帶壓堵漏設備法蘭螺栓斷裂原因分析與對策

馬小平，孫嘉禾，馮　祎，汪　軍，王占河

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川　750026）

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帶壓堵漏設備法蘭螺栓斷裂原因分析與對策

馬小平，孫嘉禾，馮祎，汪軍，王占河

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川750026）

摘要：本文通過對本公司設備法蘭帶壓堵漏時法蘭螺栓斷裂問題展開研究，通過分析與計算找出螺栓斷裂的主要原因，制定詳細的對策，使得堵漏作業(yè)更加安全、可靠。

關鍵詞：帶壓堵漏；螺栓斷裂；對策

石油化工設備法蘭發(fā)生泄漏后，按照一般的檢修方法是在泄漏法蘭上安裝夾具注入堵漏膠進行消漏，待設備法蘭堵漏后仍有部分夾具還會再次發(fā)生泄漏，這就要對再次發(fā)生泄漏的夾具進行反復的補膠作業(yè)，部分泄漏夾具需要定期進行補膠作業(yè)，在注膠的過程中部分設備法蘭螺栓斷裂的現(xiàn)象時有發(fā)生，處理不當會造成事故和非計劃停車，甚至造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。為了保證裝置的穩(wěn)定運行，研究石油化工帶壓堵漏法蘭螺栓發(fā)生斷裂的原因是必要的。

1　帶壓堵漏法蘭螺栓斷裂原因分析

公司檢修人員對裝置余熱鍋爐高溫省煤器安全閥前法蘭夾具進行補膠作業(yè)[1，2]，當注膠泵壓力升至50 MPa，該法蘭西北側(cè)底部的法蘭突然發(fā)生斷裂（螺栓斷裂見圖1），介質(zhì)從螺栓孔刺出，最終造成該裝置的余熱鍋爐緊急停爐。

圖1　法蘭螺栓斷裂圖

根據(jù)螺栓所受應力確定原則，螺紋連接件所承受最大應力不得超過其材料的屈服極限的80 %。通常螺栓在全部結(jié)構(gòu)零件的破壞中，疲勞斷裂占絕大多數(shù)，在宏觀上沒有顯著的塑性變形，所以疲勞破斷屬于脆性斷裂。當疲勞裂紋擴展至一定深度后，零件的剩余截面積不足以抵抗外力的作用而產(chǎn)生瞬時破斷。所以以屈服強度σs為臨界點計算設備螺栓承受的最大注膠壓力是可靠的[3，4]。本文通過對設備法蘭安裝夾具后的螺栓進行分析，以裝置設備法蘭常用8.8級等級的螺栓為例進行分析，確定帶壓堵漏法蘭螺栓斷裂的主要原因。

1.1螺栓化學分析

螺栓斷裂的形貌上可以看出（見圖2），堵漏膠已浸入斷裂螺栓處，整個斷裂螺栓的斷口比較平整，呈典型的疲勞破斷的脆性斷裂。經(jīng)本公司理化工對35CrMoA螺栓進行化學成分分析，分析結(jié)果（見表1）。

圖2　斷裂螺栓端面圖

通過表1可以看出，斷裂螺栓的化學成分分析結(jié)果符合35CrMoA材料國家標準的技術要求。

表1　 35CrMoA螺栓斷口化學成分（%）

1.2螺栓力學分析

根據(jù)上述條件對斷裂螺栓抽樣進行力學性能檢測，螺栓的性能等級為8.8級，螺栓斷裂處在螺紋處，螺栓根部R處未見異常，說明該螺栓拉伸能力滿足技術要求[5]。

1.3螺栓金相分析

通過圖2可以看到，該螺栓斷裂屬扭轉(zhuǎn)剪切所導致，5倍放大鏡觀察可以斷定斷口處有滲入的堵漏膠，反復高壓的注膠壓力導致疲勞裂紋，當疲勞裂紋擴展至一定深度后，零件的剩余截面積不足以抵抗外力的作用而最終發(fā)生脆性斷裂。

