本發(fā)明涉及螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測技術(shù)，尤其涉及一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測裝置和方法。

背景技術(shù)：

螺栓法蘭接頭結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便、可拆卸，是一種廣泛應(yīng)用于石油化工裝置中的靜密封結(jié)構(gòu)型式，其密封性能的好壞由法蘭、墊片和螺栓三者構(gòu)成的系統(tǒng)決定。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，95％的泄漏來源于法蘭泄漏。因此，消除事故隱患，首先要消除法蘭泄漏。

法蘭接頭的泄漏檢測方法很多，各種檢漏方法和檢漏儀器的特點及使用范圍不相同，對他們的選擇要根據(jù)具體的被檢密封件和檢漏要求而定，包括被檢密封件的型式、尺寸和材料，所要求的檢漏靈敏度、使用的檢漏方法的靈敏度、示蹤泄漏的物質(zhì)，以及經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性等。

對于企業(yè)在用的螺栓法蘭接頭，傳統(tǒng)的泄漏檢測方法，主要是基于經(jīng)驗常識的目測、聞、聽，然后就是采取氣泡檢測法，而且該方法一直沿用到現(xiàn)在。氣泡檢測法有兩種最常用的方法：涂抹液體法和浸泡法，在對于不宜采用浸泡法進(jìn)行氣泡檢漏的場合，如長管線、大設(shè)備或容器密封處的檢漏，則可采用涂抹液體法，因多用肥皂液作為顯示液，也稱皂泡法。氣泡檢漏法的檢漏靈敏度不高，能否產(chǎn)生氣泡和發(fā)現(xiàn)這些氣泡與較多因素有關(guān)，如漏孔可能被雜質(zhì)堵塞、漏孔很小以致形成氣泡時間較長、被檢件體積過小冒泡時間很短，都可能造成誤判或漏檢。氣泡檢漏法屬于粗檢漏，檢漏靈敏度不高，一般用于確定是否泄漏，而不用作定量。

針對石化裝置內(nèi)螺栓法蘭接頭的泄漏問題，近年來國內(nèi)外普遍采用美國環(huán)保署提出的epamethod21方法進(jìn)行檢測。測量原理如圖12所示，將檢測器(如催化氧化檢測器、火焰電離檢測器、紅外吸收檢測器和光電離檢測器)的探頭放在螺栓法蘭接頭部位，測量逸出的示漏氣體的濃度水平，單位為ppm。

現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺陷：

(1)傳統(tǒng)的泄漏檢測方法，如目測、聞、聽、氣泡檢測等方法，無法檢測微小泄漏情況。

(2)epamethod21方法無法得到螺栓法蘭接頭的泄漏量或泄漏率，僅給出泄漏量的粗略水平，是一種用于確定泄漏位置或?qū)ρb置內(nèi)設(shè)備的泄漏程度進(jìn)行分類的測量方法。

(3)epamethod21方法的測量精度受儀器標(biāo)定氣體類型的影響較大。化工裝置的設(shè)備或管道內(nèi)介質(zhì)成分復(fù)雜(如烯烴、烷烴、芳香烴、醛、酚等)，測量儀器的類型(如催化氧化檢測器、火焰電離檢測器、紅外吸收檢測器和光電離檢測器)對每種氣體的靈敏度不同，因而無法保證測量精度。

(4)epamethod21方法是對螺栓法蘭接頭開展周期性地檢測，目前無法實現(xiàn)接頭泄漏狀況的實時監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明的第一目的在于提出一種螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測和方法，其能夠?qū)τ谖⑿⌒孤哆M(jìn)行監(jiān)測。

本發(fā)明的第二目的在于提出一種螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測裝置和方法，其能夠?qū)π孤┞识勘O(jiān)測。

本發(fā)明的第三目的在于提出一種螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測裝置和方法，其能夠判定泄露等級。

為此，本發(fā)明提出一種用于螺栓法蘭接頭的泄漏監(jiān)測裝置，所述螺栓法蘭接頭包括通過多個螺栓、墊圈、螺母結(jié)合在一起而構(gòu)成密閉空間的上法蘭和下法蘭，所述上法蘭和下法蘭之間設(shè)置有壓緊墊片；所述泄漏監(jiān)測裝置包括：溫度計、壓力表、光纖光柵傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、計算單元；

溫度計用于測量所述密閉空間內(nèi)的溫度t；

壓力表用于測量所述密閉空間內(nèi)的壓力p；

光纖光柵傳感器設(shè)置在所述多個螺栓的至少一個上，且在所述至少一個螺栓上設(shè)置至少一個所述光纖光柵傳感器，以感應(yīng)所述螺栓受到拉力時的長度變化；

