CN116204994A - 一种垫片蠕变松弛性能预测方法、设备及存储介质 - Google Patents

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CN116204994A CN202211536436.3A CN202211536436A CN116204994A CN 116204994 A CN116204994 A CN 116204994A CN 202211536436 A CN202211536436 A CN 202211536436A CN 116204994 A CN116204994 A CN 116204994A
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章兰珠
沈伟明
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Abstract

本发明涉及一种垫片蠕变松弛性能预测方法、设备及存储介质，该方法包括：S1、获取螺栓法兰接头中垫片内径和外径；S2、根据垫片尺寸以及垫片初始密封比压，计算待试验垫片的法向压力；S3、不同温度T和不同初始密封比压下，对待试验垫片进行蠕变松弛实验，并获取试验数据并进行预处理；S4、建立高温下垫片蠕变量Δ(t)与高温下垫片的初始密封比压、温度、时间之间的关系；S5、对相同密封比压不同温度以及相同温度不同密封比压的试验数据进行拟合，得到垫片蠕变松弛性能表征式；S6、基于S5中获取到的垫片蠕变松弛性能表征式，对设定温度和设定初始密封比压下的垫片蠕变松弛性能进行预测。与现有技术相比，本发明具有垫片蠕变松弛性能预测准确性高的优点。

Description

一种垫片蠕变松弛性能预测方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及螺栓法兰接头垫片技术领域，尤其是涉及一种垫片蠕变松弛性能预测方法、设备及存储介质。
背景技术
因螺栓法兰接头具有安全、经济、易于拆装、密封性能优良等特点，使得其在今时今日广泛应用于化工、石油、航空航天等各个领域之中，而大众对容器和管道密封的要求也越来越严格。在螺栓法兰接头的工作过程中，很少会有因为强度不足而导致的失效，更多的失效是由于法兰接头的泄漏引起的。特别是当接头工作在高温高压工况下时，高温不仅会加速垫片的蠕变松弛和老化，降低其弹性，还会加剧螺栓和法兰的变形。在这个过程中，由于密封垫片是法兰连接***中最关键的密封元件，其蠕变松弛失效通常是法兰连接失效的主要原因，其力学性能和密封性能直接影响整个法兰接头，因此其蠕变松弛性能对于法兰接头来说显得尤为重要。
虽然垫片的蠕变松弛对法兰接头载荷及泄漏的影响已得到公认，但在目前很多对法兰接头的研究中都没有考虑垫片的蠕变松弛，而且国内外在研究法兰接头方面大多还是采用数值模拟方法，且目前相关的研究常常将中心放在非金属垫片及橡胶垫片等的蠕变松弛及泄漏率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种预测准确性高的垫片蠕变松弛性能预测方法、设备及存储介质，能够预测处于高温工况，且长时间服役的螺栓法兰接头中的垫片在服役时的蠕变量变化，为工程技术人员对法兰接头进行二次拧紧进而控制泄漏率提供依据。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的第一方面，提供了一种垫片蠕变松弛性能预测方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、获取螺栓法兰接头中的垫片内径Di和外径Do；
步骤S2、根据垫片尺寸以及垫片初始密封比压P，计算待试验垫片的法向压力F；
步骤S3、在不同温度T和不同初始密封比压P下，对待试验垫片进行蠕变松弛实验，并获取试验数据并进行预处理；
步骤S4、建立高温下垫片蠕变量Δ(t)与高温下垫片的初始密封比压P、温度T、时间t之间的关系；
步骤S5、对相同密封比压不同温度、以及相同温度不同密封比压的试验数据进行拟合，得到垫片蠕变松弛性能表征式；
步骤S6、基于步骤S5中获取到的垫片蠕变松弛性能表征式，对设定温度和设定初始密封比压下的垫片蠕变松弛性能进行预测。
优选地，所述步骤S2中试验的垫片法向压力F的表达式为：
Figure BDA0003975749360000021
式中，Di、Do分别为垫片的内径和外径，P为垫片初始密封比压。
优选地，所述步骤S3具体为：在不同的温度T和不同的初始密封比压下，根据EN13555标准对垫片进行蠕变松弛实验。
