液壓扳手在法蘭緊固施工中的應(yīng)用

梁立國(guó)，邊 晨，武保安，刁鳳東

中國(guó)石油管道局工程公司，河北 廊坊

1.引言

法蘭螺栓連接是石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用的連接形式[1]，在沙特阿美公司哈拉德項(xiàng)目的輸氣站內(nèi)，2 inch 及2 inch 以上的閥門均采用法蘭連接。隨著我國(guó)國(guó)內(nèi)的油氣管道施工行業(yè)，法蘭螺栓的連接形式也逐步增多。為了避免法蘭連接處發(fā)生泄漏，需要對(duì)法蘭螺栓施加適合的預(yù)緊力，而恒定均勻的預(yù)緊力，需要采用液壓扳手通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒?，施加固定的力矩值?/p>

因此，學(xué)習(xí)好螺栓預(yù)緊力知識(shí)、熟練掌握液壓扭矩扳手操作性能、安全使用注意事項(xiàng)和維護(hù)與保養(yǎng)知識(shí)、安全合理地使用液壓扭矩扳手，可以省時(shí)、省力均勻施加在恒定扭矩螺栓上，快速且精確地完成工作任務(wù)[2]。

2.液壓扳手的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1.國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著液壓扳手的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，性能更加穩(wěn)定，使用更加方便，國(guó)內(nèi)石油化工、電力、礦山機(jī)械等各行各業(yè)都在逐步淘汰手動(dòng)拆裝螺栓方式，大力推廣液壓扳手拆裝螺栓方式，尤其是在石油化工行業(yè)，應(yīng)用液壓扳手進(jìn)行法蘭緊固已經(jīng)明確列入了強(qiáng)制性施工標(biāo)準(zhǔn)中。

在液壓扳手設(shè)備研究方面，隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，杜德機(jī)械、馬鞍山沃頓機(jī)械以及華北水利水電學(xué)院等國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究單位從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)設(shè)備，并努力開(kāi)展自主研發(fā)，使得液壓扳手的使用更加智能化，更促進(jìn)了液壓扳手在法蘭緊固方面的應(yīng)用。

2.2.國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

在國(guó)外，隨著螺栓直徑越來(lái)越大，對(duì)扭矩要求越來(lái)越精確，手工拆裝的難度越來(lái)越大，使用電動(dòng)扭矩液壓扳手已基本取代了傳統(tǒng)的手工拆裝。液壓扳手已應(yīng)用于汽車、輪機(jī)、水利水電、化工裝備、船舶和道路橋梁施工等眾多行業(yè)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[3]。

在設(shè)備技術(shù)研究方面，液壓扳手設(shè)備也在抓取特性、輕量化、連續(xù)擰緊和節(jié)能等關(guān)鍵技術(shù)方面不斷突破。美國(guó)Enerpac公司生產(chǎn)的鋼制中空液壓扳手包括六角驅(qū)動(dòng)盒、驅(qū)動(dòng)頭、旋轉(zhuǎn)接頭和反作用力臂等，可輸出最大扭矩達(dá)45,450 N·m，六角對(duì)邊尺寸范圍30～155 mm，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。美國(guó)HYTORC公司生產(chǎn)的AL-Ti 合金液壓扳手，采用TITAL399材料，其結(jié)構(gòu)“輕薄短小”，并且設(shè)有超壓釋放閥，具有較高安全性[5]。

3.液壓扳手的組成、分類與工作原理

液壓扳手屬于一種重工業(yè)大型機(jī)械螺栓螺母拆卸、預(yù)緊工具，以液壓為動(dòng)力，提供大扭矩輸出，用于螺栓的安裝及拆卸。在使用高強(qiáng)螺栓的大型機(jī)電設(shè)備、油氣化工行業(yè)的管件連接處、尤其是承受載荷及強(qiáng)烈沖擊振動(dòng)的位置大量應(yīng)用，不僅提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且極大的提高安裝質(zhì)量，也有利于現(xiàn)場(chǎng)安全管理。

3.1.液壓扳手的基本組成

液壓扳手是由液壓扳手工作部分、液壓泵、雙聯(lián)高壓油管、快速接頭及高強(qiáng)度套筒組成(見(jiàn)圖1)。

Figure 1.Composition of hydraulic wrench 圖1.液壓扳手組成

液壓扳手的工作部分可以分為動(dòng)力頭和工作頭(見(jiàn)圖2)，其中動(dòng)力部分包括油缸、活塞以及與高壓軟管的接頭部分，主要用于將液壓泵傳來(lái)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化到活塞動(dòng)力，工作頭主要包括機(jī)架、驅(qū)動(dòng)架以及棘輪等，將活塞的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為螺栓的扭矩。

