液壓拉伸器在壓力容器法蘭緊固中的應(yīng)用

劉繼國(guó)（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516000）

液壓拉伸器在壓力容器法蘭緊固中的應(yīng)用

劉繼國(guó)（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516000）

本文從ASME及DIN標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范入手，列舉了壓力容器法蘭緊固的不同緊固方式，分析了各種緊固方式的優(yōu)劣勢(shì)。期望壓力容器的管理者及施工者能正確對(duì)待壓力容器法蘭緊固工程，進(jìn)一步提高壓力容器關(guān)鍵連接緊固質(zhì)量，提高設(shè)備關(guān)鍵連接的使用壽命和安全性。

法蘭；螺栓；壓力容器；關(guān)鍵連接；液壓拉伸器；同步緊固

在煉油、石化、化學(xué)、核電等電力裝置中，壓力容器和壓力管道大量應(yīng)用螺栓法蘭連接。由于螺栓法蘭連接數(shù)量龐大且工況復(fù)雜，法蘭連接系統(tǒng)的泄漏事故也不斷增多，法蘭連接泄漏造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年都達(dá)數(shù)億元！

法蘭連接系統(tǒng)主要由法蘭，墊片和螺栓螺母組成，法蘭提供了連接容器或管道兩個(gè)組成部分，并提供了墊片的安裝位置，而螺栓作為一彈性體將法蘭及墊片連接在一起，從而產(chǎn)生并留存在墊片上的預(yù)緊力，施加在螺栓上的載荷必須滿足墊片密封所需的比壓力。施加在螺栓上的載荷過(guò)小，密封不嚴(yán)密，法蘭連接系統(tǒng)會(huì)造成泄露；而載荷過(guò)大，會(huì)使墊片乃至螺栓產(chǎn)生塑性變形，失效，法蘭連接系統(tǒng)也會(huì)泄露。故該系統(tǒng)內(nèi)任一組成部分出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的使用。

為了能確保法蘭連接系統(tǒng)零泄露，能安全可靠地長(zhǎng)周期運(yùn)行，必須保證整個(gè)法蘭系統(tǒng)有足夠且精確的預(yù)緊力。那么如何實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的加載及如何準(zhǔn)確控制加載到螺栓上的預(yù)緊力呢？針對(duì)不同的工況，不同條件的法蘭連接緊固，該選用什么樣的工具和緊固步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)零泄露的緊固呢？我國(guó)的GB150-1998、美國(guó)ASME Section VIII Div.1，德國(guó)DIN2505標(biāo)準(zhǔn)、ASME在2010更新版ASME PCC-1-2010中都有關(guān)描述，在本文中也會(huì)做詳細(xì)闡述。

1 螺栓緊固方式

在現(xiàn)代的螺栓緊固方式中，人們已經(jīng)不再單純使用大錘來(lái)緊固螺栓，尤其是大尺寸螺栓（M36以上），越來(lái)越多的緊固工具可供選擇，如手動(dòng)扭矩扳手，液壓扳手、電動(dòng)扳手，風(fēng)動(dòng)扳手、液壓拉伸器等。而在加氫反應(yīng)器、LDPE或EO/EG等壓力容器的螺栓緊固中，由于其工作的壓力高，為了準(zhǔn)確控制螺栓預(yù)緊力，大尺寸螺栓（M36以上）只允許使用液壓拉伸器作為緊固工具。

關(guān)鍵連接是根據(jù)以下操作介質(zhì)/或條件下的法蘭連接：

（1）極端易燃：介質(zhì)及準(zhǔn)備工作在常溫常壓下和空氣接觸是易燃的。

（2）強(qiáng)毒性：介質(zhì)及準(zhǔn)備工作，當(dāng)吸入，吞入，或由皮膚吸收少量就會(huì)導(dǎo)致死亡或極慢性傷害。

（3）曾經(jīng)有泄漏歷史記錄

（4）熱瞬間溫度超過(guò)38oC/小時(shí)

（5）循環(huán)應(yīng)用（溫度或壓力）

（6）操作溫度從300oC及以上

（7）操作溫度從-50oC及以下

（8）LDPE裝置的高壓設(shè)備

（9）目前以拉伸器緊固的法蘭

（10）在運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下結(jié)冰的法蘭

2 液壓拉伸器的優(yōu)點(diǎn)