光纖光柵解調(diào)儀用于接收光纖光柵傳感器的采集信號，并將所述采集信號解析后送至計算單元；計算單元根據(jù)所接收的解析信號計算得到總螺栓力wp；

計算單元根據(jù)計算泄漏率lm；

其中，do為壓緊墊片的外徑；di為壓緊墊片的內(nèi)徑；al、nl、ml為回歸系數(shù)，為與密閉空間中所容納的介質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。

優(yōu)選地，所述多個螺栓為四個，且在每個所述螺栓上設(shè)置有所述所述光纖光柵傳感器。

優(yōu)選地，在所述至少一個螺栓的相反的側(cè)面上分別一個所述光纖光柵傳感器。

優(yōu)選地，所述光纖光柵傳感器為金屬涂覆光纖光柵傳感器。

優(yōu)選地，對于寬溫區(qū)，所述光纖光柵傳感器固定在所述螺栓的外側(cè)面上。

優(yōu)選地，所述光纖光柵傳感器通過點焊方式固定在所述螺栓的外側(cè)面上，所述光纖光柵傳感器的縱軸與所述螺栓縱軸平行。

優(yōu)選地，對于窄溫區(qū)，所述光纖光柵傳感器設(shè)置在所述螺栓的內(nèi)。

優(yōu)選地，在所述螺栓內(nèi)開設(shè)有縱向的孔，所述光纖光柵傳感器封裝在所述孔內(nèi)。

優(yōu)選地，所述孔分別開設(shè)在所述螺栓的頂部和底部；所述光纖光柵傳感器通過環(huán)氧樹脂封裝在所述孔內(nèi)。

本發(fā)明還提出一種用于螺栓法蘭接頭的泄漏監(jiān)測方法，所述螺栓法蘭接頭通過多個螺栓、墊圈、螺母將上法蘭和下法蘭結(jié)合在一起而構(gòu)成密閉空間，所述上法蘭和下法蘭之間設(shè)置有壓緊墊片；所述泄漏監(jiān)測方法包括：

通過溫度計測量所述密閉空間內(nèi)的溫度t；

通過壓力表測量所述密閉空間內(nèi)的壓力p；

通過安裝到所述多個螺栓的至少一個上的光纖光柵傳感器測量該螺栓受到拉力時的長度變化；

通過光纖光柵解調(diào)儀接收光纖光柵傳感器的采集信號，并將所述采集信號解析后送至計算單元，由計算單元根據(jù)所接收的解析信號計算得到總螺栓力wp；

計算單元根據(jù)計算泄漏率lm；

其中，do為壓緊墊片的外徑；di為壓緊墊片的內(nèi)徑；al、nl、ml為回歸系數(shù)，為與密閉空間中所容納的介質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。

優(yōu)選地，所述螺栓成對設(shè)置；每個螺栓上均設(shè)置有所述光纖光柵傳感器；所述總螺栓力wp為設(shè)置所述光纖光柵傳感器的每個所述螺栓上的螺栓力的平均值。

優(yōu)選地，對于寬溫區(qū)，所述光纖光柵傳感器是通過點焊方式固定在所述螺栓的側(cè)面的。

優(yōu)選地，對于每個所述螺栓，其包括兩個所述光纖光柵傳感器，分別設(shè)置在所述螺栓的相反側(cè)面。

優(yōu)選地，對于窄溫區(qū)，所述光纖光柵傳感器是通過環(huán)氧樹脂封裝在所述螺栓的。

優(yōu)選地，對于每個所述螺栓，其包括兩個所述光纖光柵傳感器，分別設(shè)置在所述螺栓的頂部和底部。

優(yōu)選地，根據(jù)所述泄露率，進(jìn)一步確定泄漏等級。

通過本發(fā)明的螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測技術(shù)，解決了現(xiàn)有的微泄漏檢測技術(shù)無法實現(xiàn)螺栓法蘭接頭螺栓力監(jiān)測、泄漏率定量預(yù)測及等級判定的問題，提供了一種適用溫度范圍寬、分辨率高的泄漏監(jiān)測方法，可為螺栓法蘭接頭運行過程中的泄漏監(jiān)測和預(yù)測提供一種有效的手段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為寬溫區(qū)光纖光柵傳感器安裝局部剖面示意圖；

