高压油气井中井口设备的法兰连接主要采用金属密封方式。受螺栓预紧力大小及分布、温度和压力的波动、密封钢圈材质的影响,法兰连接易发生密封失效,进而导致高压流体的泄漏,造成能源和材料的浪费、环境的污染,甚至引发人员伤亡、财产损失等严重危害。因此研究开发适用于井口设备的法兰金属密封状态监控软硬件系统对于及早发现法兰金属密封失效导致的泄露具有重要意义。本文针对现有法兰金属密封性监控技术的不足,开展了以下几个方面的研究工作:(1)通过总结对比国内外法兰金属密封性检测方法,提出了基于力磁耦合的法兰金属密封性监控技术研究的相关实验方案,包括螺栓应力状态检测实验和法兰金属密封性监测实验两个部分,并详细的介绍了实验装置和相关实验参数。(2)应用ANSYS软件对实验方案进行了模拟。利用APDL编程建立了法兰金属密封性参数化模型,分析了不同工作状态(预紧、操作)下法兰各连接螺栓的不同应力状态对法兰、螺栓、垫片应力分布的影响,建立了螺栓应力与钢圈接触应力(法兰金属密封性)之间的定量力学模型,为通过检测各螺栓应力来评定法兰金属密封性提供理论依据。(3)根据实验方案开展相关研究。通过螺栓应力状态检测实验,建立了不同载荷工况下(加载、卸载)35CrMo螺栓的应力与磁信号之间的定量关系公式,发现螺栓磁信号与应力在一定范围内呈正比例线性关系。通过法兰金属密封性监测实验验证了检测各螺栓的磁信号可判断法兰金属密封性,未预紧螺栓个数、螺栓应力的分布及内压值影响法兰金属密封性。(4)将模拟和实验的结果相结合,得到了各螺栓磁信号与法兰密封性的定量关系,进而开发了基于力磁耦合的井控装置法兰金属密封性监控软件,实现磁信号的数据处理、法兰系统各部分的应力分布仿真计算和法兰金属密封性的评价与改善,为现场应用提供了软件支持。