本发明属于密封，具体涉及一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法。
背景技术：
1、密封装置是否可靠直接关系到设备能否正常、安全地运行。垫片密封是以垫片为密封元件，通过螺栓法兰连接而成的密封系统，具有结构简单、易于实施的优点，在压力容器和管道密封连接中得到广泛使用。实时掌握垫片密封装置的密封性能，预测密封连接系统的泄漏率与失效情况，是工业界至今渴望解决而尚未克服的难题，对保证设备安全，避免环境污染，减少资源浪费和经济损失，有重大现实意义。
2、垫片密封装置的密封性能和垫片与法兰密封面间的接触压力、介质压力密切相关，国内外已有不少研究是通过垫片与法兰密封面的接触压力来预测泄漏率，由于这一接触压力难以测取，加之螺栓-法兰-垫片结构为复杂的受力与变形系统，目前通过螺栓力求垫片平均压力，或通过数值模拟等方法确定垫片压力的方法，难以确定垫片与法兰之间的实时密封状态，无法判断垫片何时发生泄漏或介质已浸润到垫片何位置。
3、专利cn110765692a和cn113295400a，基于阿伦尼乌斯(arrhenius)方程和老化动力学方程获取橡胶材料的老化规律，并提出了基于老化指标的寿命预测方法。专利cn117634254a公开了一种基于老化条件下核电闸门o型圈安全评估方法及系统，提出的公式可以计算最小垫片工作应力，以此计算所需最小的垫片预紧力。专利cn117470447a公开了基于泄漏率的垫片质量分级方法，但是在推导公式时认为内压作用于法兰的力不变。专利cn106959194a公开了一种用于螺栓法兰接头的泄漏监测方法，在线监测螺栓力后代入国标给出的公式计算垫片接触应力。但是国标所给公式认为内压作用面积是定值，没有考虑到内压较小时，垫片有效接触宽度更大，内压增大时，由于液体的渗透，垫片的有效接触宽度变小。
技术实现思路
1、本发明考虑到内压作用面积会随内压及螺栓初始预紧力的改变而改变，为得出垫片上的真实应力，通过巧妙解决垫片应变测试等问题，建立了螺栓载荷、内压与垫片应变的关系，形成基于垫片预紧力及内压来预测密封失效和泄漏率的方法。
2、试验中发现密封失效时存在垫片约束释放的接触压力-应变跃变现象，利用这一现象可预测泄漏的进程。
3、首先通过试验测得的垫片上的应力分布情况，建立螺栓预紧力与垫片应力的关系。根据此数据优化有限元模型，使模型分析数据与试验一致，然后根据有限元模型得出施加内压后垫片上应力的真实分布情况，回归出垫片真实应力分布与螺栓预紧力及内压的关系，以此得到的垫片应力相比国标gb/t 150-2011压力容器提出的公式计算值更加准确。
4、本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：
5、一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，考虑到内压作用面积随内压及螺栓初始预紧力的改变而改变，试验中发现密封失效时存在垫片约束释放的接触压力-应变跃变现象，利用这一现象可预测泄漏的进程。
6、建立了螺栓载荷、内压与垫片应变的关系，形成基于垫片预紧力及内压预测密封失效和泄漏率：
7、首先通过试验测得的垫片上的应力分布情况，建立螺栓预紧力与垫片应力的关系；根据此数据优化有限元模型，使模型分析数据与试验一致，然后根据有限元模型得出施加内压后垫片上应力的真实分布情况，回归获得垫片真实应力分布与螺栓预紧力及内压的关系，以此得到的垫片应力的计算公式计算值；通过在试验的过程中不断增加内压，随着内压的增大，垫片内径和外径处会出现应力阶跃性增大现象，利用垫片变形的泊松效应和面内约束减弱释放应变的机制，以通过垫片密封面应变的变化情况，来预测垫片的密封性能和密封失效情况。
8、进一步地，采用埋入式传感元件测量垫片应力；
9、试验装置具体为：液压机（1）出压口经过截止阀（2）与法兰连接，以脉冲疲劳机为试验提供工作液压；上法兰（6）上设置有泄压阀（4），垫片（3）位于法兰中间；法兰以螺栓连接，其中螺栓上安装有螺纹传感器（5），用以测量螺栓力的大小，螺纹传感器（5）外接显示器（7），以实时显示螺栓力；垫片（3）上设置有埋入式传感器元件（8），用以测量变形；连接埋入式传感器元件（8）的导线由密封堵头（9）引出接入显示仪表（10）。
10、进一步地，所述导线从法兰侧壁开孔处引出，并使用硅质密封堵头（9）塞入侧壁开孔，密封堵头的中部穿出导线再插入法兰侧孔后利用电子白胶密封。
11、进一步地，在试验的过程中不断增加内压，随着内压的增大，垫片内径和外径处会出现应力阶跃性增大现象，利用垫片变形的泊松效应和面内约束减弱释放应变的机制，以通过垫片密封面应变的变化情况，来预测垫片的密封性能和密封失效情况。
