中高压管道法兰带压密封夹具刚度设计研究

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中高压管道-般是指公称压力2.5(含)～10MPa之间的管道，是工业生产领域内重要的流体输送管道.中高压管道-旦发生泄漏，对生产领域的影响将是十分严重的，轻则造成能源及物料的流失，重则引发停产及燃爆、中毒和环境污染事故的发生.因此，中高压管道发生泄漏事故后，如何在不停产的条件下进行有效的带压密封是十分重要的.应当指出的是管道划分除了按压力分类外，还与管道的最高工作温度有关。

带压密封技术”上世纪六十年发展和完善于工业发达国家.其英文名称是：On line leaksealingl J，，最初直译为在线密封”.目前我国的技术法规、现行国家标准均采用带压密封”作为规范化文件的首选术语 。

1 带压密封技术原理简介带压密封技术是专门研究原密封结构失效后，怎样在流体介质外泄的情况下，迅速在泄漏缺陷部位重新建立密封体系的-门技术.该技术采用特制的夹具、专用密封注剂及液压注射工具，可在压力：真空 ～32 MPa；温度：-198 oC～800 oC范围内，消除中高压管道所发生的各类介质泄漏，具有无需停产、安全、可靠及使用寿命长的特点 ]如图 1所示。

1.泄漏介质 ；2.夹具 ；3.泄漏法兰 ；4.密封注剂 ；5.注剂阀；6.剂料腔；7.高压油管；8.油泵图 1 带压密封技术原理其基本原理是：向特定的封闭空腔注射专用密封注剂，达到止住泄漏所需的工作密封比压，实现再密封目的”.其中的密闭空腔”主要是由夹具”与泄漏部位外表面组成的，有严格的强度、刚度和密封间隙要求.是决定带压密封技术应用成败的关键环节。

2 具的作用夹具是安装在中高压管道泄漏缺陷部位外部收稿 日期：2013-03-16基金项 目：中海油能源发展股份有限公司科技攻关项 目(C/KJF HFYJ 002-2010)作者简介：杨 杰(1975-)，男 ，中海油能源发展股份有限公司工程师，主要从事化工机械方面的研究通信作者：胡忆沩，E-mail：huyiwei###sina.coin。

第 5期 杨 杰，等：中高压管道法兰带压密封夹具刚度设计研究 91构成新的封闭空腔，提供强度和刚度保证的金属构件 .如图2所示。

40 mm左右，密封空腔的高度，即形成新密封结构的密封注剂的厚度，-般应在 6-15 mm之间，特殊情况还可以加厚；夹具与泄漏部位外表面的接触部分的间隙应符合表 1的规定.如果在上述间隙内，仍然不能有效地阻止密封注N't-溢，则可以考虑在夹具与泄漏缺陷接触部位上设计制作环、槽形密封结构或其它形式的密封结构，增大密封注剂的外溢阻力。

表 1 夹具与泄漏部位接触间隙参考表图2法兰夹具结构 4 夹具刚度公式推导夹具的作用是：(1)密封保证.保证密封注剂的充填、维持注剂压力的递增、防止密封注剂外溢、使注射到夹具内的密封注剂产生足够的密封比压，止住泄漏。

