無反力臂扭矩拉伸法在石化高風險法蘭緊固中的應(yīng)用

易軼虎，高 偉

(1.中國石化石油化工管理干部學院，北京 100020；2.凱特克集團有限公司，北京 100036)

按照CSEI/JX 0004—2018《法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，應(yīng)根據(jù)設(shè)備法蘭密封結(jié)構(gòu)泄漏風險高低確定緊固方式。針對中石化某石化公司重整反應(yīng)器人孔、底部、油氣進出口等部位法蘭，采用風險分級的法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝策略，按照定量風險評估方法(如圖1所示)進行評估定量風險評估數(shù)據(jù)源見表1。

表1 定量風險評估數(shù)據(jù)源

最終評定有11處法蘭為高風險等級，建議采用高精度預緊力控制緊固方式，經(jīng)過技術(shù)論證，決定采用無反力臂扭矩拉伸法。

1 技術(shù)原理與對比

1.1 無反力臂扭矩拉伸法原理

無反力臂扭矩拉伸法技術(shù)原理如圖2所示。該方法主要通過在普通螺母下面增加一種六角形反作用力墊圈(如圖3所示)，將動力工具緊固螺栓時產(chǎn)生的反作用力通過專用的驅(qū)動套筒轉(zhuǎn)移到螺母的下方，讓緊固螺栓的作用力矩和反作用力矩沿著螺栓的同一個軸線，消除普通扭矩緊固時所必需的側(cè)向反作用力支點。通過消除反作用力臂，即可控制扭矩緊固過程中的摩擦力，進而提升扭矩轉(zhuǎn)化成螺栓預緊力的轉(zhuǎn)化率。該方法螺栓預緊力誤差小于±10%。

圖2 無反力臂的扭矩拉伸法

圖3 反作用力墊圈

1.2 與常規(guī)方式對比

目前國內(nèi)常用傳統(tǒng)的液壓扳手對法蘭螺栓進行緊固【1】，如圖4所示。該方法雖然可以設(shè)定轉(zhuǎn)動螺栓的扭矩，但必須要有一個反作用力臂來平衡驅(qū)動力，否則機具容易原地打轉(zhuǎn)。根據(jù)力矩平移定律，液壓板手的緊固效果等效于在螺栓上施加一個力偶與一個與此力偶垂直的側(cè)向力(又稱偏載力)。此側(cè)向力將螺紋副的面接觸變成了線接觸甚至點接觸，這不僅會增大螺紋之間的摩擦系數(shù)，甚至還會導致螺栓咬牙。此外，該方法還會導致螺母與支撐面之間的受力集中到一側(cè)，劃傷支撐面，使得螺母與支撐面之間的摩擦系數(shù)增大。

圖4 常規(guī)液壓扳手緊固的缺點

液壓扳手緊固法對每條螺栓實際產(chǎn)生的摩擦力以及正壓力的大小是無法計算和測量的，因此無法知道對每條螺栓緊固時實際施加的摩擦阻力。這種方法雖然給每條螺栓提供了相似的緊固力矩，但是在克服了摩擦阻力后剩余的力矩才能轉(zhuǎn)化成螺栓的預緊力。每條螺栓的摩擦阻力不同，其預緊力數(shù)值自然也是個未知數(shù)。所以，雖然液壓扳手扭矩輸出的精度很高，但是預緊力的精度即只能達到±30%左右。

2 應(yīng)用過程

施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有預緊力的計算和過程質(zhì)量控制。

2.1 密封計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

無反力臂扭矩拉伸法力矩計算所需數(shù)據(jù)較多，為了保證計算的準確性，根據(jù)法蘭實際工況進行了調(diào)研，并建立了法蘭基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表(如表2所示)，統(tǒng)計密封形式、法蘭尺寸、介質(zhì)、溫度、壓力、螺栓材質(zhì)、螺栓尺寸等信息，為安裝方案的制定做好準備。