關(guān)鍵連接、LDPE等高壓設(shè)備、螺栓尺寸超過(guò)M36以上的連接，都要求使用液壓拉伸器緊固。同時(shí)，結(jié)合專(zhuān)業(yè)致力于螺栓緊固公司如北京科路工業(yè)裝備有限公司多年服務(wù)于LDPE、加氫反應(yīng)器等壓力容器的法蘭緊固實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，及權(quán)威的專(zhuān)業(yè)工程數(shù)據(jù)計(jì)算，一致認(rèn)為，使用液壓拉伸器作為壓力容器的法蘭螺栓緊固，是最嚴(yán)謹(jǐn)最安全的緊固工具。

那么，液壓拉伸器與其他傳統(tǒng)緊固工具相比，都有些什么優(yōu)點(diǎn)呢？

2.1 純粹軸向作用力，保證螺栓載荷最大程度的精確性

2.1.1 液壓拉伸器的工作原理

通過(guò)超高液壓系統(tǒng)拉伸螺栓，拉伸螺母通過(guò)油缸直接對(duì)螺栓施加外力，使被施加力的螺栓在其彈性變形區(qū)內(nèi)被拉長(zhǎng)，從而使螺母以零扭矩緊固；液壓拉伸器通過(guò)液壓系統(tǒng)提供高壓動(dòng)力源，通過(guò)液壓螺母直接作用于螺栓上，利用材料的彈性形變，在彈性范圍內(nèi)拉伸螺栓，使螺母以零扭矩緊固；液壓拉伸器在彈性范圍內(nèi)螺栓的加載，伸長(zhǎng)量與所受載荷之間的關(guān)系可用胡克定律來(lái)精確描述。

胡克定律如下：

式中：?l——變形量（m）；

FN——拉伸力（N）；

l——長(zhǎng)度（m）；

E——材料彈性模量（Pa）；

A——截面積（m2）。

對(duì)于某一確定直徑的螺栓有：

式中：A0——螺栓受力面積（m2）；

d1——螺栓小徑（m）；

Fmax——螺栓屈服極限內(nèi)所能承受的最大拉力（N）；

σs——螺栓屈服極限（Pa）。

因此，對(duì)于此被拉伸螺栓，可直接計(jì)算出最終由液壓拉伸器直接作用的載荷為：

FN=p*A

式中：FN——被拉伸螺栓留存載荷（N）；

P——最大可施加液壓拉伸器壓力（Pa）；

A——承壓面積（m2）。

2.1.2 力矩扳手、液壓扳手、電動(dòng)扳手等緊固方式

使用力矩扳手、液壓扳手、電動(dòng)扳手等方式緊固時(shí)，工具直接作用在螺母上，通過(guò)產(chǎn)生扭矩來(lái)緊固螺栓。

安裝扭矩分為三個(gè)部分：螺栓與螺母間的扭轉(zhuǎn)摩擦，螺母與法蘭平面之間的平面摩擦，轉(zhuǎn)化緊固軸力的安裝扭矩。

在安裝時(shí)，大部分安裝扭矩都在前兩個(gè)摩擦中損耗，而直接轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的，只占緊固扭矩的10%左右。

2.1.3 力矩扳手，液壓扳手，電動(dòng)/風(fēng)動(dòng)扳手緊固具有很大的誤差

使用力矩扳手，液壓扳手，電動(dòng)/風(fēng)動(dòng)扳手緊固螺栓時(shí)，需要計(jì)算緊固螺栓的扭矩值，此時(shí)需要將扳手、螺母、螺栓及法蘭面之間的磨擦系數(shù)考慮在內(nèi)。根據(jù)材料的不同及表面光潔度不同，該摩擦系數(shù)的差異會(huì)很大，通常會(huì)在0.08到0.35之間，差距高達(dá)400%，這就意味著，同樣規(guī)格的螺栓，因?yàn)橛?jì)算扭矩時(shí)選用磨擦系數(shù)的不確定性，將使計(jì)算的扭矩值誤差高達(dá)400%，影響正確選用合適的工具來(lái)緊固螺栓，大大增加整個(gè)法蘭系統(tǒng)的泄露可能性。

