出一种用于螺栓法兰接头的泄漏监测方法，所述螺栓法兰接头通过多个螺栓、垫圈、螺母将上法兰和下法兰结合在一起而构成密闭空间，所述上法兰和下法兰之间设置有压紧垫片；所述泄漏监测方法包括：

通过温度计测量所述密闭空间内的温度t；

通过压力表测量所述密闭空间内的压力p；

通过安装到所述多个螺栓的至少一个上的光纤光栅传感器测量该螺栓受到拉力时的长度变化；

通过光纤光栅解调仪接收光纤光栅传感器的采集信号，并将所述采集信号解析后送至计算单元，由计算单元根据所接收的解析信号计算得到总螺栓力wp；

计算单元根据计算泄漏率lm；

其中，do为压紧垫片的外径；di为压紧垫片的内径；al、nl、ml为回归系数，为与密闭空间中所容纳的介质相关的常数。

优选地，所述螺栓成对设置；每个螺栓上均设置有所述光纤光栅传感器；所述总螺栓力wp为设置所述光纤光栅传感器的每个所述螺栓上的螺栓力的平均值。

优选地，对于宽温区，所述光纤光栅传感器是通过点焊方式固定在所述螺栓的侧面的。

优选地，对于每个所述螺栓，其包括两个所述光纤光栅传感器，分别设置在所述螺栓的相反侧面。

优选地，对于窄温区，所述光纤光栅传感器是通过环氧树脂封装在所述螺栓的。

优选地，对于每个所述螺栓，其包括两个所述光纤光栅传感器，分别设置在所述螺栓的顶部和底部。

优选地，根据所述泄露率，进一步确定泄漏等级。

通过本发明的螺栓法兰接头泄漏监测技术，解决了现有的微泄漏检测技术无法实现螺栓法兰接头螺栓力监测、泄漏率定量预测及等级判定的问题，提供了一种适用温度范围宽、分辨率高的泄漏监测方法，可为螺栓法兰接头运行过程中的泄漏监测和预测提供一种有效的手段。

附图说明

图1为本发明的螺栓法兰接头泄漏监测装置的结构示意图；

图2为宽温区光纤光栅传感器安装局部剖面示意图；

图3为4个螺栓时的宽温区光纤光栅传感器安装截面示意图；

图4为窄温区光纤光栅传感器安装局部剖面示意图；

图5为本发明的螺栓法兰接头泄漏监测装置的监测原理图；

图6为螺栓法兰接头泄漏模型示意图；

图7为螺栓法兰接头泄漏监测方法流程图；

图8为光纤光栅传感器测量螺栓力重复性示意图；

图9为光纤光栅传感器测量螺栓力有效性示意图；

图10为质量泄漏率与总螺栓力对照图；

图11为螺栓法兰接头受力示意图；

图12为现有技术的螺栓法兰接头泄漏监测示意图。

具体实施方式

下面，结合说明书附图对本发明的用于螺栓法兰接头的泄漏监测装置及其方法进行详细说明。

螺栓法兰接头

如图1所示，螺栓法兰接头由上法兰9、下法兰7、压紧垫片13、螺栓6、垫圈10和螺母11组成，上述元件完成装配后构成一个密闭空间，通过拧紧螺母11使上法兰9和下法兰7压紧垫片13，堵塞密封面处的空隙，从而起到密封法兰内部介质的作用。扭紧螺母11过程中，螺栓6中的螺栓力增大，在后期使用过程中，若螺栓6中螺栓力下降，则表明上法兰9和下法兰7在逐渐分离，密封面处空隙增大，内部介质沿空隙漏出，并且随着螺栓力下降幅度的增大，泄漏率越来越大。因此，本发明是针对螺栓法兰接头的泄漏问题，通过监测法兰接头中的螺栓力变化，计算接头的泄漏率，从而保障螺栓法兰接头的运行安全。

泄漏监测装置

监测装置包括压力表4、温度计5、金属涂覆光纤光栅传感器8、信号导线12、光纤光栅解调仪14和计算单元15(这里是用计算机实现)。其中，压力表4测量法兰接头内部介质的压力情况，并将测量数据传送到计算机15中进行储存、显示；温度计5为测量法兰接头内部介质的温度情况，并将测量数据传送到计算机15中进行储存、显示；金属涂覆光纤光栅传感器8安装在螺栓6上，螺栓6发生变形后，光纤光栅传感器将信号变化传送到解调仪14中，解调仪14对信号进行解析并储存到计算机15中。

加载系统

加载系统为辅助设施，为螺栓法兰接头提供外部压力源。主要由氮气源1、截止阀2和压力调节器3构成，主要用于在装置或方法研发的过程中验证装置和方法有效性与准确性。装置和方法方案确定和形成后，再对装置和方法进行实施时，不需要用到该加载系统。

