拉伸墊圈在柴油加氫裝置法蘭緊固上的應(yīng)用

(中海油東方石化有限責(zé)任公司,海南 東方 572600)

1 裝置所用法蘭和螺栓概況

柴油加氫裝置的高壓部分包括上流式反應(yīng)分離器、循環(huán)泵系統(tǒng)、高壓換熱器、反應(yīng)進(jìn)料系統(tǒng)及氫氣壓縮機(jī)系統(tǒng)等部分。高壓部分采用環(huán)形法蘭和金屬墊片密封。高壓法蘭公稱直徑為150～300,特別是DN250和DN300法蘭，所用螺栓尺寸大、數(shù)量多，其中DN300的法蘭螺栓數(shù)量就有16條。高溫高壓法蘭一旦泄漏，高溫高壓、易燃易爆的介質(zhì)就會泄漏著火，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆炸，危害極大。

2 法蘭泄漏原因

法蘭泄漏除了墊片選用不正確，法蘭有缺陷或腐蝕，安裝時(shí)墊片和環(huán)形法蘭間有雜質(zhì)等原因外，主要還有以下兩個(gè)原因引起。

2.1 預(yù)緊力不正確

法蘭連接系統(tǒng)主要由兩邊法蘭、墊片、螺栓和螺母組成。螺栓將法蘭和墊片緊緊的連接在一起，從而產(chǎn)生預(yù)緊力。施加在螺栓上的預(yù)緊力必須滿足墊片密封所需要的比壓力。預(yù)緊力過小，達(dá)不到密封效果，法蘭處就會發(fā)生泄漏;預(yù)緊力過大，墊片失去彈性，法蘭處也會發(fā)生泄漏。

2.2 預(yù)緊力不均勻

法蘭是由多條螺栓緊固的，如果每條螺栓間施加的預(yù)緊力不均勻,法蘭很難平行閉合。在裝置開停工過程中螺栓發(fā)生了熱膨脹從而降低了螺栓的拉緊力，這樣預(yù)緊力大的螺栓還能照樣保證此方位法蘭不泄漏，預(yù)緊力小的螺栓在熱脹冷縮后，拉緊力降低,法蘭易泄漏。

3 螺栓的緊固方式

現(xiàn)代的石化企業(yè)有越來越多的緊固工具可供選擇，如風(fēng)動(dòng)扳手、液壓扳手、拉伸墊圈及其專用的液壓定矩扳手等。但由于柴油加氫裝置壓力高、溫度高、開停工時(shí)法蘭溫差變化大,風(fēng)動(dòng)扳手和液壓扳手在柴油加氫裝置高壓法蘭部位有其缺陷性，所以柴油加氫高溫高壓法蘭部位的法蘭選用拉伸墊圈及其特有的液壓定矩扳手作為緊固工具。

3.1 風(fēng)動(dòng)扳手

風(fēng)動(dòng)扳手有以下優(yōu)點(diǎn)：安全防爆、扭矩大、質(zhì)量輕、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維修方便等。但風(fēng)動(dòng)扳手無法提供一個(gè)精確的扭矩，存在著預(yù)緊力過大或者過小的問題，且風(fēng)動(dòng)扳手只有一個(gè)扳頭，無法實(shí)現(xiàn)同步緊固，只能一個(gè)螺栓一個(gè)螺栓地緊固，對于多螺栓的法蘭，當(dāng)一個(gè)螺栓緊完一圈時(shí)，原先開始緊固的螺栓又松開了，這樣反復(fù)緊幾輪才能把所有螺栓緊固，且每個(gè)螺栓施加的扭矩不一樣，無法實(shí)現(xiàn)均勻緊固。

3.2 液壓扳手

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)具體積小、出力大，可精確設(shè)定施加的扭矩。對大規(guī)格螺栓、狹小空間螺栓等應(yīng)用優(yōu)勢明顯，理論上可精確控制扭矩,得到精確的螺栓預(yù)緊力。

缺點(diǎn)：容易偏載，摩擦力不可控。

六角套筒與螺母相結(jié)合，在液壓扳手的驅(qū)動(dòng)下，克服螺紋副及螺母轉(zhuǎn)動(dòng)面的摩擦力，使螺母沿著螺旋線向下不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉伸螺栓產(chǎn)生預(yù)緊力。但是在緊固過程中必須將液壓扳手固定在一個(gè)支點(diǎn)上，這樣不僅會產(chǎn)生偏載，且緊固過程中產(chǎn)生偏載時(shí)螺栓的運(yùn)動(dòng)方向不是相對豎直向上，而是帶有一定角度的傾斜，由此造成的摩擦力變化未知，這樣表面上每根螺栓都施加固定的預(yù)緊力，但由于偏載原因每條螺栓的預(yù)緊力會變得不一樣，法蘭就不會平行貼合。同時(shí)偏載還會使螺栓發(fā)生咬牙現(xiàn)象。偏載時(shí)螺母和螺牙的咬合情況見圖1。

圖1 偏載時(shí)螺母和螺牙的咬合情況

3.3 拉伸墊圈

3.3.1 拉伸墊圈結(jié)構(gòu)

拉伸墊圈由外圈和內(nèi)圈組成，內(nèi)圈的螺牙規(guī)格和被緊固的螺栓螺牙規(guī)格一致，內(nèi)圈采用過盈配合液壓擠壓進(jìn)去，不會和外圈發(fā)生環(huán)向位移。在螺栓緊固過程中內(nèi)圈的作用是緊緊和螺桿嚙合咬住，防止螺桿在向上拉長過程中發(fā)生偏移，保證法蘭在緊固過程中螺桿只作豎直的拉長，不會發(fā)生偏移，從而不會產(chǎn)生偏載。外圈朝向法蘭一面上刻有許多長條狀條紋，作用是在緊固過程中不發(fā)生周向移動(dòng)，緊固完成后承受螺栓預(yù)緊力。拉伸墊圈結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 拉伸墊圈結(jié)構(gòu)

