開(kāi)展扭矩化管理，實(shí)現(xiàn)法蘭無(wú)泄漏

蔣利強(qiáng)

中石化寧波工程公司 浙江寧波 315103

根據(jù)美國(guó)圣哲環(huán)境咨詢(xún)公司的統(tǒng)計(jì)，約有95%的石油化工裝置的泄漏來(lái)源于法蘭泄漏。英國(guó)UKOOA針對(duì)失效的法蘭開(kāi)展了一項(xiàng)調(diào)查，統(tǒng)計(jì)造成泄漏的原因，發(fā)現(xiàn)其中81%的法蘭泄漏是由于不正確的螺栓預(yù)緊力造成的[1]。隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展扭矩化管理，保持均勻、持續(xù)、有效的螺栓預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)法蘭零泄漏，成為十分現(xiàn)實(shí)和緊迫的任務(wù)。

1 開(kāi)展法蘭扭矩化管理的必要性

1.1 法蘭泄漏原因分析

導(dǎo)致法蘭泄漏的因素有很多，主要取決于以下幾個(gè)方面：（1）法蘭的運(yùn)行操作工況；（2）法蘭及緊固件的準(zhǔn)確選擇與適配性；

（3）密封面的形式及精度（光潔度和平整度）；

（4）密封件的正確選擇與合格率；

（5）螺栓預(yù)緊力的準(zhǔn)確性、均勻性及持續(xù)有效性。

因?yàn)?1%的法蘭泄漏是由于不正確的螺栓預(yù)緊力造成的[2]。所以，螺栓預(yù)緊力是影響法蘭嚴(yán)密性的最核心、最重要的因素，也是把控的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2 影響螺栓預(yù)緊力的因素

1.2.1 螺栓預(yù)緊力與有效扭矩的關(guān)系

螺栓預(yù)緊力與有效扭矩的關(guān)系可以由式（1）表達(dá)：

有效扭矩（Nm）=預(yù)緊力(kN)×螺栓直徑（mm）×K （1）

由式（1）可以推出：

預(yù)緊力(kN)=有效扭矩（Nm）/[螺栓直徑（mm）×K] （2）

式中：K——扭矩系數(shù)（一般推薦值為 0.08～0.16）

從式（2）可以發(fā)現(xiàn)，影響螺栓預(yù)緊力的因素主要為有效扭矩和扭矩系數(shù)K值，而且，扭矩系數(shù)的取值范圍比較寬泛，導(dǎo)致預(yù)緊力將隨之發(fā)生很大波動(dòng)。所以，要想使所有螺栓副均獲得精準(zhǔn)、均勻的預(yù)緊力，絕非易事。

1.2.2 影響有效扭矩的主要因素

影響有效扭矩的主要因素包括：

（1）預(yù)緊工具輸出的扭矩精度；

（2）預(yù)緊工具輸出的重復(fù)精度；

（3）螺栓副有效力矩精度；

（4）扭矩獲取的方式。

預(yù)緊工具輸出的扭矩精度、重復(fù)精度以及螺栓副有效力矩精度，均與選擇的扭矩獲取方式（緊固方式）緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的扭矩獲取方式及其特點(diǎn)如下：

1.2.2.1 同心擰緊法

擰到螺栓副上的扭矩，相對(duì)于工具提供的扭矩來(lái)說(shuō)損耗小。工具輸出的所有扭矩都施加到螺栓副上，可獲得較高的有效力矩精度。但是，工具本身輸出的扭矩精度低、重復(fù)性差。

以典型的液壓螺栓拉伸器為例，其存在可控性不理想的缺陷，表現(xiàn)在：

（1）雖然待擰緊螺桿上的拉伸力相同，但各螺栓副上的最終預(yù)緊力大小取決于鎖緊螺母的鎖緊扭矩。液壓螺栓拉伸器的鎖緊扭矩可控性低，導(dǎo)致了預(yù)緊力偏差大（可以達(dá)到幾倍的偏差）。

