一种氢管道法兰密封在线诊断及维修决策方法与流程

本发明涉及氢能安全与管道静密封智能监测，具体为一种氢管道法兰密封在线诊断及维修决策方法。

背景技术：

1、氢能产业中高压氢气管道、加氢站工艺管路、储氢设备普遍采用法兰、螺栓、垫片组合密封结构，长期服役过程中受温度循环、压力波动、振动外载、螺栓预紧力松弛、氢气渗透侵蚀垫片等多重因素影响，极易发生界面泄漏，氢气易燃易爆，泄漏会引发重大安全隐患。

2、在氢环境下，管道法兰连接的泄漏风险不仅取决于某一时刻是否检测到氢气浓度异常，也不仅取决于单个螺栓是否存在预紧力下降，法兰、螺栓和垫片组件的实际密封状态受到初始预紧力、残余预紧力演化、周向载荷离散性、温度、压力循环、振动或外载扰动、垫片压缩—回弹能力、氢暴露历史以及复紧后的恢复效果共同影响。

3、现有技术中，部分方案已经能够采集螺栓应变、轴向拉力、泄漏气体浓度、温度、压力或振动数据，并通过多源融合得到密封状态评分或预警等级。还有部分方案能够根据螺栓预紧力或应变阈值触发复紧、补力或报警，上述方案虽然能够实现泄漏或松动风险提示，但其核心逻辑多停留在数据采集、综合评分再预警的方式或者低于阈值随后复紧的层面。

4、上述方案在使用的时候主要不足在于：

5、首先，缺少将多个螺栓残余预紧力演化向量与法兰周向氢泄漏浓度时序、增长率、空间梯度和持续时间进行耦合的密封状态识别方法，缺少反映法兰周向低预紧区域连通性和局部弱密封区形成风险的状态特征；

6、其次，缺少面向氢环境垫片不可恢复密封能力下降的垫片氢致损伤指数，缺少用于区分可通过再紧固恢复与垫片已不宜继续复紧、应更换或停运的残余密封窗口；

7、最后，缺少在再紧固后重新采集数据、重新计算窗口并判断复紧是否有效的闭环验证流程。

8、因此，现有技术的核心缺陷不是测不到数据情况，而是没有把螺栓结构状态、氢泄漏时序、载荷扰动和垫片氢致损伤特征转化为可执行的维修决策逻辑，尤其难以避免复紧状态以及垫片已损伤仍反复复紧的运维失配，为此，我们提出一种氢管道法兰密封在线诊断及维修决策方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氢管道法兰密封在线诊断及维修决策方法，以解决背景技术中需要解决的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氢管道法兰密封在线诊断及维修决策方法，氢管道法兰密封在线诊断及维修决策方法包括以下步骤：

3、步骤s1：多源监测数据采集，采集法兰各螺栓残余预紧力相关测量数据以及法兰周向多点氢气浓度状态代理数据与历史运维记录；

4、步骤s2：信号预处理与标定，对采集数据完成数据处理，建立测量信号与螺栓残余预紧力换算模型，得到全部螺栓实时残余预紧力演化向量；

5、步骤s3：多维度密封特征计算，基于残余预紧力演化向量计算结构侧密封特征，并基于周向氢气浓度时序计算氢泄漏强度指数，基于工况数据计算载荷扰动指数，基于垫片服役历史数据计算垫片氢致损伤指数；

6、步骤s4：残余密封窗口构建，整合结构侧特征、氢泄漏强度指数、载荷扰动指数、垫片氢致损伤指数计算残余密封裕度，设置多级裕度阈值、多级氢泄漏强度阈值，构建用于判定密封可恢复性的残余密封窗口；

7、步骤s5：泄漏机制识别，基于四类量化特征的时序、空间耦合关系，识别当前氢异常对应的主导泄漏机制；

8、步骤s6：残余密封窗口分区，结合残余密封裕度区间、氢泄漏强度、垫片氢致损伤指数、泄漏机制，将法兰密封状态划分为正常密封区、预警区、可再紧固恢复区、垫片维修更换区、停运检修区；

9、步骤s7：维修决策输出，根据窗口分区结果与泄漏机制输出差异化运维指令；当状态处于可再紧固恢复区且泄漏机制为预紧力衰减型、螺栓载荷离散型、温压、载荷扰动型时，输出定向再紧固量与对称交叉复紧顺序；当垫片氢致损伤指数超过损伤阈值或泄漏机制为垫片氢致不可恢复损伤型时，输出垫片更换或停运检修指令；