1.4帶壓堵漏時法蘭螺栓受力分析

對于每一設備法蘭進行帶壓堵漏的螺栓所承受的拉力F主要由四部分（系統(tǒng)介質(zhì)的工作壓力F工、殘余預緊力F殘、最大注膠壓力F注、夾具受力F夾）組成。大多數(shù)螺栓聯(lián)接都是緊聯(lián)接，在承受預緊力F0的同時，還承受0到P工循環(huán)變化的脈動工作載荷，脈動工作載荷圖（見圖3），螺栓承受介質(zhì)工作載荷后，根據(jù)螺栓和被聯(lián)接件的變化情況，螺栓的預緊力F預減少至殘余預緊力F殘，其變化示意圖（見圖4）。得到設備法蘭帶壓堵漏時螺栓所承受的總拉力：

式中：F總－螺栓承受預緊力、工作載荷、最大注膠拉力共同作用時的總拉力；F預－螺栓承受的預緊力；F工－螺栓承受的工作拉力；F注－螺栓承受的最大注膠拉力；Cb－螺栓的剛度；Cm－被聯(lián)接件的剛度。

圖3　螺栓P工的變化示意圖

其中，Cb/（Cb+Cm）稱為螺栓的相對剛度，其取值由墊片材料決定，如：金屬墊片或無墊片取0.2～0.3，石棉墊片取0.8，膠皮墊片取0.9[1]，由圖3可以看出本文中Cb/（Cb+Cm）的取值為0.3。

圖4　螺栓F殘的變化示意圖

由式（1）可以看到F總由F預到Fmax變化（見圖5）。

圖5　螺栓F總的變化示意圖

1.5確定設備法蘭螺栓等級為8.8級的帶壓堵漏最大注膠壓力

如本公司裝置余熱鍋爐B501A高溫省煤器安全閥前法蘭在帶壓堵漏注膠壓力的確定。安全閥前法蘭直徑為DN100，600LB，螺栓直徑為M24（螺栓的小徑d1為φ22.376）、8.8級、材質(zhì)為35CrMoA、共8條螺栓，介質(zhì)運行壓力為5.0 MPa，經(jīng)測量和查詢標準GB/ T20615-2009得到D1=275 mm，D2=176 mm，由以上給定數(shù)據(jù)推導出該法蘭在給定工況下最大的注膠壓力公式，推導如下：

1.5.1確定法蘭螺栓屈服強度極限由已知條件得知該螺栓的抗拉強度σbc1=800 N/mm2（MPa）。

屈服強度極限σs1=800×0.8=640 N/mm2（MPa）。

1.5.2確定該法蘭的受力面積

式中：d1－外螺紋小徑；d2－外螺紋中徑；d3－螺紋的計算直徑；H-螺紋的原始三角形高度。

查手冊，d1=22.376 mm；d2=22.052 mm；H=0.866×P （P為螺距，M24的粗牙螺紋P=3）。

由以上可以得到：

1.5.3確定M24、8.8級螺栓預緊力值F預使螺栓中的拉應力接近于所用材料的屈服點（f0.2）,考慮材料不均勻系數(shù)0.9、超張拉系數(shù)0.9和剪應力（擰螺母時產(chǎn)生）引起的承載力降低系數(shù)1.2，預緊力計算式為：

1.5.4確定該法蘭的最大的注膠壓力查《螺栓聯(lián)結(jié)受外力作業(yè)時的力學計算》得到F預=0.9×0.9/1.2×α× σs1×S受力。

式中：σs1－高強螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強度，σs1=800×0.8=640 N/mm2（MPa）；α－屈強比（假定屈服點與最低抗拉強度比值，從上文帶壓堵漏時法蘭螺栓受力分析中可得到α=0.8）。

由式（3）得到F預=1 055 647 N。

表2　高強螺栓設計預緊力P值（kN）

由表2可以查到M24，8.8級螺栓的設計預緊力P值為155 000 N。

由此可以得到F總=P總=8×155 000=1 240 000 N

由式（1）得到F注=F總-F預-Cb/（Cb+Cm）F工=σs1× S面-F預-Cb/（Cb+Cm）F工

F注=1 240 000-1 055 647-0.3×50×3 054=138 543 N

P注=F注/S受力=45.4 MPa

由此得到法蘭螺栓未發(fā)生疲勞斷裂的強度值為45.4 MPa，即注膠泵出口壓力值。由此得到，在石油化工企業(yè)中，確定8.8級設備螺栓帶壓堵漏時最大注劑壓力不能超過45 MPa。檢修作業(yè)人員在進行補膠時，注膠泵出口壓力值達到50 MPa以上，反復注膠最終會導致設備法蘭發(fā)生斷裂。由此可見，注膠泵壓力超壓是導致螺栓斷裂的病癥所在。綜上所述，確定了設備螺栓性能等級為8.8級帶壓堵漏最大注膠壓力為45 MPa，按照此方法，也可計算不同直徑、性能等級為4.8級、8.8級、10.9級的螺栓在進行帶壓堵漏時螺栓承受最大拉力的確定，此處不另作計算。

