1.概述       

石油化工裝置具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害及腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，法蘭連接形式的靜密封大量存在，因螺栓緊固不合格而導(dǎo)致法蘭泄漏時(shí)常引發(fā)事故      

 

 

2.法蘭靜密封點(diǎn)及泄漏原因       

石化裝置中兩相對(duì)靜止的密封結(jié)合面，可稱為一個(gè)靜密封點(diǎn)。靜密封點(diǎn)種類多且數(shù)目龐大，其中法蘭連接是最常用的方式。其密封原理是通過螺栓的預(yù)緊力作用，把兩個(gè)法蘭密封面之間的墊片壓緊，以次實(shí)現(xiàn)密封。［1］       

泄漏——指介質(zhì)通過內(nèi)外界面（即密封面）發(fā)生泄漏。其根本原因是接觸面上存在間隙，而兩側(cè)的壓力不均和濃度差異則是泄漏的推動(dòng)力。發(fā)生泄漏，輕者，會(huì)跑冒滴漏，造成浪費(fèi)、影響環(huán)境；重者，會(huì)著火、爆炸、中毒、燙傷，危及生命、污染環(huán)境、影響生產(chǎn)。      

造成法蘭泄漏的原因很多，主要有以下幾種：

（1）原材料，包括法蘭或墊片的問題；

（2）安裝問題，包括安裝程序和螺栓預(yù)緊力問題等，主要指螺栓預(yù)緊力沒有均勻?qū)ΨQ地作用于墊片上，預(yù)緊力過小或過大等；

（3）使用及其他問題，包括管道系統(tǒng)布置、震動(dòng)、管道柔性不夠及應(yīng)力等。以上種種，都是造成法蘭泄漏的隱患。為實(shí)現(xiàn)安全無泄露的法蘭連接，在保證法蘭、墊片性能符合要求的前提下，正確地進(jìn)行螺栓預(yù)緊及法蘭安裝就變得格外重要。［2］       

 

3.螺栓緊固及緊固通則       

螺栓連接是應(yīng)用非常廣泛的一種連接方式。螺栓連接的主要作用是結(jié)構(gòu)件連接和密封件連接。對(duì)于這兩種連接，如果連接不好，會(huì)出現(xiàn)螺栓松動(dòng)，以致螺栓損壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件不穩(wěn)固、密封面泄漏。       

3.1螺栓在鎖緊的過程中必須滿足以下條件      

3.1.1螺栓所受拉力的計(jì)算

假設(shè)有n個(gè)螺栓，則其工作狀態(tài)下所產(chǎn)生的拉力總載荷要大于等于容器內(nèi)壓和密封墊預(yù)緊壓力之和?？紤]到螺栓在工作時(shí)由于溫度的升高，螺栓會(huì)膨脹，因此，還要考慮螺栓的熱膨脹量，則每一根螺栓所受的拉力計(jì)算公式如下：      

F=P×πD²/n+λ1×S+E×A×ΔL/L       

字母含義：

P—壓力容器的內(nèi)部壓強(qiáng)；      

D—法蘭投影圓的直徑，一般取密封墊的中徑；       

λ1—密封比壓；       

S—密封墊的最大半徑面積；       

E—彈性模量；      

n—螺栓根數(shù)；       

A—螺栓橫截面積；      

L—兩螺母中心間距；       

ΔL—螺栓的伸長(zhǎng)量減去法蘭的伸長(zhǎng)量：ΔL=λ1×L1×(T1–T0)–λ2×L2×(T2–T0)λ1—螺栓膨脹系數(shù)；

λ2—法蘭膨脹系數(shù)；

L1—螺栓的長(zhǎng)度；

L2—法蘭的厚度；       

T1—螺栓的工作溫度；

T2—法蘭的工作溫度；

T0—環(huán)境溫度（通常為25℃）

3.1.2在鎖緊螺母時(shí)要對(duì)稱同步鎖緊。     

3.1.3每根螺栓所產(chǎn)生的拉力載荷要均勻一致，當(dāng)然，在實(shí)際操作中，絕對(duì)的均勻一致是達(dá)不到的，根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，要求其載荷誤差為±10%。    

3.1.4各種扳手輸出的是一個(gè)力矩T，通過力矩T來轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，從而使螺栓拉伸，螺栓因?yàn)槔炝硕a(chǎn)生一定的載荷，這就是扳手鎖緊螺栓螺母的基本原理。   

3.2傳統(tǒng)螺栓緊固方式的不足       

3.2.1螺栓緊固不均勻       傳統(tǒng)的螺栓緊固方式，完全依靠人力。

由于操作者個(gè)體間力量上存在差異，多人同時(shí)操作無法保證相同的緊力，單人作業(yè)從開始至最后結(jié)束整個(gè)作業(yè)過程力量分配存在不同，無法保持相同的緊力。       