3.2.液壓扳手的分類

液壓扳手有驅(qū)動(dòng)液壓扳手和中空液壓扳手兩大系列(見(jiàn)圖3)。

驅(qū)動(dòng)液壓扳手配合標(biāo)準(zhǔn)套筒使用，只要在扭矩范圍允許的情況下，可根據(jù)替換相應(yīng)的高強(qiáng)度套筒來(lái)完成不同規(guī)格的螺栓的緊固，適用范圍較廣。該類液壓扳手一般采用超高強(qiáng)的合金鋼制造，一體成型機(jī)身，全面加強(qiáng)機(jī)身強(qiáng)度，韌性可360°×180°旋轉(zhuǎn)的油管接頭，采用精密棘輪，精度可達(dá)±3%。

Figure 2.Head of hydraulic wrench 圖2.液壓扳手頭

Figure 3.RHD& RHW of hydraulic wrench 圖3.驅(qū)動(dòng)式和中空式液壓扳手

中空液壓扳手則是配備過(guò)渡套使用。一般為在螺桿伸出來(lái)比較長(zhǎng)、空間范圍比較小、雙螺母、螺栓間距太小、螺母與設(shè)備壁太小，或者一些特定的行業(yè)的疑難工況較多。

3.3.液壓扳手的基本工作原理

一套液壓扳手的動(dòng)力是由液壓泵提供，工作前，首先將扳手頭卡住螺母等緊固件，然后空載啟動(dòng)液壓泵，通過(guò)液壓閥控制液壓油的流動(dòng)方向、壓力和速度，并通過(guò)高壓油管傳送到液壓扳手頭的動(dòng)力部分(油缸)，再傳送到工作頭，轉(zhuǎn)化為扭矩。

液壓泵啟動(dòng)后，通過(guò)馬達(dá)產(chǎn)生壓力，將內(nèi)部的液壓油通過(guò)油管介質(zhì)傳送到液壓扳手，然后推動(dòng)液壓扳手的活塞桿，當(dāng)油缸的無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞桿伸出，推動(dòng)扳手頭逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于棘輪結(jié)構(gòu)的存在，使得扳手頭圍繞螺母轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，而螺母則保持不動(dòng)；當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞桿縮回，并帶動(dòng)扳手頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使得扳手頭帶動(dòng)螺母一起轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一次擰緊作業(yè)，重復(fù)上述操作，可完成緊固作業(yè)。

油缸中心到傳動(dòng)部件中心這個(gè)距離是液壓扳手放大力臂，油缸出力乘以力臂，就是液壓扳手理論輸出扭矩，由于摩擦阻力存在，液壓扳手實(shí)際輸出扭矩要小于理論輸出扭矩。

4.液壓扳手的使用方法

在石油化工行業(yè)的螺栓緊固安裝施工過(guò)程中，存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是工作環(huán)境都比較惡劣；二是螺栓數(shù)量多，使用量大；三是力矩值要求比較大，扳手長(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)。因此，如何正確使用液壓扳手，延長(zhǎng)液壓扳手的使用壽命，安全高效施工非常重要。下面，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，將安全使用方法總結(jié)如下：

4.1.準(zhǔn)備工作

1)工作之前檢查，檢查液壓扳手上的螺釘是否松動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)扳手觀察其功能是否良好。

2)檢查液壓泵油箱是否充滿液壓油，油管是否裂痕，快速接頭是否連接到位，鎖緊環(huán)是否安裝。

4.2.試運(yùn)轉(zhuǎn)

1)將扳手置于空地上。

2)啟動(dòng)液壓泵，檢查油泵運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

3)按住線控開(kāi)關(guān)，扳手方軸或棘輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，扳手到位停止轉(zhuǎn)動(dòng)，壓力表由“0”急速上升至調(diào)定壓力；松開(kāi)按鈕，扳手自動(dòng)回程，反復(fù)幾次，使扳手空轉(zhuǎn)幾次，觀察扳手轉(zhuǎn)向，以確定鎖緊和松拆運(yùn)行方向，無(wú)異常時(shí)，將方軸或者棘輪放置套筒上。

