頂推螺母組件在氣化爐上的應(yīng)用

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(1.內(nèi)蒙古匯能煤化工有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.江蘇格納特連接系統(tǒng)有限公司， 江蘇 南京 211505)

頂推螺母組件在氣化爐上的應(yīng)用

祁曉輝1，張林2

(1.內(nèi)蒙古匯能煤化工有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.江蘇格納特連接系統(tǒng)有限公司， 江蘇 南京 211505)

氣化爐是煤氣化裝置的核心設(shè)備之一，其頂部安裝的工藝燒嘴因使用壽命短，需要定期進(jìn)行檢修更換，而經(jīng)常拆裝連接法蘭容易發(fā)生泄漏，給生產(chǎn)及環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。對(duì)江蘇格納特公司專利產(chǎn)品——頂推螺母組件應(yīng)用在氣化爐與工藝燒嘴連接的法蘭上進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并依據(jù)GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》計(jì)算了螺栓預(yù)緊力及頂推螺釘?shù)念A(yù)緊扭矩。在與普通六角螺母預(yù)緊方法進(jìn)行對(duì)比的基礎(chǔ)上，詳述了此螺母組件的安裝、拆卸過(guò)程。經(jīng)過(guò)一年多的現(xiàn)場(chǎng)試用，效果比較顯著，泄漏問(wèn)題得到了有效解決。

煤氣化裝置； 頂推螺母組件； 預(yù)緊力； 工藝燒嘴法蘭； 泄漏； 應(yīng)用

氣化爐工藝燒嘴是水煤漿加壓氣化工藝中的重要部件之一，其主要作用是將高壓水煤漿和氧氣進(jìn)行混合霧化后送入氣化爐，在6.5 MPa、1 300 ℃下進(jìn)行燃燒反應(yīng)[1]。工藝燒嘴由于受到煤槳的沖刷和高溫的炙烤，使用壽命比較短，一般2～3月就需要進(jìn)行維修或更換，如裝置遇到異常跳車，更換頻率也會(huì)由此增加。

工藝燒嘴頻繁的更換則要求燒嘴與氣化爐的法蘭連接接頭便于拆裝，而氣化爐內(nèi)的易燃、易爆、有毒氣體及高溫、高壓環(huán)境對(duì)燒嘴法蘭的密封性又提出了較高的要求[2]。因此，在安裝此連接法蘭時(shí)，必須保證螺栓具有足夠的、精準(zhǔn)的以及分布均勻的預(yù)緊力，才能防止此螺栓在高溫和載荷波動(dòng)情況下盡可能不發(fā)生松動(dòng)。然而，對(duì)于大規(guī)格螺栓，常用的預(yù)緊方法如錘擊、加熱、液壓扳手及液壓拉伸等，不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且預(yù)緊力難以精確控制[3, 4]。此外，螺栓在螺紋牙根處的幾何不連續(xù)性而形成的應(yīng)力階差、上螺紋牙根部圓角較小易造成螺紋根部應(yīng)力集中，這些因素都會(huì)降低螺紋緊固件的使用壽命，也易使螺紋緊固件發(fā)生咬死導(dǎo)致其拆卸困難，增加運(yùn)行維護(hù)成本[5, 6]。江蘇格納特公司的專利產(chǎn)品——頂推螺母組件為解決上述問(wèn)題提出了新的思路，文中對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹[7]。

1 頂推螺母組件簡(jiǎn)介

頂推螺母組件主要是由圓螺母、若干個(gè)均布于圓螺母上的頂推螺釘以及硬質(zhì)平墊組成，見(jiàn)圖1。

1.上法蘭 2.頂推螺釘 3.圓螺母 4.硬質(zhì)墊片 5.下法蘭 6.螺母 7.雙頭螺柱(主螺栓) 8.密封墊片圖1 頂推螺母組件結(jié)構(gòu)及工作原理示圖

圓螺母與主螺栓或雙頭螺柱通過(guò)螺紋連接，頂推螺釘施加在圓螺母上的扭矩轉(zhuǎn)化為頂推力直接作用于硬質(zhì)平墊上。硬質(zhì)平墊將頂推力傳遞到工件表面，達(dá)到緊固作用，同時(shí)硬質(zhì)平墊還對(duì)連接件表面起保護(hù)作用。