（2）螺栓副處的螺紋和螺母底平面與法蘭表面均未被載荷擠壓過(guò)，接觸面的粗糙度較大，當(dāng)載荷施加到這些面上時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致螺栓副預(yù)緊力下降，且不可控制。

（3）操作不當(dāng)時(shí)，還有過(guò)拉伸的可能，使螺桿產(chǎn)生塑性變形，強(qiáng)度下降，并使密封件過(guò)壓縮，發(fā)生塑性變形，失去回彈力，導(dǎo)致密封失效。

1.2.2.2 偏載擰緊法

工具本身輸出的扭矩精度高，重復(fù)精度高。由于存在偏載力矩，當(dāng)工具輸出扭矩作用到螺栓副上時(shí)，使得螺栓副預(yù)緊力偏載很大，從而降低有效力矩。

以典型的液壓扭矩扳手為例，存在可操作性方面的缺陷，包括：

（1）由于液壓扭矩扳手本體體積小、重量輕，無(wú)法支撐其旋轉(zhuǎn)螺栓副產(chǎn)生的反作用力，必須把反作用力支撐到其他可靠的支點(diǎn)上，從而產(chǎn)生偏載，且偏載力的大小無(wú)法計(jì)算和控制。即使液壓扭矩扳手可保證±3%的重復(fù)精度，但作用到螺栓副上的扭矩會(huì)有高達(dá)20%以上的偏差。

（2）由于扭矩系數(shù)K值變化大，有時(shí)偏差甚至達(dá)幾倍，用液壓扭矩扳手很難保證螺栓預(yù)緊力的精確性、一致性。

可見(jiàn)，兩種傳統(tǒng)方法各有特色，也各有局限。有效扭矩的獲取并持續(xù)保持的難度較大。

1.2.3 影響扭矩系數(shù)的主要因素

影響扭矩系數(shù)K值的主要因素包括：

（1）螺紋副的摩擦系數(shù)；

（2）螺母下表面與法蘭安裝孔表面的摩擦系數(shù)；

（3）螺栓的回彈系數(shù)；

（4）螺栓的擰緊速度。

扭矩系數(shù)K值理論推薦范圍為0.08～0.16，即在給定有效扭矩的情況下，K值的理論變化也可達(dá)到近2倍的偏差，實(shí)際應(yīng)用中甚至?xí)?倍以上偏差。其中，螺母下表面與法蘭安裝孔表面的摩擦系數(shù)占整個(gè)影響因素的70%以上，對(duì)扭矩系數(shù)有絕對(duì)影響力。

綜上所述，導(dǎo)致法蘭泄漏的關(guān)鍵因素是螺栓預(yù)緊力，而又以有效扭矩及扭矩系數(shù)K值最為核心。因此，開(kāi)展法蘭扭矩化管理十分必要。

2 開(kāi)展法蘭扭矩化管理的緊迫性

隨著新一輪特大型石化一體化項(xiàng)目的陸續(xù)上馬，尤其是浙江石化、大連恒力、煙臺(tái)裕龍、連云港盛虹等巨無(wú)霸的急速擴(kuò)張，將使高參數(shù)、大尺寸法蘭使用數(shù)量大幅增加，其工期之緊、要求之高、難度之大超乎想象。例如，僅浙江石化一期的乙烯和芳烴聯(lián)合裝置就有105000對(duì)法蘭；鎮(zhèn)海煉化一套260萬(wàn)t/a沸騰床渣油加氫裝置也有29000對(duì)法蘭，其中還有不少特殊法蘭，對(duì)裝配要求極為苛刻，稍有不慎就無(wú)法達(dá)到密封要求。由于許多法蘭是美國(guó)進(jìn)口的新型法蘭，緊固工藝包括密封面質(zhì)量評(píng)定、螺栓扭矩值設(shè)定、裝配緊固流程等都沒(méi)有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也沒(méi)有可供借鑒的裝配經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)法蘭裝配的能力和水平提出了前所未有的考驗(yàn)。

