管道法兰紧密性实时监测堵漏装置及方法

1.本发明涉及一种管道法兰检测堵漏装置及方法，特别是涉及一种管道法兰紧密性实时监测堵漏装置及方法。


背景技术：

2.工业应用场景中管道是实现气、液输送的主要装置，其中法兰连接结构的可靠性是保障管道长周期安全运行的关键。目前行内对于管道法兰安全运用最多的人工监测定时监测的方式，这样的方式会耗费大量的人力物力，并且无法实时监测，对管道情况的掌控不完全。特别是一些高温、高压、高海拔等不适合人工检测，一旦泄漏不仅会带来经济损失，更会引发安全事故的地方。
3.公开号为cn104913204a的中国专利公开了一种管道气体泄漏检测装置及其检测方法，该方案通过在法兰面之间设置泄漏气体收集装置，并由气体压力传感器来测量泄漏气体收集装置内泄漏气体的压力变化进而确定是否存在泄漏；公开号为cn210136038u的中国专利公开一种管道法兰渗漏在线检测系统，该方案通过在法兰组外围设置检测罩壳，在检测罩壳内位于法兰组下方设置漏液传感器，通过漏液传感器来采集管道法兰的液体泄漏进而确定是否发生泄漏。上述现有技术均存在以下问题：1、只单一适用于液体或气体管路的泄漏检测；2、只有在管路确实发生泄漏且泄漏至一定程度时才能被检测到；3、检测到泄漏后必须依赖人工进行检修，难以即时实施堵漏措施，防止持续泄漏而引发其他问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种管道法兰紧密性实时监测堵漏装置，解决现有检测装置仅能针对液体或气体进行泄漏检测的问题，同时解决难以对泄漏的发生进行提前预警的问题。本发明的另一任务在于提供一种管道法兰紧密性实时监测堵漏方法，实现对管道法兰泄漏后及时堵漏。
5.本发明技术方案如下：一种管道法兰紧密性实时监测堵漏装置，包括连接法兰、螺栓、螺母、应变片和判断检测模块，所述连接法兰分别设置于管道上，相对接的所述管道上的所述连接法兰之间留有间隙，所述螺栓和螺母配合用于所述连接法兰间的固定，所述应变片贴附于所述螺栓的测量部，所述测量部为所述螺栓位于所述间隙的部分，所述判断检测模块接收所述应变片的测量数据并根据设定阈值判断是否泄漏。
6.本发明通过应变片监测螺栓的应力以确定螺栓变形的情况，以此确定是否发生因为螺栓预紧力变化造成的泄漏。
7.进一步地，为了避免预紧力改变的螺栓未贴有应变片而不能及时发现泄漏的问题，所述螺栓设有多个并等分分布于所述连接法兰的周向，所述应变片设置不少于两个且任意相邻的两个应变片对应的圆心角不超过180度。
8.进一步地，为了在检测到发生泄漏或存在发生泄漏的风险时，能够进行应急堵漏为人工检修争取时间防止泄漏进一步扩大造成事故，所述螺栓与所述连接法兰之间或者所
述螺母与所述连接法兰之间设有碟形弹簧垫片组件，所述碟形弹簧垫片组件包括依次层叠的上固定片、上碟形弹簧、分隔片、下碟形弹簧和下固定片，所述上碟形弹簧和所述下碟形弹簧的碟形内侧壁卡设有轴向预压缩镍钛记忆合金片，所述轴向预压缩镍钛记忆合金片呈碟形贴合于所述上碟形弹簧和所述下碟形弹簧的碟形内侧壁，所述轴向预压缩镍钛记忆合金片上设有加热组件，所述加热组件对轴向预压缩镍钛记忆合金片加热时由所述轴向预压缩镍钛记忆合金片驱使所述上碟形弹簧和所述下碟形弹簧轴向伸展变形。
9.进一步地，所述上碟形弹簧和所述下碟形弹簧的碟形内侧壁设有若干对卡钩，每对所述卡钩包括开口相对设置的上卡钩和下卡钩，所述轴向预压缩镍钛记忆合金片卡设在所述上卡钩和下卡钩之间，所述轴向预压缩镍钛记忆合金片上设有若干缺口部。通过旋转卡合的方式方便碟形弹簧垫片组件的组装。
10.进一步地，所述上碟形弹簧和所述下碟形弹簧的碟形开口相对设置，所述上固定片与所述上碟形弹簧固定连接，所述下固定片与所述下碟形弹簧固定连接。
