一种高温法兰螺栓力测量方法及其测量装置与流程

本发明涉及高温法兰螺栓预紧力的长期监测领域，尤其涉及一种可以在高温下长期使用的基于电容原理的螺栓力监测装置和方法。

背景技术：

螺栓法兰接头结构型式简单，装配方便，具有可拆卸性，在石油化工行业中是具有广泛的应用静密封结构型式，其主要通过法兰，螺栓和垫片三者之间的配合保证密封。法兰在安装工作后，或多或少都会产生螺栓力的松弛，而螺栓力的大小对于密封性能有着重要的影响，因此，为评估在役法兰接头的密封性能需要对螺栓力的大小进行监测。

当前法兰接头螺栓力的监测方案主要包括黏贴应变片的应力应变传感方案，超声波传感，光波传感等。其中，应变片黏贴方案由于其适用于各种结构型式的法兰接头具有最为广泛的应用。

企业中少有针对法兰接头泄漏的测量装置，往往采用传统的泄漏检测方案，其主要是通过经验常识的目测、闻、听，再或者就是气泡检测法。然而，气泡检测法灵敏度不高，除此之外，气泡的产生也易受其他因素的影响，如表面缺陷等造成误判，另外，传统的检漏方案无法起到预防的作用，而只能在泄漏发生后产生作用。

实验室环境下应力应变传感方案虽然能够通过传感装置实现对螺栓力的实时监测，但其应用范围却有缺陷，这是因为在温度较高的情况下胶水粘结剂很难保证对应变片的固定效果从而影响测量结果。

现有技术存在的缺陷主要如下：

传统的侧漏方案只能评估法兰接头泄漏与否，而无法获取螺栓上的应力分布从而对法兰接头的泄漏情况做出评估。

黏贴应变片的应力应变传感方案监测螺栓力的方案由于使用胶水对应变片进行固定，目前仅适用于常温工况，这是因为常规胶水在高温环境下会发生融化，而耐高温胶水价格较高，应用价值较低。

黏贴应变片的应力应变传感方案同样不适用于螺栓力的长期监测，这是因为胶水的性能无法满足长期监测的要求。胶水在固化后往往随着时间的推移而发生松弛无法满足紧固要求。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明的目的在于提出一种高温螺栓法兰接头中螺栓力的在线测量方法，其通过测量电容的变化能够对于服役中法兰接头螺栓力的大小进行定量监测。

在法兰连接结构中，如果螺栓发生松弛相应的螺栓长度会发生改变。因此，当在螺母和法兰装配面之间加装本发明中的电容测量装置时，可以通过对电容值的监测来实现螺栓长度变化的监测，这是因为在螺栓拧紧后本电容装置会被法兰和螺母压紧，当螺栓松弛之后电容极板之间的载玻片将会发生相应的回弹，从而引起电容极板之间电容量的变化，在对电容量和螺栓力数值之间进行标定后即可通过检测电容值的变化实现螺栓力的检测。

本发明的具体技术方案是：一种高温法兰螺栓力测量方法，包括如下步骤：

(1)确定电容：

其中，ε是一个常数，s为电容极板之间的正对面积，d为电容极板之间的距离，k则是静电力常量；由式(1)可见，在选定电容极板规格形式之后，电容极板之间的电容量大小仅由两极板间的正对面积s以及距离d所决定；在正对面积s不变时，电容极板间的电容量将仅与两极板之间的距离d有关，且距离越大，电容量越小。

(2)测定螺栓力：

当材料处于线弹性状态，即弹性模量e为常数时有

其中f表示螺栓力，s代表螺栓横截面面积，l代表螺栓原始长度，dl代表螺栓变化的长度。

即材料在受力方向的线性变化(dl/l)仅与力f的大小有关，反过来通过检测应变的大小能够反映力的变化情况；本发明利用测得电容值的变化来反映螺栓的松弛情况，从而获得应变程度，并根据式(2)转化为螺栓力的变化，测得高温法兰螺栓力。

本发明还提供了一种高温法兰螺栓力测量装置，以运行上述测量方法。

附图说明

图1是螺栓力实时监测装置结构示意图；

图2是电容极板示意图；

图3是载玻片形状示意图；

图4是电容装置组合示意图；

图5是定位销钉示意图。

图6是典型的载荷值和电容值关系示意图。

图中：1：法兰；2：螺栓；3：螺母；4：电容器；5：螺栓垫片；6：法兰垫片；7：电容测量装置；8：数据收集系统。

具体实施方式

如图1所示，是高温法兰螺栓力测量方法及其测量装置，包括螺栓法兰装置，电容测量系统，计算机数据收集系统。图中：1：法兰；2：螺栓；3：螺母；4：电容器；5：螺栓垫片；6：法兰垫片；7：电容测量装置；8：数据收集系统。

环形金属极板如图2所示，将厚度为0.1mm的盖玻片，如图3所示放置在电容圆极板之间使之成为电容器。考虑到单层盖玻片的厚度变化在测量时可能会有较大的误差，并且电容的相对变化量由于两电容板之间的厚度变化相对较小因此变化率不高，所以采用多层电容板与多层盖玻片相结合的方式，如图4所示来测量盖玻片厚度变化对电容板之间电容总量大小的影响。

将装配好的电容极板按照图1装配至螺栓与法兰接头之间，需要指出的是，为防止电容极板之间相对转动损伤盖玻片故采用图示结构使用销钉如图5所示来固定电容极板之间的相对位置来防止其发生转动。并对最上层电容极板的上表面以及最下层电容极板的下表面进行涂层以阻止其与金属材质的法兰和螺栓进行接触导致电容的测量电路短路。

应用传感器测量电容板的电容值并与试验标定的载荷值进行对比即可得出相应状态下法兰接头中螺栓的载荷值。

电容板所受载荷值与电容值之间的标定：

实验工具：电容表，盖玻片，环形金属电容器，万能材料试验机

在对电容板施加压力载荷后，在载荷的作用下电容板之间的盖玻片会发生弹性变形，其变形量根据胡克定律可知与载荷值成正比，再结合电容的决定式可知，载荷值越大，电容板之间的距离就会越小，相应的电容值就会越大，其两极板之间的电容值将与所施加载荷的大小正相关。

经过试验可以获得载荷值和电容值之间正相关的关系，即可以通过检测电容值的变化来实现对载荷值的检测。典型的载荷值和电容值关系如图6所示。

技术特征：

技术总结
本发明涉及高温法兰螺栓预紧力的长期监测领域，尤其涉及一种可以在高温下长期使用的基于电容来进行螺栓力监测的方法和装置。包括如下步骤：(1)确定电容：其中，ε是一个常数，S为电容极板之间的正对面积，d为电容极板之间的距离，k则是静电力常量；(2)测定螺栓力：当材料处于线弹性状态时其中F表示螺栓力，S代表螺栓横截面面积，L代表螺栓原始长度，dL代表螺栓变化的长度；利用测得电容值的变化来反映螺栓的松弛情况，从而获得应变程度，并根据式(2)转化为螺栓力的变化，测得高温法兰螺栓力。

技术研发人员：周建行;关凯书;章骁程
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：2019.06.12
技术公布日：2019.09.13