螺栓法兰连接泄漏监测技术的系统综述：挑战与解决方案

《IEEE Sensors Reviews》：Bolted Flange Connection Leakage: A Systematic Review of Monitoring Challenges and Technologies

本文针对工业系统中螺栓法兰连接(BFC)的泄漏与排放控制难题，系统回顾了安装工艺优化与长期监测技术的研究进展。研究人员重点探讨了如何通过精确控制垫片表面压力来提升密封性能，并对比了传统观察法与先进传感器技术在泄漏检测中的优劣。研究表明，结合实时监测与预测性维护策略可显著提高工业设备的安全性与可持续性。该成果为高风险环境下的密封技术数字化提供了重要理论支撑。

　　

在现代工业体系中，螺栓法兰连接(BFC)如同血管系统中的关键枢纽，承担着输送水、油气、化学品等介质的重任。一个典型的化工厂可能拥有20万至30万个这样的连接点，它们一旦发生泄漏，不仅会造成资源浪费，更可能引发火灾、爆炸或环境污染等重大事故。欧洲重大事故报告系统(eMARS)的数据显示，2000年以来有6%的重大事故直接源于BFC失效，平均每年导致4.1人伤亡，单次事故最高损失达5000万欧元。这些触目惊心的数字背后，暴露出现有密封技术面临的核心挑战：如何在水压测试、温度波动、机械振动等复杂工况下维持长期可靠的密封性能？

传统依赖人工观察的检测方式犹如"用肉眼寻找针尖"，仅能发现已形成明显泄漏的故障，对于更隐蔽的"升高排放"（即不可见但超标的介质渗漏）无能为力。更棘手的是，安装阶段产生的隐患往往在运行数月甚至数年后才显现。例如螺栓预紧力不均匀会导致垫片表面压力分布失衡，而垫片材料的蠕变松弛效应则会随时间推移逐渐降低密封压力。这种"定时炸弹"式的风险促使学术界和工业界寻求更智能的监测方案。

发表于《IEEE Sensors Reviews》的这项研究，首次系统梳理了BFC全生命周期中的监测技术体系。研究团队通过分析欧洲标准EN 1591与美国ASME泰勒福吉计算法的差异，揭示了现有设计规范在动态载荷计算方面的局限性。更重要的是，他们创新性地将监测技术划分为安装阶段控制与服役阶段监测两大维度，建立起从预防到预警的完整技术链条。

关键技术方法包括：基于扭矩控制与液压张紧器的安装精度提升技术；采用应变片、声波时差法(TOF)和光纤布拉格光栅(FBG)的螺栓载荷监测技术；结合质量平衡原理与实时瞬态模型(RTTM)的管道内部泄漏检测系统；以及涵盖碳氢传感电缆、红外成像与声学传感器的外部泄漏监测网络。其中针对螺栓弹性相互作用（又称螺栓串扰）的量化模型，通过有限元分析(FEM)验证了星形拧紧序列可使预紧力均匀度提升至98%。

安装阶段的研究表明，垫片表面压力是决定密封性能的核心参数。研究人员通过对比不同拧紧工具发现，液压扭矩扳手在300 Nm以上高扭矩工况下精度最优，但需配合交叉拧紧序列以抵消弹性相互作用带来的预紧力损失。

实验数据显示，采用液压张紧器时，由于法兰与垫片的刚度差异，有效张力系数可能低至60%，这意味着初始螺栓载荷仅有60%-90%能转化为有效密封压力。

服役监测技术方面，研究揭示了直接观察法的局限性：肥皂水检测虽成本低廉，但仅适用于≥2%泄漏率的工况，且无法量化排放值。而基于守恒定律的质量平衡法可实现0.001%-0.01%精度的泄漏检测，但需在BFC前后端均安装流量计，成本较高。更具创新性的是光纤传感技术的应用：通过测量螺栓应变分布的FBG传感器，或利用拉曼散射的分布式温度传感系统，能够捕捉因焦耳-汤姆逊效应产生的微小温度变化，从而识别气体泄漏点。

针对不同泄漏等级，研究提出了三级分类标准：不可见但超标的"升高排放"（对应TA-Luft认证的氦泄漏率10^-2 mg/(s·m)）、可见泄漏以及垫片吹出事故。值得注意的是，美国环保署(EPA)以500 ppm为阈值，而NASA则按介质毒性分级设定标准，这种标准差异反映了不同行业对泄漏风险的认知差异。

在技术经济性分析中，研究强调需根据应用场景选择监测策略：非关键静态场景可采用月频次手动检测，而动态工况（如热交换器）需部署连续监测系统。虽然光纤传感系统单点成本较高，但将其布设于多个BFC构成的传感网络时，成本可被摊薄。相比之下，声学检测法虽能实现0.9%泄漏率的识别，但±200米的定位误差限制了其在密集管线中的应用。

通过整合安装控制与智能监测，该研究构建了覆盖BFC全生命周期的技术框架。

这不仅为预测性维护提供了理论依据，更推动了工业设备数字孪生技术的发展。特别是将螺栓载荷数据与运行参数（压力、温度等）耦合分析的方法，使运维人员能区分由热胀冷缩、压力波动或材料老化导致的不同泄漏模式。

这项研究的核心价值在于将碎片化的监测技术系统化，为不同风险等级的工业场景提供了定制化解决方案。其提出的"监测-预警-干预"闭环控制逻辑，有望将BFC相关事故率从当前的5.5×10^-7/年进一步降低。随着物联网与人工智能技术的发展，这种多物理量融合的监测范式或将成为工业4.0时代安全标准的重要组成部分，为高温高压、强腐蚀等极端工况下的密封技术进化指明方向。