高温管道螺栓松动分析

车文琦^1，2，丁克勤^1，2，王荣仁²，舒安庆¹

 （ 1. 武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205；2. 中国特种设备检测研究院，北京 100013）

摘   要：高温成套装置结构健康监测试验台是为模拟高温情况下流程工业设备结构健康状态的模拟试验装置。由于流程工业实际工况十分复杂，振动会引起设备管道固定螺栓松动，为及时监测这种危险螺栓失效，结合工厂实际，建立了测试管道法兰螺栓连接模型，提出一种基于法兰盘表面应力变化的有限元仿真分析方法。分析结果表明：当某一螺栓松动时，相应法兰盘表面的应力大小随对应松动螺栓的螺栓预紧力减小而减小，应力变化呈线性变化趋势以及应力的变化范围发生改变，为传感器实时监测法兰盘表面的应力状态变化判断螺栓松动问题提供依据。

关键词：高温管道；螺栓松动；有限元仿真分析

Simulation analysis and design of bolt loosening in insulation pipeline

Che Wenqi1, Shu Anqing2, WANG Rongren3, DING Keqin4

1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；

2. China Special Equipment Inspection & Research Institute，Beijing 100013，China

Abstract：The structure health monitoring test bench of high temperature complete equipment is a simulation test device for simulating the structure health state of process industrial equipment under high temperature conditions. In order to monitor the failure of these dangerous bolts in time, a test pipe flange bolt connection model was established, and a finite element simulation analysis method based on flange surface stress change was proposed. The analysis results show that when a bolt is loosened, the stress on the flange surface decreases with the decrease of bolt preload, the stress change shows a linear trend and the change range of stress changes, which provides a basis for the sensor to monitor the change of stress state on the flange surface in real time and judge the bolt loosening problem.

Key words: High temperature pipeline; The bolt is loose; Finite element simulation analysis

引言

在化工企业进行生产和经营时，化工设备是非常重要的工具，是完成生产任务的关键手段，同时也是保障生产和经营井然有序开展的关键^[1]。石油化工是典型的流程工业，其中高温承压设备以大型化、高参数、长周期和高风险的发展方向在石化行业过程工业上发挥着核心反应器的作用^[2]。但高温承压设备的材料损伤和老化是一个随时间变化的渐变过程，定期检验和年度检查只是采集设备的静态数据，无法汇集设备运行中的动态数据，更不能预测设备故障的趋势，难以确保设备安全运行^[3]。为了可靠、高效地运行设备应有的功能，减少经济损失，提高人身安全，保障化工企业进行安全运作，对核心化工设备开展健康监测^[4]，防止重大事故发生，实时掌握设备运行情况已成为国内外研究热点，为此建立完善的运行状态监控和结构健康监测技术体系，是保障石化高温设备运行安全的关键。

螺栓法兰是高温高压设备的重要密封构件，因其结构简单、易拆卸而遍及石油、化工等行业中^[5]。管道法兰作为连接管道密封的可拆密封结构，它的连接过程受螺栓预紧力、工作温度、工况条件下的介质压力和附加外载荷的影响。必须要有足够的强度和紧密性才能满足密封的要求^[6]。当法兰上某个螺栓松动时，其法兰盘表面原有的应力状态会发生变化。通过螺栓的预紧力，在垫片与法兰密封面之间产生足够的压力，垫片表面的变形足以填充法兰密封面的微观不均匀，从而达到密封的目的^[7]，作用在垫片上以达到上述目的的最小单位压力为比压。

利用有限元分析软件ANSYS对法兰盘表面在某个螺栓松动时法兰盘表面应力分布进行研究，从而对法兰的密封性能提供判断依据。通过solidworks软件建模及ansys workbench有限元分析，对高温成套装置结构健康监测试验台中的测试管道法兰系统进行螺栓松动仿真，以其中固定选择某一螺栓的螺栓预紧力的减小为螺栓松动条件，对法兰盘表明应力变化进行研究。仿真结果表明，当某一螺栓松动时，发现相应法兰盘表面的应力大小，随对应松动螺栓的螺栓预紧力减小而减小，施加预紧力大小的不同，法兰盘相应位置的应力变化范围也有所不同，为传感器实时测量法兰盘表面的应力状态来判断螺栓松动问题提供有限元仿真依据。且相对于传统的在螺栓头部安装应变片，在法兰盘表面安装应变片更为简单易行，对研究螺栓松动问题提出新的研究思路。

（车文琦）高温管道螺栓松动分析.pdf