表2 無反力臂扭矩拉伸法力矩計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 螺栓預緊力計算

根據(jù)工況調(diào)研的數(shù)據(jù)，計算法蘭密封所需要的螺栓預緊力。計算預緊力時需要考慮4個方面：補償溫差所需的預緊力、克服內(nèi)壓所需的預緊力、克服管道應(yīng)力等外力所需的預緊力、保證工作密封比壓所需的預緊力。將這個4個方面的預緊力值相加，除以法蘭上螺栓的個數(shù)，可得到每條螺栓所需要的預緊力。計算出預緊力后，需要對螺栓強度與密封墊的強度進行校核，使其處于合適的屈服極限強度之內(nèi)。預緊扭矩計算結(jié)果如表3所示。

表3 無反力臂扭矩拉伸法力矩值 N·m

2.3 過程質(zhì)量控制

2.3.1 法蘭密封面檢查

法蘭密封面對整個密封系統(tǒng)影響很大。安裝法蘭前要按照表4的步驟對法蘭的密封面進行檢查。

表4 法蘭密封面檢查項目

2.3.2 法蘭密封墊檢查與安放

檢查確認密封墊片的完好性，安裝時將密封墊安裝到位，可以在密封墊上噴一層薄膠固定。應(yīng)避免使用工藝介質(zhì)不兼容或容易造成應(yīng)力腐蝕或密封面點蝕的粘合劑；切勿在密封墊上使用膠帶。

2.3.3 螺栓的檢查與潤滑

潤滑可以降低摩擦系數(shù)，以更低的扭矩達到給定的預緊力，并改善接頭內(nèi)各螺栓之間載荷的一致性，同時還有助于隨后的緊固件拆卸。首先，在潤滑螺栓、螺母前，需先檢查螺栓螺母能否自由旋合，如有問題應(yīng)查找原因并進行必要的更換；其次，在螺栓穿過法蘭螺栓孔后涂抹潤滑劑，避免螺栓孔內(nèi)的顆粒物污染；最后，在螺母與設(shè)備面的接觸面和螺紋副之間充分涂抹潤滑劑或者高溫防咬合劑。

2.3.4 法蘭回裝要求

依據(jù)文獻【2】進行法蘭回裝，步驟如下：

1) 對兩片法蘭的對中進行測量，即：在法蘭盤周圈選4個點，相互之間大約間隔90°，且任何1點兩法蘭盤的錯口應(yīng)≤1.5 mm。

2) 對兩法蘭的平行度進行找正，主要通過測量和比較法蘭的最大/最小間隙來確定，間隙之差不得超過0.8 mm。

3) 對法蘭的螺栓孔進行找正，選擇兩個間隔90°的測量點進行測量，在此情況下，保證螺栓順利穿過法蘭螺栓孔，或者兩螺栓孔偏移量在3.0 mm的范圍內(nèi)。

4) 最后調(diào)整兩片法蘭間的間隙，當法蘭處于靜止狀態(tài)時，兩片法蘭之間的間距應(yīng)超過墊片厚度的兩倍，若間隙過大或過小，均需要調(diào)整。

2.3.5 螺栓緊固的順序步驟

根據(jù)文獻【2】中的四同步緊固步驟對法蘭螺栓進行緊固，保證法蘭平行閉合，密封墊片均勻壓縮。

3 應(yīng)用效果

通過對每一個關(guān)鍵質(zhì)量控制點進行系統(tǒng)管控，并使用無反力臂扭矩拉伸法對緊固后螺栓進行，該設(shè)備法蘭進行密封點的VOCs檢測值在 1.3～2.5 mg/L之間，遠遠小于國家環(huán)保部門規(guī)定的500 mg/L限制要求。這不僅提高了螺栓預緊力精度，確保了法蘭密封的可靠性，而且極大降低了VOCs排放。該裝置自2016年運行至今，沒有發(fā)生法蘭泄漏的問題，滿足了實現(xiàn)長周期運行的要求。

4 結(jié)論

針對石化裝置法蘭密封點多、風險等級高的特點，采用基于風險分級的法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝策略，可以有效提高法蘭密封管理效果和水平。在高風險法蘭部位采用無反力臂扭矩拉伸法高精度緊固方式可以從技術(shù)上保證密封安全可靠，緊固后的設(shè)備法蘭密封點VOCs排放值遠遠小于國家環(huán)保部門規(guī)定的限制要求。該技術(shù)不僅提高了螺栓預緊力精度，確保了法蘭密封的可靠性，而且還大大降低了VOCs排放值，因此，在高風險法蘭部位值得推廣。