10、步骤s8：复紧后闭环验证与反馈，执行再紧固操作后重新采集监测数据，迭代计算全部特征、残余密封裕度与垫片氢致损伤指数；若残余密封窗口未恢复至安全区间、氢泄漏强度未下降，则自动转入垫片检修流程。

11、作为上述技术方案的进一步描述：

12、步骤s3中结构侧密封特征包括单螺栓预紧力衰减率、平均预紧力衰减率、最小残余预紧比、周向预紧力离散度和低预紧区连续性指标；低预紧区连续性指标表征法兰周向连续低预紧螺栓簇占比，占比数值越高，局部密封泄漏通道生成风险越高。

13、作为上述技术方案的进一步描述：

14、氢泄漏强度指数由周向平均氢浓度、浓度变化增长率、周向氢浓度梯度、泄漏持续时长加权归一化计算得到，权重系数通过氢泄漏标定试验和设备历史运行数据学习确定。

15、作为上述技术方案的进一步描述：

16、垫片氢致损伤指数由垫片不可恢复松弛代理量、压缩回弹迟滞代理量、温压循环累积劣化代理量、氢暴露代理量、再紧固响应退化量和复紧后泄漏复升代理量加权计算得到，设置损伤阈值，指数超过阈值判定垫片产生不可逆密封损伤，在无垫片直接测量数据时，通过预紧力稳定但泄漏持续升高、复紧后泄漏复发和长期氢暴露循环累积条件反演得到垫片氢致损伤指数。

17、作为上述技术方案的进一步描述：

18、步骤s4中残余密封裕度计算公式为：；

19、其中，β1、β2、β3、β4、β5和β6为权重系数，不同工件和工况通过标定试验、仿真分析、历史运行数据学习或安全裕度要求确定；为最小残余预紧比，为归一化周向预紧力离散度，为低预紧区连续性指标，为归一化氢泄漏强度指数，为归一化载荷扰动指数，为归一化垫片氢致损伤指数。

20、作为上述技术方案的进一步描述：

21、步骤s5识别的泄漏主导机制包括预紧力衰减型、螺栓载荷离散型、温压、载荷扰动型、垫片氢致不可恢复损伤型和非结构匹配型氢异常；非结构匹配型氢异常对应传感器漂移、外部氢气干扰、通风环境扰动、输出传感器校准与外部氢源排查指令。

22、作为上述技术方案的进一步描述：

23、步骤s7中定向再紧固量计算公式为：；

24、其中，为螺栓目标预紧力，为当前残余预紧力，为单次最大允许补充预紧力；

25、根据螺栓公称直径、扭矩系数将补充预紧力换算为现场执行补充扭矩；复紧顺序采用连续低预紧簇起始、对径对称交叉分轮紧固，每轮紧固后实时更新密封特征，达标后终止复紧。

26、作为上述技术方案的进一步描述：

27、螺栓残余预紧力通过应变片、光纤光栅、超声测力、力传感垫片、智能螺栓中的任意一种或多种组合采集；氢气浓度数据通过周向点式传感器阵列、分布式光纤气体传感器、移动巡检检测装置获取。

28、作为上述技术方案的进一步描述：

29、载荷扰动指数基于温度变化率、压力变化率、振动强度和外部载荷变化量归一化加权构建，当未布置振动、外部载荷传感器时，载荷扰动指数由温度变化率、压力变化率加权计算，并对剩余权重归一化修正。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

31、首先，本发明设置垫片氢致损伤指数与残余密封窗口，量化区分螺栓松动泄漏与垫片氢气永久损伤泄漏，避免垫片失效后反复复紧损坏法兰和垫片，大幅降低运维成本；并且将周向氢气浓度、增长率、空间梯度、泄漏时长与多螺栓预紧力演化向量耦合建模，过滤外部氢气、传感器漂移、通风扰动带来的虚假报警，提升监测可靠性；

32、其次，本发明可以精准定向紧固，延长设备使用寿命，仅针对连续低预紧螺栓簇对称交叉复紧，无需全法兰均匀加力，一定程度上避免过度紧固损伤密封结构，而且输出定量紧固力、扭矩、标准化操作顺序，统一现场维修作业规范；

33、再次，本发明通过维修闭环校验，实现全生命周期智能管控，复紧后自动校验修复效果，泄漏复发自动升级处置策略，形成完整运维闭环，适配高压氢管道、加氢站长周期连续运行安全管控需求；

34、最后，本发明螺栓测力、氢气传感设备可灵活进行选配，在无振动、垫片专用传感器时可通过历史运行数据反演补齐指标，并且权重、阈值可以根据输氢管道、加氢站、储氢设备工况独立标定，适配全品类氢能装备。