3.3.2 拉伸墊圈的特點(diǎn)

(1)在緊固過程中，內(nèi)圈死死地和螺桿咬合，螺栓不會發(fā)生擺動(dòng)，只作豎直向上運(yùn)動(dòng)，使得拉伸墊圈工具施加的扭矩力更加精確地作用在螺桿上。

(2)拉伸墊圈在緊固過程中使用專用的扳手，不需要額外的支點(diǎn)，依靠獨(dú)特設(shè)計(jì)的雙層套筒和拉伸墊圈外圈專有的設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)緊固，緊固過程不會產(chǎn)生偏載。緊固過程示意見圖3。

圖3 拉伸墊圈緊固過程示意

(3)由于沒有偏載，緊固時(shí)每條螺栓均能獲得精確的扭矩值，實(shí)現(xiàn)法蘭平行緊固。

(4)緊固過程可以用兩個(gè)扳手或者四個(gè)扳手同時(shí)緊固，實(shí)現(xiàn)同步緊固。

4 拉伸墊圈緊固過程

4.1 確認(rèn)螺栓預(yù)緊力

以M52的螺栓為例,其工作參數(shù)如下：法蘭上有M52×3的雙頭螺栓40條，有效長度約580 mm，螺母厚度34 mm,螺栓材料35CrMoA(10.9級強(qiáng)度等級);法蘭密封面外徑1 127 mm，八角墊片，密封面寬度32 mm，法蘭總厚度546 mm;封頭工作壓力6 MPa，試壓壓力10 MPa，工作溫度160 ℃，安裝溫度25 ℃。

4.1.1 計(jì)算螺栓緊固所需的預(yù)緊力

預(yù)緊力F=F1+F2+F3

(1)

式中:F1為補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力；F2為克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力；F3為設(shè)備工作時(shí)保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力。

利用文獻(xiàn)[1]查找計(jì)算公式，利用文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]查找相關(guān)參數(shù)，計(jì)算可得：F1=39.059 kN,F2=221.868 kN,F3=116.961 kN。所需預(yù)緊力F=39.059+221.868+116.961=377.888 kN。

4.1.2 密封墊最小預(yù)緊力比壓校核

查看墊片系數(shù)參考值，密封墊為八角墊，密封面寬度為32 mm，則墊片系數(shù)m=4.25,預(yù)緊比壓y=70 MPa。

保證不泄漏每個(gè)螺栓需要的預(yù)緊力為F0。

F0=yA/X=192.54 kN

F>F0,按F預(yù)緊力緊固后，比壓校核通過。

4.1.3 螺栓強(qiáng)度校核

螺栓材料35CrMoA(10.9級強(qiáng)度等級)，螺栓規(guī)格M52×3，查文獻(xiàn)[2]可知，材料的屈服強(qiáng)度σs=930 MPa。

計(jì)算所得螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的螺栓應(yīng)力為：

σ=F/A1=198.879 MPa

σ/σs=21.38%

計(jì)算結(jié)果表明，螺栓處于屈服強(qiáng)度的21.38%，緊固完成后螺栓仍然非常安全。

4.1.4 緊固螺栓需要的扭矩

采用HYTORC拉伸的載荷技術(shù)無側(cè)向偏載緊固螺栓，螺栓預(yù)緊力對應(yīng)的扭矩可計(jì)算得出：

扭矩T=2fr=(F×螺母系數(shù))K·2r

=3 144.028 Nm

式中：r為螺栓的半徑;K為螺栓與螺母間摩擦系數(shù)。

4.2 確認(rèn)液壓定矩扳手油泵壓力

上述計(jì)算出來的M52螺母的扭矩為T=3 144.028 Nm，根據(jù)凱特克液壓扭力扳手型號，查找扳手液壓扭矩對照表，可以查出液壓扭矩扳手油泵壓力設(shè)定值。

4.3 緊固注意事項(xiàng)

(1)準(zhǔn)備好螺栓。由于額外安裝拉伸墊圈在螺桿上，所以螺桿的長度要比正常的長約30 mm。

(2)準(zhǔn)備高溫防咬合劑。將每條螺栓兩端都抹上高溫防咬合劑，防止拆卸困難。

(3)準(zhǔn)備好合格的墊片。拉伸墊圈的墊片最好選用新墊片，檢查環(huán)形法蘭有沒有受損，檢查并清理環(huán)形圈里的雜質(zhì)。

(4)將墊片裝在法蘭間，穿好螺栓，用手動(dòng)扳手將螺母對稱均勻擰上。檢查法蘭四個(gè)方向間隙是否均勻。

(5)拉伸墊圈緊貼著法蘭，普通螺母安裝在拉伸墊圈上。首先用手動(dòng)梅花扳手將普通螺母對稱均勻擰緊，保證法蘭間的間隙均勻，其次用手動(dòng)扳手初步緊固，最后再用拉伸墊圈液壓扳手分步緊固到位。

5 結(jié) 語

拉伸墊圈在柴油加氫高溫高壓法蘭緊固上的應(yīng)用是可行的。它不僅能使高溫高壓法蘭在正常生產(chǎn)時(shí)保持不泄漏，還能在裝置開停工、法蘭溫度劇烈波動(dòng)下使高溫高壓法蘭不泄漏，保障了裝置的安全、環(huán)保及長周期運(yùn)行。