11.进一步地，所述分隔片的边缘设有轴向的导套，所述上固定片和所述下固定片的边缘设有轴向导柱，所述导柱穿射在所述导套内。
12.一种管道法兰紧密性实时监测堵漏方法，基于上述的管道法兰紧密性实时监测堵漏装置进行，所述判断检测模块接收所述应变片的测量数据并与设定阈值进行比较，当所述测量数据超过设定阈值时，控制所述加热组件对所述轴向预压缩镍钛记忆合金片进行加热。
13.进一步地，所述接收所述应变片的测量数据并与设定阈值进行比较是将所述应变片的测量数据换算为紧密性评价数据，并与紧密性评价数据的设定阈值比较，所述紧密性评价数据由以下公式计算得到
[0014][0015]
式中：a
l
、n
l
、m
l
、u
l
为回归系数；η
x
为管路输送物质的动力粘度；s
g0
为连接法兰间垫片最小预紧比压；d0为连接法兰间垫片最大外径；l
l
为泄漏率；p为介质压力；sg为预紧力变量；d
x
为连接法兰间垫片外径变量。
[0016]
本发明所提供的技术方案的优点在于：
[0017]
利用应变片测量螺栓的形变进而对泄漏实现间接的检测，可以不受管道内物质形态的限制，对于气、液体输送管道均适用，结构简单；通过加热碟形弹簧垫片组件中的轴向预压缩镍钛记忆合金片，可以在检测出管道泄漏或者具有泄漏风险时，直接进行应急处理，防止泄漏进一步扩大造成事故，为人员到达现场维修争取了时。带有轴向预压缩镍钛记忆合金片的碟形弹簧垫片组件相对传统的碟形垫片具有更好的稳定性，在蝶形弹簧无法提供足额预紧力时，通过镍钛合金的形状记忆效应提供额外预紧力，为螺栓在操作工况下的变形提供额外补偿，减小螺栓在操作工况下的变形量。
附图说明
[0018]
图1为管道法兰紧密性实时监测堵漏装置结构示意图。
[0019]
图2为碟形弹簧垫片组件的立体结构示意图。
[0020]
图3为碟形弹簧垫片组件的侧视结构示意图。
[0021]
图4为上碟形弹簧、下碟形弹簧以及轴向预压缩镍钛记忆合金片的剖切结构示意图。
[0022]
图5为上碟形弹簧与轴向预压缩镍钛记忆合金片卡合的结构示意图。
具体实施方式
[0023]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围内。
[0024]
请结合图1所示，本实施例的管道法兰紧密性实时监测堵漏装置包括连接法兰1、螺栓2、螺母3、应变片4、碟形弹簧垫片组件8和判断检测模块，判断检测模块包括有信号传输装置5、信号接收站点和上位机，信号接收站点和上位机在图上未示出。其中应变片4与信号传输装置5进行电连接，应变片4测得的信号发送至信号传输装置5，信号传输装置5通过天线利用4g技术传输给信号接收站点进而由上位机获取，再由上位机处理判断是否存在泄漏。
[0025]
应变片4的安装是这样的，在距离两根管道6的对接面7一定距离设置连接法兰1，连接法兰1上以轴向等分分布的方式开设若干连接通孔，本实施例中连接通孔设置八个。在管道6的对接面7对准后，在连接通孔内穿入螺栓2，配合螺母3进行紧固连接。由于连接法兰1距离对接面7有一定距离，因此完成紧固连接后的两个连接法兰1间存在一个间隙。将螺栓2位于两个连接法兰1之间的间隙的环形圆柱面用酒精擦拭干净，并粘贴一个应变片4。应变片4用于测量螺栓2的变形，而由于螺栓2松动情况不一，为了防止贴有应变片4的螺栓2变形较晚而导致检测不及时，因此在多个螺栓2上粘贴应变片，任意相邻的两个应变片4所在的螺栓2对应的管道6截面的圆心角不超过180度。也就是说，如果按最少的设置两个应变片4则设置在管道6截面的直径两端的螺栓2上，例如，连接法兰1是通过五个螺栓2连接，按顺序编号的话则至少应该设置三个应变片4且中间应间隔一个编号设置。信号传输装置5则通过环形套箍固定在管道6位于连接法兰1附近，应变片4的数据线都绑在一起组合为数据传输线组连接到信号传输装置5中。