优选地，所述蠕变松弛实验的实验时间为16小时。
优选地，所述步骤S3中的预处理具体为：舍弃加载到指定密封比压之前，以及试验完成之后开始卸载的试验数据。
优选地，所述步骤S4中建立高温下垫片蠕变量Δ(t)与高温下垫片的初始密封比压P、温度T、时间t之间的关系，具体为：
Δ(t)＝f(T,P,t)
式中，Δ(t)为高温下垫片蠕变量，f表示函数关系，T、P、t分别为温度、初始密封比压和时间。
优选地，所述步骤S5中的垫片蠕变松弛性能表征式，具体为：
Figure BDA0003975749360000022
式中，C1＝a1lnT-b1，C2＝a2lnT-b2，C3＝a3-b3lnT，C4＝a4+b4T，
Figure BDA0003975749360000023
其中，a1～a5、b1～b5、n为待定参数。
根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明提供了一种垫片蠕变松弛性能预测方法，能够预测处于高温工况，且长时间服役的螺栓法兰接头中的垫片在服役时的蠕变量变化，不仅可以使得工程技术人员了解垫片在服役过程中的实时垫片蠕变量，而且还可以结合垫片蠕变量与法兰接头变形协调方程得到螺栓力的实时大小，为工程技术人员对法兰接头进行二次拧紧进而控制泄漏率提供依据；
2)本发明计算方法较为简便，对于某一类的垫片，只需要进行一些蠕变松弛试验，得到待定参数，就可以根据垫片蠕变松弛性能表征式得到一定温度和一定初始密封比压下的垫片蠕变量变化规律；
3)本发明采用舍弃加载到指定密封比压之前，以及试验完成之后开始卸载的试验数据的预处理方法，提高了试验数据的有效性，也提高了后续拟合的准确性；
4)本发明依据实际试验数据进行拟合，得到的垫片蠕变松弛性能表征式，预测到的结果更加准确。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为金属石墨缠绕垫片的结构示意图；
图3是金属石墨缠绕垫片在相同密封比压，不同温度下进行的试验所得到的试验数据以及拟合曲线；
图4是金属石墨缠绕垫片在相同温度，不同密封比压下进行的试验所得到的试验数据以及拟合曲线；
图5为垫片蠕变松弛性能预测曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例给出了一种垫片蠕变松弛性能预测方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、获取螺栓法兰接头中的垫片内径Di和外径Do；
步骤S2、根据垫片尺寸以及垫片初始密封比压P，计算待试验垫片的法向压力F，表达式为：
试验的垫片法向压力F的表达式为：
Figure BDA0003975749360000041
式中，Di、Do分别为垫片的内径和外径，P为垫片初始密封比压。
步骤S3、在不同温度T和不同初始密封比压P下，对待试验垫片进行蠕变松弛实验，并获取试验数据并进行预处理；
步骤S4、建立高温下垫片蠕变量Δ(t)与高温下垫片的初始密封比压P、温度T、时间t之间的关系；
步骤S5、对相同密封比压不同温度、以及相同温度不同密封比压的试验数据进行拟合，得到垫片蠕变松弛性能表征式；
步骤S6、基于步骤S5中获取到的垫片蠕变松弛性能表征式，对设定温度和设定初始密封比压下的垫片蠕变松弛性能进行预测。
接下来，对金属石墨缠绕垫片在高温工况下垫片蠕变松弛性能预测进行详细介绍，金属石墨缠绕垫片的规格为DN80。具体实施方式如下：
获知金属石墨缠绕垫片缠绕部分的具体内外径Di、Do，如图2所示；
根据垫片的尺寸以及所需要的垫片初始密封比压P，决定试验所需的垫片法向压力F；
在不同的温度T和不同的初始密封比压下，根据EN13555标准对垫片进行蠕变松弛试验，试验时间为16小时。本实施例做两组试验，第一组的试验条件是：初始密封比压为110MPa，温度分别为室温、100℃、200℃、300℃、400℃，第二组的试验条件是：试验温度为400℃，初始密封比压分别为70MPa、110MPa、120MPa；
对试验所得到的数据进行处理，舍弃加载到所需要密封比压之前，以及试验完成之后开始卸载的数据；
将相同密封比压、不同温度以及相同温度不同密封比压的试验数据绘制成曲线图，即：将初始密封比压为110MPa，温度分别为室温、100℃、200℃、300℃、400℃和试验温度为400℃，初始密封比压分别为70MPa、110MPa、120MPa的实验数据绘制成图，如图3与图4中散点图部分；
建立高温下垫片蠕变量Δ(t)与高温下垫片的初始密封比压P、温度T、时间t之间的关系，具体如下：
Figure BDA0003975749360000051