2　帶壓堵漏法蘭螺栓斷裂的對策

由上文可以得到，為了避免帶壓堵漏時設備法蘭螺栓承受疲勞后斷裂，最有效直接的方法就是提高帶壓堵漏一次成功率。針對現(xiàn)場設備法蘭的帶壓堵漏作業(yè)，若堵漏一次不成功，待堵漏膠固化后法蘭再次發(fā)生泄漏，補膠時勢必提高注膠泵壓力才能將新的堵漏膠注入到泄漏位置，這就需要提高帶壓堵漏的一次成功率，主要的對策如下所示。

2.1核算堵漏夾具內(nèi)堵漏所需用量

針對堵漏后頻繁“補膠”的現(xiàn)象，基于夾具空腔體積與堵漏膠的體積經(jīng)驗計算公式推導常用夾具的體積計算公式和堵漏膠的壓縮比，從而得出常用類型的堵漏夾具內(nèi)所需堵漏膠的用量。

2.2夾具與泄漏設備的結(jié)合面間隙控制

材料的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹，熱膨脹通常用熱膨脹系數(shù)表示。金屬材料受溫度作用后，產(chǎn)生伸長熱變形，不同金屬材料不同溫度下具有不同的熱膨脹系數(shù)和膨脹量。夾具熱膨脹量與金屬材料、受熱溫度和相應的熱膨脹系數(shù)以及構(gòu)件長度（或直徑）大小有關。

熱膨脹量Δ=αtL（D）

式中：α－金屬材料熱膨脹系數(shù)，α×10-6（1/℃）；t－夾具材料所處的溫度，℃；L（D）－泄漏部件的長度或夾具的直徑，mm。

夾具設計加工直徑D，應當用法蘭測量外徑D測-Δ，以便消除熱膨脹引起的吻合間隙超差的影響。

夾具與泄漏部位外表面的接觸部分的間隙應有嚴格限制，以防止塑性極好的密封注劑外溢。如果吻合超差較大，則可以考慮在夾具與泄漏缺陷接觸部位上設計制作環(huán)、槽形密封結(jié)構(gòu)或其他形式的密封結(jié)構(gòu)，增大密封注劑的外溢阻力。其次，工具、夾具、溫度、推進速度、注劑方法等技術組成要協(xié)調(diào)互補，用熱固型密封劑要注意推進速度，溫度高，要控制好推進速度，與固化時間相協(xié)調(diào)，過快速度會導致壓力過大，對系統(tǒng)強度、剛度造成影響，過慢會導致注劑推不進去；溫度低有時要用密封增強措施。

3　結(jié)語

通過計算與探討，得到了設備螺栓性能等級為8.8級的帶壓堵漏作業(yè)的最大注膠壓力的計算方法，按照此方法可迅速計算出各種不同規(guī)格、性能等級設備螺栓帶壓堵漏時的最大注膠壓力，從而有效的保證了帶壓堵漏作業(yè)的安全性、可靠性。

參考文獻：

［1］寧夏石化公司帶壓堵漏規(guī)程［S］.2003．

［2］承壓設備帶壓密封技術規(guī)范（GB/T26467-2011）［S］.2011.

［3］濮良貴，紀名剛．機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2003．

［4］龔曙光．ANSYS工程應用實例解析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［5］陳建國，杜培德，周桂蓮.螺栓聯(lián)結(jié)受外力作業(yè)時的力學計算［J］.青島科技大學學報，2003，（12）：534-536．

作者簡介：馬小平，男（1981－），大學本科，工程師，目前在寧夏石化安檢公司煉油維修部從事檢維修技術質(zhì)量管理工作，郵箱：xpma@petrochina.com.cn。

*收稿日期：2016－01-20

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.028

中圖分類號：TE973.6

文獻標識碼：B

文章編號：1673-5285（2016）02-0115-04