4.3.松拆與鎖緊

4.3.1.壓力調(diào)整

一手將線控開(kāi)關(guān)上按鈕按下，此時(shí)方軸或棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，扳手到位停止轉(zhuǎn)動(dòng)，壓力表由“0”急速上升，另一只手調(diào)整油泵調(diào)壓閥，調(diào)節(jié)壓力表中指針?biāo)鑹毫Α?/p>

4.3.2.松拆

將泵站壓力調(diào)到最高，確認(rèn)扳手轉(zhuǎn)向?yàn)椴鹚煞较?，將扳手放在套筒上，找好反作用支點(diǎn)，靠穩(wěn)，反復(fù)執(zhí)行第二項(xiàng)中第三條的動(dòng)作，直至將螺母拆下。

4.3.3.鎖緊

根據(jù)設(shè)計(jì)要求或者ASME B16.5的規(guī)定，設(shè)定不同螺栓的力矩值，同時(shí)還要考慮不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑系數(shù)。由于沙特阿美有自己的標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)沙特阿美的施工規(guī)范《法蘭螺栓接頭施工規(guī)范》（Bolted Flange Joints AssemblySAEP-351）來(lái)確定螺栓扭矩值[6]。具體方法如下：

1)首先，根據(jù)上述規(guī)范2017版本的附錄B，確定不同潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)。

2)根據(jù)上述規(guī)范2017版附錄表7-1，確定不同螺栓尺寸的扭矩。

3)由于液壓泵輸出的是壓力，而螺栓緊固需要的是扭矩，施工前，根據(jù)所需的力矩值及所用扳手型號(hào)來(lái)設(shè)定泵站的壓力，一般說(shuō)明書中有壓力和力矩的轉(zhuǎn)化表，以ENERPAC的W 系列為例(見(jiàn)表1)：

Table 1.Hydraulic pump pressure and wrench torque contrast 表1.液壓泵壓力和扳手扭矩對(duì)照

Continued

確定好鎖緊方向，根據(jù)力矩值調(diào)整好泵的輸出壓力，將方軸或棘輪安裝上套筒，按照試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)第3條的操作方式，進(jìn)行操作，直至螺母不再轉(zhuǎn)動(dòng)。

5.沙特地區(qū)液壓扳手常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

沙特阿拉伯常年氣溫較高，尤其是南部沙漠地區(qū)的夏季氣溫超過(guò)40℃，沙塵暴較多。沙特阿美的施工規(guī)范要求，螺栓尺寸超過(guò)1 inch，必須采用液壓扳手進(jìn)行螺栓緊固，因此，在這里進(jìn)行油氣管道和站場(chǎng)施工，需要大量使用液壓扳手，現(xiàn)根據(jù)沙特哈拉德項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)(見(jiàn)圖4)，將液壓扳手常見(jiàn)的問(wèn)題及解決辦法進(jìn)行了總結(jié)歸納。

Figure 4.Tightening the bolts 圖4.螺栓緊固施工

5.1.常見(jiàn)問(wèn)題及解決辦法

5.1.1.液壓泵不能加壓

主要原因有以下幾個(gè)方面，①濾油器堵塞；②高壓軟管堵塞；③釋放閥門有缺陷；④液壓油太少。

由于沙特南部的沙漠地區(qū)，常年風(fēng)沙較大，在野外施工期間，經(jīng)常會(huì)有沙子進(jìn)入油管，堵塞濾油器或者軟管，導(dǎo)致液壓泵不能損壞，或者儀表盤不能損壞，主要的解決方法如下：①注意對(duì)液壓泵的保護(hù)，必要時(shí)，做一個(gè)臨時(shí)的防護(hù)罩，對(duì)液壓泵進(jìn)行保護(hù)；②將液壓泵放置在陰涼處，溫度較高時(shí)，設(shè)置一個(gè)冰桶，將液壓泵放置在冰桶內(nèi)，效果更好；③高壓軟管的快速接頭避免直接接觸地面，拆卸時(shí)，注意對(duì)接口處進(jìn)行保護(hù)；④由于溫度高，液壓油消耗相對(duì)較多，每周檢查一次，并及時(shí)補(bǔ)充。

5.1.2.液壓扳手漏油

主要原因有以下幾個(gè)方面，① 動(dòng)力頭的油缸密封圈、活塞密封圈磨損；②操作不當(dāng)，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭松動(dòng)。