12、进一步地，通过测量垫片的压缩回弹曲线将垫片材料参数输入有限元模型，以模拟加压后垫片应力的变化情况；根据试验数据及数值分析考虑预紧力不同时，内压升高引起的垫片应力变化的不同，得出垫片上的真实应力情况，以此得到真实应力与垫片预紧力及工作内压的关系；进一步依此计算得到垫片平均应力，再推导得出泄漏率公式。
13、进一步地，对于搭建好的试验平台施加不同的初始螺栓预紧力，分别测量出垫片上的压力分布；取径向四个位置压紧力的平均值作为垫片的平均压紧应力，建立初始预紧力下垫片平均应力 s ga与初始螺栓预紧 力f a的关系如下：
14、
15、式中a1，b1由实验获得；
16、通过对试验法兰进行建模模拟，得出试验难以测得工况下的垫片压力分布；结合试验数据可以得到加压后的垫片应力分布，并取平均值作为垫片加压后的平均应力；取不同的初始螺栓预紧力然后加压，得到不同初始螺栓预紧力下，垫片平均应力随内压变化的关系，根据数据建立垫片平均应力 s g与初始螺栓预紧力 f a及内压 p的关系式：
17、
18、式中，a2，b2，c2由拟合得到；
19、通过试验监测加压时垫片的应力变化情况，内径处垫片应力在某一压力区间发生跃迁现象，表明了此时垫片已经不能完成密封，以此实时监测垫片是否泄漏。
20、进一步地，由pvrc的方法获得预紧工况下的紧密度参数tpa、工况下紧密度参数tp、工况下的泄漏率lrm；
21、将试验所得经验公式代入获得通过初始螺栓预紧力及内压计算泄漏率的公式：
22、
23、式中，gb为预紧工况垫片紧密度曲线在纵坐标的截距，a为垫片紧密度曲线的斜率，gs为操作工况垫片紧密度曲线在纵坐标下的截距，p*为参照压力，即大气压力(0.1013mpa)，η为连接效率，当采用扭矩扳手时取0.85；
24、根据所得的泄漏率公式对密封装置的密封性能进行预测，根据垫片参数，代入垫片初始预紧力及工作时的内压，计算得出泄漏率判断是否满足密封要求。
25、相比于现有技术，本发明及其优选方案搭建的试验平台可以测试法兰工作时垫片应力和螺栓力的变化情况，了解密封机理。通过测量垫片的压缩回弹曲线将垫片材料参数输入有限元模型，得到的模型计算出的预紧时的垫片应力与试验时一致，因此可以使用此模型模拟加压后垫片应力的变化情况。根据试验数据及数值分析考虑到了预紧力不同时，内压升高引起的垫片应力变化不同，得出了垫片上的真实应力情况。根据真实应力分布情况计算得到的垫片应力更加准确，以此得到真实应力与垫片预紧力及工作内压的关系。依此计算得到的垫片平均应力较国标gb/t 150-2011压力容器给出的公式计算结果更加准确且与实测值的误差在4%以内。因此推导出的泄漏率公式可以结合紧密度的概念更好的预测泄漏。同时，试验的过程中不断增加内压，随着内压的增大，垫片内径和外径处会出现应力阶跃性增大现象，究其原因，是当压力增大到一定值时，法兰密封面张开较大，流体介质达到垫片处，垫片径向约束变小，致使应变增大。显然，利用垫片变形的泊松效应和面内约束减弱释放应变的机制，可以通过垫片密封面应变的变化情况，来预测垫片的密封性能和密封失效情况。
26、该方案也可以对法兰垫片连接密封的泄漏预测提供一定的指导。
1.一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，其特征在于：所述导线从法兰侧壁开孔处引出，并使用硅质密封堵头（9）塞入侧壁开孔，密封堵头的中部穿出导线再插入法兰侧孔后利用电子白胶密封。
4.根据权利要求1所述的一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，其特征在于：在试验的过程中不断增加内压，随着内压的增大，垫片内径和外径处会出现应力阶跃性增大现象，利用垫片变形的泊松效应和面内约束减弱释放应变的机制，以通过垫片密封面应变的变化情况，来预测垫片的密封性能和密封失效情况。
5.根据权利要求4所述的一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，其特征在于：通过测量垫片的压缩回弹曲线将垫片材料参数输入有限元模型，以模拟加压后垫片应力的变化情况；根据试验数据及数值分析考虑预紧力不同时，内压升高引起的垫片应力变化的不同，得出垫片上的真实应力情况，以此得到真实应力与垫片预紧力及工作内压的关系；进一步依此计算得到垫片平均应力，再推导得出泄漏率公式。
6.根据权利要求1所述的一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，其特征在于：
7.根据权利要求7所述的一种基于垫片预紧力及内压作用的泄漏预测方法，其特征在于：