對(duì)大型化、一體化、智能化的特大型聯(lián)合石化企業(yè)而言，因系統(tǒng)龐大復(fù)雜，上下游耦合緊密，往往觸一發(fā)動(dòng)全身。一旦泄漏，因連鎖反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)疊加，后患無(wú)窮。另一方面，隨著原油加工種類(lèi)的不斷增多，高硫高酸原油的比例不斷上升，使裝置（設(shè)施）檢修周期不斷縮短。特別是隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)厲、民眾環(huán)保期望日益高漲，對(duì)年代久遠(yuǎn)老舊裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿運(yùn)行提出了苛刻的要求。這些，都對(duì)法蘭無(wú)泄漏提出了迫切需要。

因此，開(kāi)展法蘭扭矩化管理已十分緊迫。

3 開(kāi)展法蘭扭矩化管理面臨的困難及挑戰(zhàn)

3.1 理念意識(shí)的更新

為實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏目標(biāo)，需要按照ASME PCC-1-2013《壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PCC-1指南)指導(dǎo)法蘭裝配，使法蘭連接具有與焊接連接同樣的可靠性。顯然，舊有的裝配理念亟待轉(zhuǎn)變。

3.2 專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍的配備

PCC-1指南將合格裝配人員分為三級(jí)，分別是螺栓緊固專(zhuān)家、高級(jí)螺栓緊固專(zhuān)家和螺栓緊固指導(dǎo)者。目前，絕大部分工程建設(shè)企業(yè)配備的緊固專(zhuān)業(yè)管理人員和作業(yè)人員尚有不少差距，特別是裝配工存在人員流動(dòng)性大、技能培訓(xùn)少、技能素質(zhì)不相匹配等突出問(wèn)題。

3.3 專(zhuān)業(yè)研究的提升

法蘭扭矩化管理涉及摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)算、目標(biāo)扭矩的精確確定、扭矩獲取方式的合理選擇，以及裝配緊固的精準(zhǔn)把控等，均需要豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐，方能獲得適中的有效扭矩。

3.4 專(zhuān)用裝備的改進(jìn)

目前，通常采用液壓扭矩扳手和液壓螺栓拉伸器來(lái)控制螺栓的預(yù)緊力[2]。但傳統(tǒng)緊固工具存在可操作性不理想、可控性不佳等缺陷。如液壓扭矩扳手因需要反作用力臂，存在偏載力矩，導(dǎo)致螺栓副上的扭矩會(huì)產(chǎn)生很大的偏差；若采用液壓螺栓拉伸器，則拉伸后螺母轉(zhuǎn)動(dòng)靠手動(dòng)調(diào)節(jié)，也就是說(shuō)螺栓最終的拉伸量是由人工靠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)的角度控制的，精度難以保證。所以，要想精準(zhǔn)把控螺栓副有效扭矩，傳統(tǒng)裝備需要不斷完善改進(jìn)。

4 亟待加強(qiáng)的幾個(gè)方面

4.1 加大培訓(xùn)力度，補(bǔ)上技能短板

具備足夠數(shù)量、合格技能的裝配人員是螺栓副連接裝配的基礎(chǔ)，否則，螺栓副裝配質(zhì)量根本無(wú)從談起，開(kāi)展法蘭扭矩化管理也是空中樓閣。所以，必須花大力氣加大對(duì)技能操作人員的基礎(chǔ)理論、實(shí)操技能、安全防護(hù)等方面的培訓(xùn)，特別要對(duì)照ASME PCC-1對(duì)合格裝配人員的指南[3]，注重從螺栓副檢測(cè)、法蘭組對(duì)調(diào)整、螺栓副安裝、螺栓副潤(rùn)滑、螺栓副緊固和檢測(cè)檢查等環(huán)節(jié)的最佳實(shí)踐體驗(yàn)進(jìn)行培訓(xùn)，使操作人員掌握各種緊固方法/載荷控制技術(shù)的操作要領(lǐng)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格培訓(xùn)，逐一考核通過(guò)，做到應(yīng)知應(yīng)會(huì)，技能過(guò)硬。徹底改變目前流動(dòng)頻繁、臨時(shí)組合、心中無(wú)數(shù)、倉(cāng)促上崗的現(xiàn)狀，補(bǔ)上技能短板。