持續(xù)高溫，持續(xù)工作條件導(dǎo)致液壓扳手經(jīng)常漏油，主要的解決方法如下：①避免高溫條件下，長(zhǎng)時(shí)間工作，導(dǎo)致密封圈磨損嚴(yán)重；②注意對(duì)液壓扳手的保護(hù)，避免扳手頭直接放置在沙土地面；③縮短更換液壓油的周期，注意液壓油的清潔，防止液壓油內(nèi)有沙土、鐵屑等雜物，加速密封圈的磨損；④液壓扳手操作人員，必須提前培訓(xùn)，取得操作證，方可上崗，避免操作不當(dāng)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)頭損壞。

5.1.3.棘輪不轉(zhuǎn)動(dòng)

主要原因有以下兩個(gè)方面：①棘輪齒或棘輪爪內(nèi)油污和沙土鐵屑太多；②驅(qū)動(dòng)架或棘輪破裂損壞。

造成棘輪破壞的原因主要是操作不當(dāng)，施加壓力時(shí)，扳手頭放置的方向不平衡，導(dǎo)致棘輪架受力集中。在沙特哈拉德項(xiàng)目，出現(xiàn)頻率最高的原因是棘輪齒內(nèi)油污太多，因此，應(yīng)采取以下措施：①在施工時(shí)，避免在風(fēng)沙太大環(huán)境中施工，避免將扳手放在沙土地面上；②施工完畢后，注意將扳手頭保存好；③定期對(duì)油污進(jìn)行清理。

5.2.安全使用與維護(hù)

5.2.1.安全使用

液壓扳手以液壓為動(dòng)力，最大輸出扭矩可達(dá)11,000 N·m，效率高，使用方便，但由于使用范圍廣，使用環(huán)境復(fù)雜，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)施工中，必須注意安全，根據(jù)輸油氣管道站場(chǎng)施工的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下：

1)選用合適型號(hào)的液壓扳手；

2)使用前，必須認(rèn)真檢查，對(duì)液壓油、油管接頭、鎖緊環(huán)及連接螺釘?shù)日J(rèn)真查看；

3)在操作前，確認(rèn)液壓泵周圍以及需要緊固的螺栓周圍沒(méi)有非操作人員；

4)操作時(shí)，需要至少兩個(gè)人，隨時(shí)監(jiān)視液壓泵站。

5.2.2.維護(hù)保養(yǎng)

液壓扳手屬于精密類的工具，正確的使用和保養(yǎng)，是確保液壓扳手能夠正常工作和延長(zhǎng)使用壽命的唯一途徑，因此在采購(gòu)液壓扳手后，首先要認(rèn)真閱讀使用說(shuō)明，并安排操作人員到廠家或有資質(zhì)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)，取得操作資格證(見(jiàn)圖5)，并做到以下幾點(diǎn)：

Figure 5.Certificate of operator 圖5.操作資格證照片

1)使用過(guò)程中避免強(qiáng)力撞擊和磕碰；

2)使用過(guò)程中，避免酸堿性物資腐蝕，使用后，放置在專門的工具箱內(nèi)保存，長(zhǎng)期保存，需要涂抹防銹油；

3)使用過(guò)程中，避免過(guò)度折彎液壓油管；

4)當(dāng)液壓泵溫度過(guò)高時(shí)，需要停機(jī)休息，降溫后再進(jìn)行使用；

5)經(jīng)常采用二硫化鉬對(duì)部件進(jìn)行潤(rùn)滑，在惡劣環(huán)境中施工，要經(jīng)常清洗扳手和加潤(rùn)滑油；

6)經(jīng)常清洗，變臟的油管和接頭，放置雜質(zhì)進(jìn)油液壓油泵。

6.總結(jié)

液壓扭矩扳手作為一種大直徑螺栓的裝配工具具有很多優(yōu)點(diǎn)，如輸出扭矩大、使用方便、能夠在狹窄的空間范圍內(nèi)使用且能夠比較準(zhǔn)確控制預(yù)緊扭矩的大小等[7]。

目前，各行各業(yè)的法蘭緊固基本都已經(jīng)不再應(yīng)用傳統(tǒng)的人工拆卸方式，隨著各種大型基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的發(fā)展，螺栓強(qiáng)度越來(lái)越高，沖擊振動(dòng)負(fù)荷越來(lái)越大，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，施工人員深入理解液壓扳手的原理，正確使用和保養(yǎng)才能提高設(shè)備的利用率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。