圖3為4個螺栓時的寬溫區(qū)光纖光柵傳感器安裝截面示意圖；

圖4為窄溫區(qū)光纖光柵傳感器安裝局部剖面示意圖；

圖5為本發(fā)明的螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測裝置的監(jiān)測原理圖；

圖6為螺栓法蘭接頭泄漏模型示意圖；

圖7為螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測方法流程圖；

圖8為光纖光柵傳感器測量螺栓力重復(fù)性示意圖；

圖9為光纖光柵傳感器測量螺栓力有效性示意圖；

圖10為質(zhì)量泄漏率與總螺栓力對照圖；

圖11為螺栓法蘭接頭受力示意圖；

圖12為現(xiàn)有技術(shù)的螺栓法蘭接頭泄漏監(jiān)測示意圖。

具體實施方式

下面，結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的用于螺栓法蘭接頭的泄漏監(jiān)測裝置及其方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

螺栓法蘭接頭

如圖1所示，螺栓法蘭接頭由上法蘭9、下法蘭7、壓緊墊片13、螺栓6、墊圈10和螺母11組成，上述元件完成裝配后構(gòu)成一個密閉空間，通過擰緊螺母11使上法蘭9和下法蘭7壓緊墊片13，堵塞密封面處的空隙，從而起到密封法蘭內(nèi)部介質(zhì)的作用。扭緊螺母11過程中，螺栓6中的螺栓力增大，在后期使用過程中，若螺栓6中螺栓力下降，則表明上法蘭9和下法蘭7在逐漸分離，密封面處空隙增大，內(nèi)部介質(zhì)沿空隙漏出，并且隨著螺栓力下降幅度的增大，泄漏率越來越大。因此，本發(fā)明是針對螺栓法蘭接頭的泄漏問題，通過監(jiān)測法蘭接頭中的螺栓力變化，計算接頭的泄漏率，從而保障螺栓法蘭接頭的運行安全。

泄漏監(jiān)測裝置

監(jiān)測裝置包括壓力表4、溫度計5、金屬涂覆光纖光柵傳感器8、信號導(dǎo)線12、光纖光柵解調(diào)儀14和計算單元15(這里是用計算機實現(xiàn))。其中，壓力表4測量法蘭接頭內(nèi)部介質(zhì)的壓力情況，并將測量數(shù)據(jù)傳送到計算機15中進(jìn)行儲存、顯示；溫度計5為測量法蘭接頭內(nèi)部介質(zhì)的溫度情況，并將測量數(shù)據(jù)傳送到計算機15中進(jìn)行儲存、顯示；金屬涂覆光纖光柵傳感器8安裝在螺栓6上，螺栓6發(fā)生變形后，光纖光柵傳感器將信號變化傳送到解調(diào)儀14中，解調(diào)儀14對信號進(jìn)行解析并儲存到計算機15中。

加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)為輔助設(shè)施，為螺栓法蘭接頭提供外部壓力源。主要由氮氣源1、截止閥2和壓力調(diào)節(jié)器3構(gòu)成，主要用于在裝置或方法研發(fā)的過程中驗證裝置和方法有效性與準(zhǔn)確性。裝置和方法方案確定和形成后，再對裝置和方法進(jìn)行實施時，不需要用到該加載系統(tǒng)。

光纖光柵傳感器的安裝

本發(fā)明中金屬涂覆光纖光柵傳感器8的安裝方式有兩種：

(1)寬溫區(qū)(室溫～+540℃)光纖光柵安裝。如圖2所示，采用點焊方式連接，將光纖光柵傳感器8垂直安裝在螺柱6上，信號導(dǎo)線12從螺母11中的小孔引出，光纖光柵傳感器8在每個螺栓上安裝2個、呈180°對稱布置，如圖3所示，安裝完畢的2個光纖光柵傳感器8的連線穿過下法蘭7中心。

(2)窄溫區(qū)(-50℃～+160℃)光纖光柵安裝。如圖5所示，在螺柱6的頂部和底部中心位置開小孔，將光纖光柵傳感器8垂直放置于螺柱6的小孔中，然后用環(huán)氧樹脂16進(jìn)行封裝。

螺栓力的測量

光纖光柵傳感器8安裝完畢后，參照asmepcc-1規(guī)范，擰緊螺栓法蘭接頭的螺母6。擰緊過程中，查看光纖光柵解調(diào)儀14中有無信號顯示，若有信號，則表明連接正常。