由力的合成與分解原理可知，頂推螺母組件把擰緊主螺栓所需的合力分解成多個(gè)頂推螺釘上的分力，產(chǎn)生多個(gè)頂推力來(lái)達(dá)到預(yù)緊效果。使用時(shí)，頂推螺釘通過(guò)圓螺母?jìng)鬟f力并拉緊主螺栓，多個(gè)頂推螺釘?shù)耐屏εc主螺栓產(chǎn)生的反作用力相互作用，產(chǎn)生巨大的夾緊力，使上、下法蘭被牢牢緊固。

2 氣化爐燒嘴法蘭連接螺栓預(yù)緊力計(jì)算

2.1已知參數(shù)

氣化爐燒嘴法蘭(簡(jiǎn)稱燒嘴法蘭)設(shè)計(jì)壓力6.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度1 350 ℃，選用ASME B16.5—2013《Pipe Flanges and Flanged Fittings(管法蘭和法蘭管件)》[8]中規(guī)格為DN450、Class 900的帶頸平焊法蘭，材質(zhì)SA387，密封面形式為環(huán)連接面(RJ)。

橢圓墊片的材質(zhì)為304不銹鋼，環(huán)號(hào)R70。查GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》[9]可知，橢圓墊節(jié)徑P=533.4 mm，環(huán)寬w=19.05 mm，墊片系數(shù)m=6.5，墊片初始密封比壓y=179.3 MPa。橢圓墊基本密封寬度b0=w/8=2.38 mm，因b0≤6.4 mm，可知墊片壓緊力作用中心圓直徑DG=P=533.4 mm，有效密封寬度b=b0=2.38 mm。

法蘭連接螺栓材質(zhì)為35CrMo，規(guī)格為M48，數(shù)量n1=20，公稱直徑d1=48 mm；頂推螺釘規(guī)格為M12，數(shù)量n2=8，公稱直徑d2=12 mm。

燒嘴法蘭連接結(jié)構(gòu)及幾何尺寸見(jiàn)圖2，橢圓墊尺寸參數(shù)見(jiàn)圖3。

1.主螺栓 2.螺母 3.燒嘴法蘭 4.八角墊 5.法蘭蓋圖2 氣化爐燒嘴法蘭幾何尺寸示圖

圖3 橢圓墊尺寸參數(shù)示圖

2.2螺栓載荷計(jì)算[9]

預(yù)緊時(shí)，所需最小螺栓載荷Wa為：

Wa=3.14DGby

(1)

式中，DG為密封面平均直徑，b為橢圓墊有效密封寬度，mm；y為墊片初始密封比壓，MPa。

本例中，將b=2.38 mm、DG=533.4 mm、y=179.3 MPa代入式(1)中可得Wa=714.73 kN。

操作時(shí)，所需螺栓最小載荷Wp為：

Wp=0.785DG2pc+6.28DGbmpc

(2)

式中，pc為操作壓力，MPa；m為墊片系數(shù)。

本例中，將pc=6.5 MPa、m=6.5代入式(2)中可得Wp=1 788.58 kN。

從上述計(jì)算可以看出，預(yù)緊時(shí)，法蘭整體所需預(yù)緊力Wa=714.73 kN，單個(gè)主螺栓所需最小載荷為Wa/20=35.74 kN；操作時(shí)，法蘭整體所需預(yù)緊力Wp=1 788.8 kN，單個(gè)主螺栓所需的最小載荷為Wp/20=89.43 kN。為保證法蘭接頭密封完好，不發(fā)生泄漏，取兩者中的較大值，即單個(gè)主螺栓所需最小預(yù)緊載荷為89.43 kN。

上述計(jì)算得到的螺栓預(yù)緊載荷很小，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，螺栓的預(yù)緊載荷通常以將預(yù)緊螺栓所需最小載荷乘以3倍的系數(shù)確定[10]，即單個(gè)螺栓所需預(yù)緊載荷在268.29 kN以上。

2.3扭矩計(jì)算

螺栓預(yù)緊力Q與扭矩M間的關(guān)系：

M=kQd

(3)

式中，k為擰緊力矩系數(shù)，一般取0.18～0.21[11]；Q為螺栓預(yù)緊力，kN；d為主螺栓公稱直徑，mm。

本例中，將k=0.18、Q=268.29 kN、d1=48 mm代入式(3)計(jì)算，可得所需最小扭矩Mmin=2 318.03 N·m。

3 頂推螺母組件的應(yīng)用

3.1頂推螺釘?shù)呐ぞ?/p>

對(duì)規(guī)格為M48的頂推螺母組件，圓螺母一周共有8-M12的頂推螺釘。為滿足主螺栓的緊固需要，每個(gè)頂推螺釘需承載主螺栓預(yù)緊力的1/8，即每個(gè)頂推螺釘上的預(yù)緊力Q2=Q/8=33.54 kN。