式中，C1＝a1lnT-b1，C2＝a2lnT-b2，C3＝a3-b3lnT，C4＝a4+b4T，
Figure BDA0003975749360000052
其中，a1～a5、b1～b5、n为待定参数。
对曲线图进行拟合，如图3与图4曲线图部分，得到待定系数，进而得到具体的垫片蠕变量表征式；
经过上一步骤，已经获得了垫片蠕变松弛性能表征式，即可对一定温度和一定初始密封比压下的垫片蠕变松弛性能做出预测。如图5所示，图中最上面两条曲线即是金属石墨缠绕垫片在初始比压为110MPa，工作温度为500℃以及600℃的蠕变松弛性能预测曲线。
本发明电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。
设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法S1～S6。例如，在一些实施例中，方法S1～S6可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法S1～S6的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S1～S6。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上***的***(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行***、装置或设备使用或与指令执行***、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体***、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种垫片蠕变松弛性能预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1、获取螺栓法兰接头中的垫片内径Di和外径Do；
步骤S2、根据垫片尺寸以及垫片初始密封比压P，计算待试验垫片的法向压力F；
步骤S3、在不同温度T和不同初始密封比压P下，对待试验垫片进行蠕变松弛实验，并获取试验数据并进行预处理；
步骤S4、建立高温下垫片蠕变量Δ(t)与高温下垫片的初始密封比压P、温度T、时间t之间的关系；
步骤S5、对相同密封比压不同温度、以及相同温度不同密封比压的试验数据进行拟合，得到垫片蠕变松弛性能表征式；
步骤S6、基于步骤S5中获取到的垫片蠕变松弛性能表征式，对设定温度和设定初始密封比压下的垫片蠕变松弛性能进行预测。
2.根据权利要求1所述的一种垫片蠕变松弛性能预测方法，其特征在于，所述步骤S2中试验的垫片法向压力F的表达式为：
Figure FDA0003975749350000011
式中，Di、Do分别为垫片的内径和外径，P为垫片初始密封比压。
3.根据权利要求1所述的一种垫片蠕变松弛性能预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：在不同的温度T和不同的初始密封比压下，根据EN13555标准对垫片进行蠕变松弛实验。
4.根据权利要求3所述的一种垫片蠕变松弛性能预测方法，其特征在于，所述蠕变松弛实验的实验时间为16小时。
5.根据权利要求1所述的一种垫片蠕变松弛性能预测方法，其特征在于，所述步骤S3中的预处理具体为：舍弃加载到指定密封比压之前，以及试验完成之后开始卸载的试验数据。
6.根据权利要求1所述的一种垫片蠕变松弛性能预测方法，其特征在于，所述步骤S4中建立高温下垫片蠕变量Δ(t)与高温下垫片的初始密封比压P、温度T、时间t之间的关系，具体为：
Δ(t)＝f(T,P,t)
式中，Δ(t)为高温下垫片蠕变量，f表示函数关系，T、P、t分别为温度、初始密封比压和时间。
7.根据权利要求6所述的一种垫片蠕变松弛性能预测方法，其特征在于，所述步骤S5中的垫片蠕变松弛性能表征式，具体为：
Δ(t)＝Δ(0)(C1-C2e-C3t+C4 lgt)
式中，C1＝a1lnT-b1，C2＝a2lnT-b2，C3＝a3-b3lnT，C4＝a4+b4T，
Figure FDA0003975749350000021
其中，a1～a5、b1～b5、n为待定参数。
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～7任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
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