[0026]
碟形弹簧垫片组件8可以设置在螺母3与连接法兰1之间，也可以设置在螺栓2的头部与连接法兰1之间。本实施例即设置在螺栓2的头部与连接法兰1之间。请结合图2及图3所示，碟形弹簧垫片组件8包括轴向依次叠置的上固定片801、上碟形弹簧802、分隔片803、下碟形弹簧804和下固定片805。在分隔片803的边缘设有四根轴向的导套811，对应的，在上固定片801和下固定片805的边缘分别设有四根轴向导柱810，导柱810穿射在导套811内使得上固定片801、分隔片803和下固定片805对齐。上碟形弹簧802设置在上固定片801与分隔片803之间，上碟形弹簧802与上固定片801固定连接，上碟形弹簧802的碟形开口朝向分隔片803设置。相应的，下碟形弹簧804设置在下固定片805与分隔片803之间，下碟形弹簧804与下固定片805固定连接，下碟形弹簧804的碟形开口朝向分隔片803设置。如此构成了一个上下对称的结构，垫片组件的受力更加均匀。应当指出的是，上述上碟形弹簧802和下碟形弹簧804的开口方向设置仅为一个优选的实施方式，上碟形弹簧802和下碟形弹簧804以同一方向设置或者碟形开口相背设置均可。
[0027]
在上碟形弹簧802和下碟形弹簧804的碟形内侧壁卡分别设有轴向预压缩镍钛记
忆合金片808。以上碟形弹簧802为例，如图4、图5所示，在上碟形弹簧802的碟形内侧壁设有多对卡钩，每对卡钩包括开口相对设置的上卡钩806和下卡钩807，上卡钩806和下卡钩807之间留有足够的间距。上卡钩806和下卡钩807的沟槽与轴向预压缩镍钛记忆合金片808的厚度相当。轴向预压缩镍钛记忆合金片808为与上碟形弹簧802的形状相适应的碟形并呈环状，使其可以贴合在上碟形弹簧802的碟形内侧壁。轴向预压缩镍钛记忆合金片808的环宽度则与上卡钩806和下卡钩807的沟槽底间距相当。在轴向预压缩镍钛记忆合金片808上设置由数量与卡钩的对数相当的缺口部808a，轴向预压缩镍钛记忆合金片808在缺口部808a的环宽度与上卡钩806和下卡钩807之间的间距相当。在轴向预压缩镍钛记忆合金片808上设置有加热组件809，该加热组件809可以是电热丝，本实施例中，电热丝设置在轴向预压缩镍钛记忆合金片808朝向碟形弹簧的一面，安装时，将缺口部808a对准卡钩位置后，转动轴向预压缩镍钛记忆合金片808使其卡入上卡钩806和下卡钩807即可。以上描述了上碟形弹簧802与轴向预压缩镍钛记忆合金片808的连接结构，下碟形弹簧804与轴向预压缩镍钛记忆合金片808的连接结构与之相同，不再赘述。在需要提高预紧力时，通过加热组件809对轴向预压缩镍钛记忆合金片808加热，使轴向预压缩镍钛记忆合金片808达到温度产生恢复变形，形成轴向膨胀，从而促使上碟形弹簧802和下碟形弹簧804进一步变形。
[0028]
管道法兰紧密性实时监测堵漏装置安装时，先进行预紧力计算：
[0029]
轴向应变是由有二类应变组成，第一类轴向应变是由管道中的介质压力引起的，第二类轴向应变是由管道与设备位移及自身热变形等产生的外载荷引起的。
[0030]
螺栓初始计算长度为：
[0031][0032]
式中：l0为螺栓初始长度，mm；tf为法兰环厚度，mm；tg为垫片厚度，mm；db为螺栓公称直径，mm。
[0033]
螺栓仅在自身载荷作用下产生变形，无介质压力、温度及外弯矩的影响的长度为：
[0034]
l
b1
＝l0+qbw1[0035]
式中：lb1为螺栓仅在自身载荷下的初始变形，mm；qb为初始情况下螺栓的弹性系数，qb＝l0/(e
bab