受作業(yè)空間和作業(yè)條件限制，容易用力的位置螺栓獲得的緊力大，不方便用力的位置獲得的緊力相對(duì)小些，導(dǎo)致密封面緊力不均，密封面就會(huì)產(chǎn)生微觀的凸凹不平，產(chǎn)生微觀偏口。墊片沒有壓實(shí)，運(yùn)行一段時(shí)間就會(huì)發(fā)生泄漏。大多情況下的泄漏，不是螺栓緊力不夠而是緊力不均發(fā)致。即使測(cè)量法蘭的平行度，測(cè)量方法也較粗放，不夠精準(zhǔn)。  

3.2.2不能科學(xué)準(zhǔn)確的確定螺栓預(yù)緊力       傳統(tǒng)螺栓緊固方式預(yù)緊力的確定，通?？柯犅曇?、感覺和憑經(jīng)驗(yàn)，緊力過大時(shí)壓壞墊片、損壞螺栓，緊力不夠則造成泄漏。大多情況為防止泄漏，緊力往往偏大，嚴(yán)重時(shí)，一旦超過螺栓最大屈服極限，螺栓產(chǎn)生塑性變形，螺距改變，永久失效，導(dǎo)致拆卸困難，縮短螺栓使用壽命以致報(bào)廢。  

3.2.3勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力       需要較大緊力的螺栓，就要用加力桿、長(zhǎng)套管、多人齊用力，浪費(fèi)人力，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，浪費(fèi)時(shí)間。  

3.2.4無法做到同時(shí)同緊力多點(diǎn)對(duì)稱緊固。

3.2.5煉化裝置高溫高壓設(shè)備開車時(shí)需要熱緊，消除螺栓緊固的不確定性，人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。      

 

4定力矩扳手的使用       

4.1力矩確定       如何確定螺栓的扭緊力矩T？有一個(gè)已經(jīng)簡(jiǎn)化了的經(jīng)驗(yàn)公式：    

T=KFd×10ˉ³(N.m)      

K—擰緊力矩系數(shù)，根據(jù)表面狀態(tài)可大致選定參考值，對(duì)于一般加工表面，如果有潤(rùn)滑的，可以取0.13～0.15；如果沒有潤(rùn)滑的，可以取0.18～0.21；       

d—指螺紋的公稱直徑      

F—指預(yù)緊力，碳素鋼螺栓?。?.6～0.7）σA；合金鋼螺栓取（0.5～0.6）σA       

σA—σ是螺栓材料的屈服點(diǎn)；A=π/16(d2+d3)2，d2為螺紋中徑，d3=d1-H/6；d1是小徑，H是螺紋原始三角形高度；H值根據(jù)不同螺紋可算出，約為0.87倍的螺距P。

舉例：M20的螺栓，8.8級(jí)。T=K×σ×A×d×10ˉ³       =0.19×219×245×20×10ˉ³       =204N·m       由上述公式可知，扭緊力矩T與螺栓的規(guī)格以及螺栓的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。也可參考經(jīng)過計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)螺栓緊固扭矩選擇表來選擇扭矩。       需要說明的是，許多裝置檢修中，所在裝置業(yè)主往往會(huì)給定一緊固力矩。檢修方經(jīng)過確認(rèn)后，可按照業(yè)主給定的力矩值進(jìn)行緊固。      

4.2安裝檢查內(nèi)容      

4.2.1偏口（不同心、不垂直、法蘭不平行）兩法蘭間允許的偏斜值應(yīng)小于1mm；       4.2.2錯(cuò)口，在螺栓孔直徑及螺栓直徑符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，不用其它工具可將螺栓自由地穿入螺栓孔為合格；       

4.2.3螺母必須垂直于螺柱的軸線進(jìn)行旋合，切勿傾斜。兩法蘭必須在同一中心線上且平行。不允許用螺栓或尖頭鋼釬插在螺孔內(nèi)校正法蘭，以免螺栓承受過大的應(yīng)力；       4.2.4在安裝過程中，螺栓螺母應(yīng)清洗干凈，并涂潤(rùn)滑劑，減少摩擦，方便拆裝。安裝螺栓及螺母時(shí)，螺栓上鋼印的位置應(yīng)便于檢查。高溫?zé)煔?、中壓蒸汽或介質(zhì)溫度≥300℃的螺栓螺紋部分必須涂抹高溫防咬合劑，其它螺栓必須涂二硫化鉬等潤(rùn)滑劑；       4.2.5無論檢測(cè)還是緊固，應(yīng)掛緊固數(shù)據(jù)牌。注明日期、施工單位、扭矩值、檢測(cè)（緊固），做為下次檢修時(shí)的參考。     