4.2 加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)合作，提升專(zhuān)業(yè)水平

經(jīng)過(guò)近四十年的高強(qiáng)度投入，石化行業(yè)得到迅猛發(fā)展，螺栓緊固載荷控制等相關(guān)技術(shù)，如定力矩緊固新技術(shù)[4]也得到了快速提升。作為工程建設(shè)企業(yè)，必須關(guān)注行業(yè)前沿，掌握適用先進(jìn)技術(shù)。同時(shí)，需要加強(qiáng)與高等院校、科研單位等專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)及專(zhuān)業(yè)廠家的合作，開(kāi)展專(zhuān)題攻關(guān)，提升專(zhuān)業(yè)水平。

比如，如何科學(xué)合理調(diào)整螺栓副作用載荷的分布，克服螺母面摩擦、克服螺紋摩擦、有用的螺栓剩余載荷三方面作用載荷，以提高螺栓有效載荷，實(shí)現(xiàn)法蘭無(wú)泄漏；又如，如何基于法蘭、螺栓、墊片組件完整性的有限元計(jì)算和彈性封閉計(jì)算數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)設(shè)定目標(biāo)扭矩；再如，執(zhí)行老舊裝置檢修改造時(shí)，難免會(huì)遇到不同批次、新舊不一的緊固螺栓混用現(xiàn)象，如何準(zhǔn)確測(cè)算新舊螺栓的摩擦系數(shù)就成為十分棘手的問(wèn)題。另外，對(duì)于大尺寸法蘭，如何定量分析螺栓緊固過(guò)程的交互效應(yīng)，使殘余的交互作用降至最低，確保螺栓預(yù)緊力保持一致，使離散度最低等。以上種種，均迫切需要專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的指導(dǎo)和幫助。

4.3 注重?cái)?shù)據(jù)積累，加大經(jīng)驗(yàn)共享

開(kāi)展法蘭扭矩化管理嚴(yán)重依賴(lài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，涉及法蘭、螺栓、螺母、墊片、密封面等的幾何參數(shù)和性能參數(shù)，僅螺栓就包括螺栓直徑、螺栓數(shù)量、螺紋牙距、螺母厚度、螺栓有效長(zhǎng)度、螺栓安裝溫度、螺栓工作溫度，以及材料的彈性模量、線膨脹系數(shù)和拉伸屈服強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，扭矩化管理的準(zhǔn)確性就會(huì)大打折扣，難以保證各螺栓副的預(yù)緊力精確一致，離散性會(huì)偏大，法蘭無(wú)泄漏的目標(biāo)就無(wú)法達(dá)成。因此，需要從核心生產(chǎn)要素高度，注重基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累、不斷豐富、不斷完善。

同時(shí)，由于法蘭扭矩化管理尚處于探索階段，體會(huì)不深，經(jīng)驗(yàn)不足，難度不小。今后在業(yè)內(nèi)需要加大交流力度，建立共享機(jī)制，以期少走彎路，避免低水平徘徊。

4.4 加快裝備國(guó)產(chǎn)化，提高專(zhuān)業(yè)能力

隨著螺栓緊固載荷控制等相關(guān)技術(shù)日趨成熟，緊固裝備的研發(fā)和制造能力也得到了飛速發(fā)展，各種性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便的緊固裝備在國(guó)際上也相繼問(wèn)世。但價(jià)格昂貴，且受制于人。 因此，需要加大開(kāi)發(fā)力度，加快裝備國(guó)產(chǎn)化，普及操作簡(jiǎn)便、精確高效、安全可靠的緊固工裝。比如，國(guó)產(chǎn)自反作用力載荷墊圈的推廣應(yīng)用，為開(kāi)展法蘭扭矩化管理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)81%的法蘭泄漏是由于不正確的螺栓預(yù)緊力造成的現(xiàn)狀，開(kāi)展扭矩化管理，實(shí)現(xiàn)法蘭零泄漏，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。