由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的頂推螺釘扭矩系數(shù)k2=0.13，將Q2=33.54 kN、d2=12 mm帶入式(3)，故單個(gè)頂推螺釘所需最小扭矩M2min=52.32 N·m。

頂推螺釘所需最小扭矩僅為主螺栓所需扭矩的1/44，可見(jiàn)使用頂推螺母組件大大減小了螺栓安裝所需載荷，降低了緊固操作的難度。頂推螺釘與普通螺母載荷對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 頂推螺釘與普通螺母載荷對(duì)比

考慮到實(shí)際使用時(shí)，燒嘴法蘭工作參數(shù)會(huì)發(fā)生波動(dòng)。為確保法蘭連接緊固可靠，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取上述計(jì)算載荷的1.6倍并圓整，即扭矩扳手為每個(gè)頂推螺釘提供52.32×1.6=85 N·m的扭矩。使用頂推螺母組件預(yù)緊提供更高的有效載荷，可確保螺栓法蘭密封連接的緊密性和可靠性，保證螺栓接頭不發(fā)生意外松動(dòng)[12]。

3.2安裝與拆卸

3.2.1安裝步驟

安裝時(shí)，需2～4人成90°或180°同時(shí)操作，分4步完成,其安裝順序示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 頂推螺母組件安裝順序示圖

步驟一：將圓螺母擰到主螺栓上，直至底部接觸到硬質(zhì)平墊，然后回?cái)Q1～3 mm預(yù)留間隙以便拆卸。人工擰緊所有的頂推螺釘，使主螺栓定中并消除螺紋間隙。

步驟二：使用力矩扳手以規(guī)定扭矩(本例中為85 N·m)的50%扭矩?cái)Q緊圖4a、圖4b中的位置1和11、位置6和16處圓螺母上的4個(gè)頂推螺釘Ⅰ和Ⅴ、Ⅲ和Ⅶ，接著按十字交叉法使用規(guī)定扭矩的100%再次擰緊這4個(gè)頂推螺釘。

取適當(dāng)大小的心肌組織樣本,加入適量的細(xì)胞裂解液,用勻漿機(jī)將組織樣本破碎.隨后置于冰上裂解樣本15 min.接下來(lái),將蛋白樣品置于離心機(jī)中以12 000 r/min離心30 min后,將蛋白上清液轉(zhuǎn)移至新的離心管中,加入上樣緩沖液后100°C使蛋白變性,迅速放入冰中冷卻,短時(shí)離心.采用標(biāo)準(zhǔn)牛血清白蛋白(albumin from bovine serum,BCA)定量方法對(duì)樣本進(jìn)行蛋白含量均一化后待用.細(xì)胞裂解液配方(以1 mL為例)如下:1 mL細(xì)胞裂解液,10μL磷酸酶抑制劑,10μL苯甲基磺酰氟(phenylmethanesulfonyl fluoride,PMSF).

步驟三：用力矩扳手以規(guī)定扭矩的100%扭矩依次擰緊所有的頂推螺釘。

步驟四：所有的螺釘擰緊后，需再用力矩扳手以規(guī)定預(yù)緊扭矩的100%全部檢查一遍，以確保每個(gè)頂推螺釘?shù)木o固程度達(dá)到一致。

3.2.2拆卸步驟

螺栓預(yù)緊力是由頂推螺母組件上所有頂推螺釘共同承擔(dān)的。拆卸時(shí)，應(yīng)避免部分頂推螺釘卸載過(guò)多而導(dǎo)致其余頂推螺釘承載過(guò)大現(xiàn)象的發(fā)生，必須采用逐步卸載法。每次每個(gè)頂推螺釘均卸松1/4圈后，才能進(jìn)行第二次卸載。這一過(guò)程需重復(fù)2～3次。當(dāng)頂推螺釘載荷完全卸除后，可用手卸掉圓螺母和硬質(zhì)平墊即完成拆卸。

