磺化器壓盤螺栓專用定力矩緊固工具解決裝配問題

林 豐

（中國石油大慶煉化公司化工生產(chǎn)二部，黑龍江大慶 163700）

0 引言

磺酸鹽作業(yè)區(qū)磺化器由于正常生產(chǎn)中結(jié)焦情況較為嚴(yán)重，所以切換清洗作業(yè)較為頻繁，每5 d 切換一次。每次拆裝回裝過程中，壓盤上的120 枚壓緊螺栓需逐一緊固，以往通常是靠普通扳手操作完成的。由于壓盤面積較大，螺栓均布于整個壓盤，每顆螺栓周圍均有其他螺栓孔分布，緊固環(huán)節(jié)用普通工具作業(yè)無法精確掌控力矩。緊固力矩不夠，單枚螺栓漏油，單枚緊固過度容易導(dǎo)致周圍螺栓松脫，加劇泄漏，費時費力且需反復(fù)調(diào)整，既延長作業(yè)時間又無法確保安裝質(zhì)量[1]?？紤]到在精確配合的情況下，每枚壓盤螺栓的載荷是均衡的，作業(yè)區(qū)技術(shù)人員借助定力矩緊固技術(shù)可以實現(xiàn)螺栓載荷的均衡有效，提高磺化器壓盤裝配質(zhì)量。

1 問題分析

壓盤通過螺紋作用在每一枚壓緊螺栓上的軸向壓緊力是確保壓緊密封效果的關(guān)鍵，而軸向壓緊力是通過作業(yè)中的緊固力矩提供的。緊固力矩經(jīng)由扳手施加，因整個壓盤上全部壓緊螺栓規(guī)格一致，所以螺栓的軸向預(yù)緊力值正比于緊固力矩，或者說在整套裝配件（壓緊螺栓、密封墊圈、壓盤螺紋孔）規(guī)格一致時，相同作業(yè)條件下滿足生產(chǎn)進油無泄漏所需的緊固力矩是一致的定值。也就是說，作業(yè)過程中的預(yù)緊力大小決定了緊固力矩大小，進而決定了裝配是否成功、符合安全生產(chǎn)要求。

為增強壓盤壓緊螺栓與螺孔配合的緊密性，防止松動，以前是逐個螺栓反復(fù)用力緊固，保證壓緊效果。但是緊力矩過大會損壞螺紋，螺紋連接就會失效，尤其是密封聯(lián)接的情況下，螺栓使用過程擰緊力矩過大，墊圈受壓過程密封時會被壓死從而去彈性，螺紋也會受到損傷，但擰緊力矩過小就達不到緊固密封的作用。合適的擰緊力矩對可以有效強化螺栓的壓緊密封效果，同時延長螺紋和密封墊圈的使用壽命。

2 解決措施

為減輕工作壓力，同時提高作業(yè)效率，作業(yè)區(qū)制作了專用緊固力矩扳手。該扳手通過專用連接件連接力矩扳手與專用緊固工具，再使用扳手對緊固工具施加扭矩，當(dāng)螺栓上緊到一定力矩值后，力矩套筒內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)打滑，停止對螺栓繼續(xù)施力。實現(xiàn)了精確控制緊固力矩，保證在每一枚螺栓上施加的力相同，確保緊固效果，減少泄漏問題，在實踐過程中反響較好。

3 工具原理

在實際作業(yè)中，定力矩扳手能精確地限定被壓盤作用到墊圈上的壓緊力，可靠確?；腔鲏罕P裝配的完成（圖1）。

圖1 定力矩扳手

將定力矩套筒中間軸下端的內(nèi)六角槽插入專用連接件的六角螺栓頭中，然后將專用連接件的定位銷插入磺化器壓盤鎖緊螺母中，底部的4 條條形楔嵌入螺母槽中，然后擰緊扳手對螺栓施加扭矩（圖2～圖4）。當(dāng)螺栓擰緊到設(shè)定扭矩值時，套筒內(nèi)的機械結(jié)構(gòu)會滑動，并停止向螺栓施加力。3 組彈簧將金屬球擠壓進中心軸的凹槽。當(dāng)扭矩過大時，中心軸坑與金屬球之間的接觸力增加，沿壓縮彈簧方向的分力也會增加，彈簧被壓縮，金屬球從凹槽中分離，使連接螺栓的中心軸相對于殼體滑動，實現(xiàn)定力矩緊固。定力矩扳手也可以使用蝸輪機構(gòu)調(diào)整蝸輪齒圈。蝸輪齒圈的內(nèi)側(cè)是一個凸輪，當(dāng)蝸桿帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)時凸輪擠壓外金屬球、調(diào)節(jié)彈簧的壓縮，實現(xiàn)卸載扭矩的微調(diào)[2]。

圖2 套筒

圖3 專用連接件

4 工具優(yōu)點

專用工具的花狀套筒可以擴大的圓滑接觸面，更好地適配螺帽，提高作業(yè)過程中的容錯率和工作效率。擴大的圓滑接觸面確保了扭矩可以統(tǒng)一、可靠地傳遞到螺栓頭部，大大減小對螺栓頭部的損壞。連接頭有如下優(yōu)點：