光纤光栅传感器的安装

本发明中金属涂覆光纤光栅传感器8的安装方式有两种：

(1)宽温区(室温～+540℃)光纤光栅安装。如图2所示，采用点焊方式连接，将光纤光栅传感器8垂直安装在螺柱6上，信号导线12从螺母11中的小孔引出，光纤光栅传感器8在每个螺栓上安装2个、呈180°对称布置，如图3所示，安装完毕的2个光纤光栅传感器8的连线穿过下法兰7中心。

(2)窄温区(-50℃～+160℃)光纤光栅安装。如图5所示，在螺柱6的顶部和底部中心位置开小孔，将光纤光栅传感器8垂直放置于螺柱6的小孔中，然后用环氧树脂16进行封装。

螺栓力的测量

光纤光栅传感器8安装完毕后，参照asmepcc-1规范，拧紧螺栓法兰接头的螺母6。拧紧过程中，查看光纤光栅解调仪14中有无信号显示，若有信号，则表明连接正常。

待所有螺母安装完毕后，给接头升压，校准、测量螺栓力。开通加载系统的截止阀2，氮气通过截止阀2和压力调节器3进入螺栓法兰接头。随着接头内部氮气介质的压力升高，螺柱6中螺栓力发生变化，光纤光栅传感器8将采集到的信号传输到光纤解调仪14，信号经解析后传送到计算机15内进行储存、分析、显示，取螺栓上两个光纤光栅传感器采集到的力值平均值作为最终的螺栓力值。

光纤光栅传感器测量螺栓力重复性和有效性验证

如图8所示为光纤光栅传感器测量螺栓法兰接头螺栓力的重复性试验结果。对法兰接头进行两次加载，记录螺栓力值。由图8可见，光纤光栅传感器测量得到的螺栓力值重复性较好。

如图9所示为验证光纤光栅传感器测量所得螺栓力值的有效性的试验结果。通过位移传感器测量螺栓的伸长量来获得螺栓力值，将该值与光纤光栅传感器测量值进行比较，如图9，光纤光栅测量所得数据线性度好，尤其是在低压情况下的分辨率优于位移传感器。

螺栓法兰接头泄漏率模型

螺栓法兰接头受力情况如图11所示，采用缠绕式垫片(gb/t4622)作为密封垫片13，基于多孔介质模型，以氮气为介质，推导建立了螺栓法兰接头质量泄漏率模型为：

式中：质量泄漏率lm，单位为(mg/s·mm)；wp为总螺栓力，单位为n；do为垫片外径，mm；di为垫片内径，mm；al、nl、ml为回归系数，为与密闭空间中所容纳的介质相关的常数。

参照gb/t12385开展垫片密封性能试验，拟合泄漏模型参数，最终建立了以氮气为介质的柔性石墨缠绕垫片(di56mm×do66mm×t4.9mm)法兰接头泄漏率模型：

螺栓法兰接头泄漏率的计算及泄漏监测

(1)螺栓法兰接头泄漏率计算。

如图7所示，通过光纤光栅传感器8测量获得螺栓法兰接头的螺栓力值，将螺栓力值进行加和获得总螺栓力wp，将总螺栓力值、温度和压力数据带入法兰接头的泄漏模型进行计算，得到法兰接头的质量泄漏率，如图10所示。这里，需要指出，光纤光栅传感器8可以是仅仅安装在一个螺栓6上，也可以是安装在多个螺栓6上。

(2)基于泄漏率指标进行泄漏监测。

以asmepvrc提出的紧密度等级划分依据为基准，制定螺栓法兰接头的泄漏判断依据，见表1，从而基于泄漏率指标对螺栓法兰接头的泄漏状况实施监测。如图7所示，将计算获得的法兰接头质量泄漏率值同表中泄漏率数据进行对比，判断法兰接头当前的泄漏状况，实现法兰接头的泄漏监测。

表1螺栓法兰接头泄漏等级判别

本发明的有益效果：

1、本发明可以得到螺栓法兰接头中螺栓力的变化情况，以及法兰接头泄漏率定量数据，可以为泄漏监测及改造设计提供基础数据。

2、本发明基于螺栓力进行泄漏监测的方法，测量精度受内部气体类型的影响较小，可有效地减小测量误差。

3、本发明基于光纤光栅传感技术实施螺栓法兰接头的泄漏监测，可长时间不间断进行，避免了周期性的测量带来的数据不连续问题。

4、本发明所用光纤光栅传感技术测量法兰接头螺栓力，具有测量温度范围广、灵敏度高等突出优点，避免了低压或高温等情况下泄漏率监测精度差的问题。