待所有螺母安裝完畢后，給接頭升壓，校準(zhǔn)、測量螺栓力。開通加載系統(tǒng)的截止閥2，氮氣通過截止閥2和壓力調(diào)節(jié)器3進(jìn)入螺栓法蘭接頭。隨著接頭內(nèi)部氮氣介質(zhì)的壓力升高，螺柱6中螺栓力發(fā)生變化，光纖光柵傳感器8將采集到的信號傳輸?shù)焦饫w解調(diào)儀14，信號經(jīng)解析后傳送到計算機15內(nèi)進(jìn)行儲存、分析、顯示，取螺栓上兩個光纖光柵傳感器采集到的力值平均值作為最終的螺栓力值。

光纖光柵傳感器測量螺栓力重復(fù)性和有效性驗證

如圖8所示為光纖光柵傳感器測量螺栓法蘭接頭螺栓力的重復(fù)性試驗結(jié)果。對法蘭接頭進(jìn)行兩次加載，記錄螺栓力值。由圖8可見，光纖光柵傳感器測量得到的螺栓力值重復(fù)性較好。

如圖9所示為驗證光纖光柵傳感器測量所得螺栓力值的有效性的試驗結(jié)果。通過位移傳感器測量螺栓的伸長量來獲得螺栓力值，將該值與光纖光柵傳感器測量值進(jìn)行比較，如圖9，光纖光柵測量所得數(shù)據(jù)線性度好，尤其是在低壓情況下的分辨率優(yōu)于位移傳感器。

螺栓法蘭接頭泄漏率模型

螺栓法蘭接頭受力情況如圖11所示，采用纏繞式墊片(gb/t4622)作為密封墊片13，基于多孔介質(zhì)模型，以氮氣為介質(zhì)，推導(dǎo)建立了螺栓法蘭接頭質(zhì)量泄漏率模型為：

式中：質(zhì)量泄漏率lm，單位為(mg/s·mm)；wp為總螺栓力，單位為n；do為墊片外徑，mm；di為墊片內(nèi)徑，mm；al、nl、ml為回歸系數(shù)，為與密閉空間中所容納的介質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。

參照gb/t12385開展墊片密封性能試驗，擬合泄漏模型參數(shù)，最終建立了以氮氣為介質(zhì)的柔性石墨纏繞墊片(di56mm×do66mm×t4.9mm)法蘭接頭泄漏率模型：

螺栓法蘭接頭泄漏率的計算及泄漏監(jiān)測

(1)螺栓法蘭接頭泄漏率計算。

如圖7所示，通過光纖光柵傳感器8測量獲得螺栓法蘭接頭的螺栓力值，將螺栓力值進(jìn)行加和獲得總螺栓力wp，將總螺栓力值、溫度和壓力數(shù)據(jù)帶入法蘭接頭的泄漏模型進(jìn)行計算，得到法蘭接頭的質(zhì)量泄漏率，如圖10所示。這里，需要指出，光纖光柵傳感器8可以是僅僅安裝在一個螺栓6上，也可以是安裝在多個螺栓6上。

(2)基于泄漏率指標(biāo)進(jìn)行泄漏監(jiān)測。

以asmepvrc提出的緊密度等級劃分依據(jù)為基準(zhǔn)，制定螺栓法蘭接頭的泄漏判斷依據(jù)，見表1，從而基于泄漏率指標(biāo)對螺栓法蘭接頭的泄漏狀況實施監(jiān)測。如圖7所示，將計算獲得的法蘭接頭質(zhì)量泄漏率值同表中泄漏率數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判斷法蘭接頭當(dāng)前的泄漏狀況，實現(xiàn)法蘭接頭的泄漏監(jiān)測。

表1螺栓法蘭接頭泄漏等級判別

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明可以得到螺栓法蘭接頭中螺栓力的變化情況，以及法蘭接頭泄漏率定量數(shù)據(jù)，可以為泄漏監(jiān)測及改造設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2、本發(fā)明基于螺栓力進(jìn)行泄漏監(jiān)測的方法，測量精度受內(nèi)部氣體類型的影響較小，可有效地減小測量誤差。

3、本發(fā)明基于光纖光柵傳感技術(shù)實施螺栓法蘭接頭的泄漏監(jiān)測，可長時間不間斷進(jìn)行，避免了周期性的測量帶來的數(shù)據(jù)不連續(xù)問題。

4、本發(fā)明所用光纖光柵傳感技術(shù)測量法蘭接頭螺栓力，具有測量溫度范圍廣、靈敏度高等突出優(yōu)點，避免了低壓或高溫等情況下泄漏率監(jiān)測精度差的問題。