（1）易于抓取螺母頭，對螺栓尺寸與公差范圍容錯率較高。

（2）作業(yè)中便于力均勻分布于螺栓頭部，減少工具對表面的影響，減少施力打滑情況。

（3）從連接件到手柄扭矩傳遞平穩(wěn)，提高了對螺栓頭部的磨損的容錯率，減少扭矩傳遞不到位導(dǎo)致的螺栓不能跟隨工具導(dǎo)致的打滑空轉(zhuǎn)情況。

（4）優(yōu)化動力分配，實現(xiàn)高效率扭矩傳輸，通過把力卸在螺栓六角頭側(cè)面，減輕點對點壓力對螺栓頭部的破壞。

5 效果驗證

壓盤裝配作業(yè)要保證壓緊螺栓的定力矩緊固效果，必須提前做好緊固作業(yè)擰緊扭矩的數(shù)值確定。

5.1 受力分析

5.1.1 扭矩

扭矩M=FL，其中F、L 表示作用力和力臂長度，則M=30×0.15=45 N·m，M1=30×0.3=90 N·m（圖5）。

圖5 力和力臂對扭矩的影響

在實際作業(yè)緊固過程中，作業(yè)人將力矩扳手力矩定為90 N·m。壓緊螺栓通過壓盤螺紋的反作用力將壓緊力作用到密封墊圈上，實現(xiàn)密封（圖6、圖7）。

圖6 M45 壓緊螺栓和密封墊圈

圖7 壓緊螺栓與壓盤配合示意

5.1.2 軸向力

緊固扭矩T=kdF，其中F 和預(yù)緊力（以下稱為軸向力）d、k表示螺絲公稱直徑和扭矩系數(shù)。實際擰緊時，施加的軸向力應(yīng)根據(jù)壓盤和螺栓表面的表面粗糙度而變化，選擇扭矩系數(shù)應(yīng)考慮這些因素。k 不是恒定的，通常為0.15～0.20。對于常拆裝清理的磺化器，最終確定k=0.2。

壓盤上M45 壓緊螺栓的擰緊扭矩為90 N·m，k=0.2 時軸向力F=T/kd=90/（0.2×0.045）=10 000 N。

以90 N·m 的扭矩擰緊壓緊螺栓時，產(chǎn)生的軸向力為10 000 N，能夠滿足布油腔密封的需求。

5.2 驗證強度

根據(jù)螺栓的預(yù)緊力計算公式：

式中 As——螺栓在螺紋處的有效橫截面積，mm2[3]

σ0——60 ℃時螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa

壓緊螺栓外徑為45 mm，計算可得Q0＝137×1590×10-3=217.8 N·m。

由經(jīng)驗可知，布油腔作用于墊圈油壓遠(yuǎn)小于螺栓預(yù)緊力，所以僅需要確保每一枚螺栓緊固力矩等于Q0即可確保密封效果。

6 注意事項

在實際作業(yè)中，因磺化器壓盤壓緊螺栓裝配不同于常規(guī)螺栓連接，其實際作用力為壓緊力而非拉伸力，所以緊固作業(yè)需要選用專業(yè)的作業(yè)人員，防止作業(yè)中出現(xiàn)錯誤操作問題，降低裝配質(zhì)量和效率。在作業(yè)前需查看螺栓與壓盤螺紋孔之間螺紋副的咬合情況，確認(rèn)螺紋孔與壓緊螺栓是否存在螺紋失效等情況，同時需要確認(rèn)墊圈是否合格、滿足密封需求，如果存在上述問題，即使定力矩緊固合規(guī)，仍難以保證裝配質(zhì)量。所以，作業(yè)前需檢查墊片的規(guī)格及材料，并判定分析螺栓初步力矩大小，分析力矩大小是否合適，既不能因為緊固力矩過小導(dǎo)致連接不到位，也不因為緊固力矩過大造成螺栓根部損傷墊圈導(dǎo)致密封失效。具體作業(yè)中，需結(jié)合扭矩值大小分析選定扳手的型號和扳手力矩的最小值和最大值。在選定扳手的過程中，需要確定實際可以選定的型號。根據(jù)扭矩值選定所用的扭矩扳手，應(yīng)保證扭矩值在選定扳手的能力范圍在30%～70%，保證扭矩輸出的精準(zhǔn)度。

7 結(jié)束語

綜上所述，確保磺化器壓盤裝配壓緊螺栓緊固作業(yè)質(zhì)量，加強對預(yù)緊力的控制十分重要。在裝配作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)作業(yè)進度嚴(yán)格把控每一枚壓緊螺栓的定力矩緊固。同時，因每次作業(yè)存在磨損等情況，每次作業(yè)完成后到下次作業(yè)前，需重新確認(rèn)緊固力矩，逐步提升壓盤裝配作業(yè)定力矩緊固的操作標(biāo)準(zhǔn)水平，以確保定力矩緊固專用設(shè)備在裝置裝配作業(yè)中的有效使用。