(2)刚度保证.是承受注剂枪所产生的强大注射压力以及泄漏介质压力，不允许出现变形和位移，是新建立的密封结构的刚度保证体系.即刚度保证。

3 夹具的设计准则由于夹具在带压密封技术”中具有举足轻重的作用，它设计的优劣将直接关系到中高压管道带压密封作业的成败以及现场操作时间、密封注剂的消耗量等多项指标.因此，在对夹具的设计和制造过程中应遵循下列准则：设计制作的中高压管道法兰夹具形状必须能够与泄漏部位的外部形状完全吻合；夹具在承受注剂压力、泄漏介质压力及安装应力等叠加应力作用下，不允许有任何破坏现象发生，保证足够的强度及刚度；夹具与泄漏部位之间必须有-个封闭的密封空腔，以便于注射和包容密封注剂.密封空腔的宽度应当超过泄漏缺陷的实际尺寸 20-4.1 夹具的受力分析图3所示为中高压管道法兰泄漏专用夹具，- 般多设计成两等份，装在泄漏法兰上之后，再通过螺栓连接成-个整体.取法兰夹具的-半进行分析.未注入密封注剂之前，夹具主要受两个力的作用，-个是泄漏介质的压力 P；另-个是安装夹具过程中所产生的装配应力 P .前-个力由于夹具-般很难做到与泄漏部位外表面严丝合缝 ，且夹具上都设有注剂孔，它们能起到排放泄漏介质压力 P的作用.因此，P这个力对夹具的作用不是很大；后-个力 P 则与夹具的设计制造精度有关.当设计尺寸小于法兰的实际尺寸时，在安装过程中就会产生较大的装配应力.这里认为夹具的设计尺寸都是由实际测绘泄漏法兰的最大外圆周长换算而得出的，而且夹具的制造精度较高，安装时在夹具内形成的装配应力较小，因此装配应力尸 可忽略不计.随着注剂过程的不断进行，夹具与泄漏部位外表面所形成的密封空腔逐步被密封注剂所占据，最后整个密封空腔均被密封注剂充满，密封比压迅速增高，当这个值大于介质压力时，泄漏将会被止住.此时作用在夹具上的力主要是注剂压力，而且这-压力远远大于泄漏介质压力和装配应力.因此，注剂压力是设计夹具的主要依据 引。

从图3可以看出，夹具的外径与其厚度相比要大得多，而且夹具宽度的两个侧端面是自由的。

吉 林 化 工 学 院 学 报因此可认为夹具是处于平面应力状态，因而可视宽度 b方向的应力为零.经过处理，法兰夹具就被简化为只受内压作用的复合圆环，它由-宽-窄B和 b两个圆环构成。

密封注剂在夹具内的流动类型为非牛顿型粘弹体，故其流动和应力分布是非均匀的，且夹具的两个端面应力为零.因此应以有力矩理论进行受力分析和公式推导。

4.2 夹具刚度公式建立有力矩理论首先将中高压管道夹具力学模型看作是-组弯曲梁 .根据弯曲梁理论 ，现场带压密封操作时分别受到压力 P和弯矩 M 的作用，如图3所示.危险截面分别为 0点及 c点，其弯矩分别为：安全的。

(2)从公式 3可以得出，夹具的理论计算厚度 S与泄漏法兰外径 D、设计压力 P及泄漏法兰副连接间隙 b成正比；与夹具的宽度 及材料许用应力[ ] 成反比。

(3)实际应用时，公式 3中的 D应当通过现场测绘泄漏法兰外径确定 ，建议用钢卷尺先测绘出泄漏法兰的外周长，再通过计算得出准确的数值；式中PP 5MPa，P 为泄漏介质的最高工作压力；b为泄漏法兰副的连接间隙，通过现场实际测绘选取最小值 ；B为法兰夹具的宽度，-般取Bb(20～40 mm)；[or]t为泄漏介质温度下夹具材料的许用应力，MPa。

(4)中高压管道夹具的强度校核可按下式计Mo (1- .181PDRb. (1) 算。

： -FR- ： -PD-Rb： 0.318PDRb. (2)7r 仃最大弯矩出现在 c点.夹具 的抗芎截 面模 量为(此处已将夹具截面简化为-矩形，b的尺寸关系忽略，偏于安全)： 根据材料力学的弯曲梁理论 ，中高压管道夹具建立的刚度条件是：盯 Mc曼[ ] 解得 ：s-o. 。√ ， ㈩式中PP 5MPa(根据经验给出的推荐值)。

图3 夹具受力分析示意图5 讨 论(1)公式 3中引入了弯矩的概念，所建立的公式的理论基础是变形理论.因此公式 3是偏于[ ≥ (4)6 结 论夹具的设计准则是良好地吻合性、足够的强度、足够的刚度、合适的密封空腔、接触间隙严密、注剂孔开设和分块合理性原则。

以曲梁的理论建立了中高压管道法兰夹具的刚度计算公式.其规律是，夹具的理论计算厚度 s与泄漏法兰外径 D、设计压力 P及泄漏法兰副连接间隙b成正比；与夹具的宽度 B及材料许用应力[ ] 成反比。

实际应用中，对于法兰外径小于等于500 mm的法兰夹具，公式 3的计算结果，有较强的说服力，经实践验证是准确的.而对于大于500 mm的法兰夹具，计算结果过于保守，几何尺寸太厚，夹具重量增加，但偏于安全。