4.3定力矩緊固的操作程序

4.3.1四同步定力矩緊固的操作程序       

將法蘭螺栓等分為四個(gè)象限，對(duì)每個(gè)象限中的螺栓用記號(hào)筆順時(shí)針編號(hào)。

設(shè)備緊固的操作程序分為至少分為三遍緊固,即預(yù)緊扭矩75%、100%、100%三遍緊固。（一般視情況也可進(jìn)行4-5遍緊固，如發(fā)現(xiàn)螺母松動(dòng)則需要繼續(xù)緊固，直到所有螺母不動(dòng)為止。）

方法順序（如圖2所示）：四同步的每名操作人員在三遍緊固中分別緊固整個(gè)法蘭螺栓的四分之三，即1-2-3-1-2-3-1-2-3，使所有人員的工作軌跡有半圈重合，由此來縮小預(yù)緊力差異化。最大限度的均衡因機(jī)具及人員差異造成的扭矩不均勻。              

4.3.2兩同步定力距緊固施工方法及步驟：       

第一遍兩同步緊固的每名操作人員在緊固中分別先用75%扭矩值對(duì)角緊固4條1號(hào)螺栓，然后順時(shí)針緊固剩余螺栓。最后兩遍緊固方法同上，緊固力矩為給定力距的100%。無論使用四同步還是兩同步緊固，操作手必須待所有扳手均動(dòng)作后，才可進(jìn)行下一組螺栓緊固。       

4.4對(duì)人員的要求       

4.4.1定力距緊固相關(guān)人員必須經(jīng)過定期培訓(xùn)，考核通過后上崗。       

4.4.2每個(gè)定力距小組均由1名操作手（主要負(fù)責(zé)人、組長(zhǎng)）、4名輔助手、1名監(jiān)護(hù)人員共6人組成。操作手負(fù)責(zé)設(shè)備組裝、調(diào)壓、預(yù)緊操作及現(xiàn)場(chǎng)指揮、組員管理，4名輔助手負(fù)責(zé)使扳手靠牢、移動(dòng)扳手等、1名監(jiān)護(hù)人員負(fù)責(zé)解決突發(fā)事件及現(xiàn)場(chǎng)溝通等相關(guān)事宜。       

4.4.3操作手與輔助手在設(shè)備緊固過程中有固定指令，在確認(rèn)每個(gè)扳手動(dòng)作之后再進(jìn)行下一組螺栓緊固，同時(shí)操作手應(yīng)根據(jù)壓力及經(jīng)驗(yàn)調(diào)整緊固節(jié)奏使同步緊固螺栓受力均勻。       

4.4.4輔助手在緊固過程中切忌扭轉(zhuǎn)密封部位，緊固過程中使扳手套筒緊貼法蘭，保持扳手套筒與螺栓同軸。       

4.5常見問題

4.5.1法蘭螺栓外露長(zhǎng)度不等。雙頭螺栓的安裝，兩端均應(yīng)有2～3個(gè)螺牙突出螺母。       4.5.2緊固后的螺栓單側(cè)過長(zhǎng)，不符合規(guī)范，不利于將來更換螺栓。       

4.5.3密封面無保護(hù)，在安裝過程中，容易發(fā)生撞擊致使密封面損失。       

4.5.4舊螺栓未經(jīng)過浸油、除銹處理，緊固人員需在處理過后再安裝。       

4.5.5墊片未放好。      

4.5.6存在螺栓過緊現(xiàn)象(一拆即斷），或螺栓過緊無法拆卸，只能割斷。       

4.6驗(yàn)收

法蘭緊固后，業(yè)主方進(jìn)行設(shè)備試壓。設(shè)備試壓如有泄露，調(diào)整扭矩值重新緊固；若設(shè)備試壓成功，填寫設(shè)備緊固確認(rèn)卡，業(yè)主方與施工方共同簽字確認(rèn)。設(shè)備緊固確認(rèn)卡1式3份，由業(yè)主方與施工方分別保管，作為施工過程記錄及相關(guān)憑證。       

 

5結(jié)語(yǔ)      

靜密封法蘭緊固四要素：“螺栓、密封面、墊片、力矩”，即：螺栓要選好、處理好；密封面要處理好；墊片要放好；力矩要設(shè)好，緊固順序要記好。最終決定因素是“人的因素”       定力矩扳手的廣泛使用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)緊固方式的不足。并且節(jié)省了人力，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。定力矩緊固考慮了溫度對(duì)預(yù)緊力的影響，確定了合理的預(yù)緊力補(bǔ)償值，可以節(jié)省熱緊工序，完全消除了高溫工況下人工作業(yè)的不安全因素，并縮短開工時(shí)間，產(chǎn)生巨大間接效益。