上述方法操作方便、安全可靠，預(yù)緊和拆卸過(guò)程雖然略顯繁瑣，但各螺釘受力一致，可避免個(gè)別頂推螺釘因過(guò)載而損壞，有效地降低主螺栓間載荷的離散程度，保證各部件受力均勻是大直徑螺栓緊固的最佳方法[13]。

4 與普通螺母對(duì)比

采用錘擊法預(yù)緊，即人工使用大錘敲擊扳手不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，安全風(fēng)險(xiǎn)高，而且預(yù)緊效果差，預(yù)緊力誤差高達(dá)70%[14]。使用頂推螺母組件預(yù)緊時(shí)，由于頂推螺釘所需力矩較小，憑數(shù)顯力矩扳手即可準(zhǔn)確控制頂推螺釘?shù)念A(yù)緊力，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了螺栓載荷分布的均勻性，其預(yù)緊精度可達(dá)98%，增加了燒嘴法蘭連接的可靠性和安全性。

頂推螺母組件采用純張力擰緊的方式，可為螺栓提供大而準(zhǔn)確的預(yù)緊載荷，減少了相鄰緊固件間載荷的不均勻性，保證了法蘭接頭不會(huì)意外松動(dòng)，避免了開(kāi)停車過(guò)程溫度、壓力波動(dòng)導(dǎo)致的法蘭連接泄漏，確保氣化爐設(shè)備一次開(kāi)車成功。

實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，使用普通螺母進(jìn)行人工緊固需要50 min才能緊固到位，人工體力耗費(fèi)大，且不能完全保證不泄漏。而將頂推螺母組件應(yīng)用在燒嘴法蘭上，僅需20 min左右即可完成緊固，且緊固效果良好，節(jié)約了50%的裝置開(kāi)車時(shí)間，極大地提高了車間生產(chǎn)效率。

頂推螺母組件采用純張力緊固，主螺栓第1道螺紋最大應(yīng)力降低了50%，有效地解決了現(xiàn)場(chǎng)安裝與拆卸過(guò)程中螺紋咬死的難題，提高了螺栓連接的疲勞壽命[15]。

頂推螺母組件采用力矩扳手，用較小的力矩進(jìn)行手工預(yù)緊，徹底解決了易燃、易爆場(chǎng)所作業(yè)的動(dòng)火安全生產(chǎn)隱患[16-19]。

安裝頂推螺母組件后的燒嘴法蘭現(xiàn)場(chǎng)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 安裝頂推螺母組件后的燒嘴法蘭

5 結(jié)語(yǔ)

2015-05裝置檢修期間，將氣化車間內(nèi)氣化爐燒嘴法蘭上的普通螺母更換為頂推螺母組件，泄漏問(wèn)題得到根本解決。在幾次拆卸、安裝、檢修氣化爐時(shí)均一次開(kāi)車成功。即使在壓力、溫度發(fā)生波動(dòng)的情況下，燒嘴法蘭也未曾發(fā)生過(guò)泄漏，不再需要二次或多次預(yù)緊，密封效果良好，給車間安全、高效生產(chǎn)帶來(lái)了良好的保障，具有廣泛的應(yīng)用和推廣前景。

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(許編)

ApplicationofNutAssemblieswithJackingBoltsintheGasificationFurnace

QIXiao-hui1,ZHANGLin2

(1.Inner Mongolia Huineng Coal Chemical Industry, Ordos 017000, China; 2.Jiangsu G-bolt Co. Ltd., Nanjing 211505, China)

Gasification furnace is the core equipment of coal gasification process unit. Because it often needs to be installed and removed during periodical maintenance of nozzle, nozzle flange joint of gasification furnace is prone to leak, which usually leads to big potential safety hazard. A patented product of nut assemblies with jacking bolts is introduced, designed by Jiangsu G-bolt Co. Ltd., which is applied in the nozzle flange joint of gasification furnace for the first time. The preload and pre-tightening torque of jacking bolts are calculated based on GB 150.1～150.4—2011,PressureVessels. The installation and removal procedures of the nut assemblies are expatiated and compared with ordinary hex nuts. After a year of field trials, the leakage problem of nozzle flange joint has been thoroughly resolved.

gasification furnace; nut assemblies with jacking bolts; preload; nozzle flange; leakage; application

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.011

1000-7466(2017)04-0058-05①

2017-02-26

祁曉輝(1972-)，男，陜西渭南人，副總工程師，學(xué)士，主要從事石化設(shè)備管理。