2.2 可真正實(shí)現(xiàn)同步緊固

在實(shí)際的螺栓緊固操作時(shí)，工具與螺栓數(shù)量之比往往無(wú)法做到1:1，例如一個(gè)法蘭共有16條螺栓需要緊固時(shí)，一般不會(huì)配置16臺(tái)扳手或液壓拉伸器同時(shí)緊固螺栓。而當(dāng)工具數(shù)量/螺栓數(shù)量無(wú)法做到100%同步緊固，需要進(jìn)行分步分階段緊固，分步緊固時(shí)會(huì)出現(xiàn)相臨螺栓影響效應(yīng)，即在完成下一組螺栓緊固后，前一組的螺栓已經(jīng)松弛，預(yù)緊力損失率最高可達(dá)95%，所以同步緊固顯得尤為重要！

液壓拉伸器工作時(shí)純軸向作用力，無(wú)需找相鄰螺栓做支點(diǎn)，且可以串聯(lián)使用，能夠真正實(shí)現(xiàn)100%同步緊固，使緊固一步到位，準(zhǔn)確控制留存預(yù)緊力。

使用一個(gè)液壓扳手緊固、使用50%液壓拉伸器緊固及使用100%液壓拉伸器同步緊固三種不同方式緊固后，各個(gè)螺栓留存預(yù)緊力分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 螺栓留存載荷雷達(dá)圖＊

由圖1可知，若想使法蘭連接系的每條螺栓能達(dá)到設(shè)計(jì)載荷，且平均分布，從而保證墊片的平行密封，系統(tǒng)的零泄露運(yùn)行，使用同步液壓拉伸器是最佳選擇！

*以上數(shù)據(jù)由惠煉一期拉伸器制造廠家北京科路工業(yè)裝備有限公司提供。

2.3 可以檢驗(yàn)最終留存載荷

在緊固螺栓的工作完成之后，留存在法蘭連接系統(tǒng)中的載荷是看不見(jiàn)摸不著，非常難以測(cè)量及量化的一個(gè)參數(shù)。那么緊固后的每條螺栓是否能達(dá)到額定載荷，法蘭連接系統(tǒng)能否在氣密性測(cè)試中一次性通過(guò)，能否在日后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中零泄露運(yùn)行呢？緊固螺栓之后的螺栓留存載荷檢測(cè)就變得非常重要。

因?yàn)橐簤豪炱鞯墓ぷ髟?，是利用純粹軸向拉伸力拉伸螺栓，在彈性范圍內(nèi)對(duì)螺栓進(jìn)行加載，所以利用液壓拉伸器對(duì)緊固后的螺栓進(jìn)行反向拆松，可通過(guò)液壓系統(tǒng)的壓力值，計(jì)算出螺栓留存載荷，這是其他緊固工具無(wú)法做到的。

計(jì)算公式：

FN=P*A

式中：FN——單個(gè)螺栓留存栽荷（N）；

P——液壓系統(tǒng)壓力值（Pa）；

A——所使用液壓拉伸器截面積（mm2）。

檢測(cè)方式：

在完成緊固的螺栓上，按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程中的規(guī)范中，選定需檢測(cè)螺栓，安裝液壓拉伸器系統(tǒng)。液壓泵緩慢升壓，同時(shí)另一操作者用手撥動(dòng)拉伸器撥盤(pán)。當(dāng)拉伸器撥盤(pán)撥松螺母的時(shí)候，停止液壓泵升壓，并記錄下此刻壓力值。

根據(jù)上述計(jì)算公式，可直接計(jì)算出螺栓留存載荷。

3 結(jié)語(yǔ)

壓力容器的法蘭系統(tǒng)螺栓緊固，是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的工作，選擇一個(gè)好的工具進(jìn)行緊固，是保證壓力容器正常運(yùn)行的第一步，也是最基礎(chǔ)的一步。液壓拉伸器，尤其是多個(gè)拉伸器同步緊固的使用，是壓力容器的法蘭系統(tǒng)緊固的最佳選擇。

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