)，eb为螺栓在常温下的弹性模量，mpa，ab为螺栓的总截面积，mm2；w1为初始螺栓载荷，w1＝agsk，ag为垫片全面积，mm2，sk初始时垫片应力，mpa。
[0036]
螺栓受热变形量：
[0037][0038]
式中：为螺栓受热变形量，mm；t1、t2为初始和操作时的温度，k；αb、分别为初始和工作温度下螺栓材料的线膨胀系数，℃-1
。
[0039]
螺栓由蠕变引起的变形量：
[0040][0041]
式中：为螺栓蠕变量，mm；为螺栓蠕变应变，无量纲；σ为螺栓应力，mpa；t为时间，h；a1、b1、m、a2和b2为螺栓材料的蠕变常数。
[0042]
螺栓在外弯矩作用下的变形量：
[0043][0044]
式中：是螺栓外弯矩产生的变形量，mm；db为螺栓孔中心圆直径，mm；ρ是法兰环的质心半径，mm；θ
f1
是外弯矩引起的法兰偏转角,rad；α是法兰周向角度，rad。
[0045]
在操作工况下，螺栓在自身载荷、介质压力、温度、蠕变和外弯矩共同作用下产生的变形。
[0046][0047]
式中：l
b2
为螺栓在操作工况下的变形，mm；为操作温度下螺栓的弹性系数为螺栓在操作温度下的弹性模量，mpa，ab为螺栓的总截面积，mm2；w2为操作时的螺栓载荷，ag为垫片全面积，mm2，dg垫片平均直径，mm，p为操作介质压力，mpa；s
p
操作时垫片应力，mpa。
[0048]
螺栓的轴向应变：
[0049][0050]
式中：ε是轴向应变，无量纲。
[0051]
所需的预紧力：
[0052]
f0＝f+esε
[0053]
式中：f0为预紧力，n；f为初始施加的力，n；e为螺栓材质的弹性模量，mpa；ε是轴向应变，无量纲；s是螺栓横截面积，mm2。
[0054]
根据理论计算出的预紧力的值对螺栓施加预紧力进行安装。安装完成后，通过读取粘贴在螺栓2处的应变片4电压变化以此掌握法兰连接处预紧力的大小。当管道的连接法兰处的预紧力受到外部因素的影响而产生变化时，用于连接法兰1的螺栓2的预紧力会发生变化，使得螺栓2产生形变。粘贴在螺栓2上的应变片4也随之发生形变，采集到的电压数值会发生相应变化。信号传输装置5将会监测应变片电压数值的变化，并利用4g网络方式将数值变化数据远距离传输至上位机，由上位机处理成紧密性评价数据。紧密性评价数据由以下公式计算得到
[0055][0056]
式中：a
l
、n
l
、m
l
、u
l
为回归系数；η
x
为管路输送物质的动力粘度；s
g0
为连接法兰间垫片最小预紧比压；d0为连接法兰间垫片最大外径；l
l
为泄漏率；p为介质压力；sg为预紧力变量；d
x
为连接法兰间垫片外径变量。
[0057]
当紧密性评价数据超过一个临界值时，认为发生泄漏，此时上蝶形弹簧和下碟形弹簧804在其自身弹性力作用下已难以保证螺栓的预紧力，上位机会发出管道泄漏风险的预警，并激活碟形弹簧垫片组件8。具体是控制位于轴向预压缩镍钛记忆合金片808与上碟形弹簧802以及轴向预压缩镍钛记忆合金片808与下碟形弹簧804间的加热组件809对轴向预压缩镍钛记忆合金片808进行加热。当轴向预压缩镍钛记忆合金片808到达一定温度后，镍钛记忆合金片808的记忆效应迫使其恢复原状，即在轴向恢复的过程中在上蝶形弹簧和
下蝶形弹簧处产生一个轴向的力，补充法兰螺栓结构损失的预紧力，进行应急堵漏。依据镍钛记忆合金特性，其在0～40℃可对其进行任意变形，在35～400℃其恢复预变形的形状，在此过程中，经轴向预压缩镍钛记忆合金片808逐渐恢复原形状，对上蝶形弹簧和下蝶形弹簧上的上卡钩806和下卡钩807施加作用力，卡钩进而对上蝶形弹簧和下蝶形弹簧施加作用力，上蝶形弹簧和下蝶形弹簧产生进一步的形变量，使上固定片801和下固定片805间距变大，进而为螺栓提供预紧力，使法兰间间距减小，实现应急堵漏。