螺栓法蘭緊固的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

范志浩，張麗，房偉，鄭大智，孫鐵，多依麗

（1.遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中油國際管道有限公司，北京 100029；3.中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000；4.遼寧石油化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

我國石油化工行業(yè)發(fā)展迅速，而且每年有許多石化裝置和設(shè)備需要檢修，因此國家對(duì)石化裝置的安全運(yùn)行及密封泄漏提出了更高的要求[1]。螺栓法蘭是化工行業(yè)中重要的連接與密封部件，在安裝和維修過程中螺栓螺母的拆卸和緊固是必不可少的。如果螺栓螺母的安裝不規(guī)范，則會(huì)導(dǎo)致裝置和設(shè)備的泄漏，進(jìn)而造成重大事故。2015年，瑞典Lemnhult風(fēng)場(chǎng)的某機(jī)組因采用不正確的螺栓緊固方式發(fā)生倒塔事故；2012年，某集氣站的管法蘭連接處發(fā)生刺漏事故，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)法蘭連接處有3根螺栓斷裂；1999年，某石化廠內(nèi)酰胺裝置6臺(tái)球閥中有2臺(tái)發(fā)生螺栓法蘭斷裂，導(dǎo)致管道內(nèi)介質(zhì)泄漏，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，60%以上的設(shè)備運(yùn)行故障是由螺栓問題引起的。因此，提高壓力容器螺栓法蘭的預(yù)緊效果，提升裝置和設(shè)備的密封性迫在眉睫，而且具有深遠(yuǎn)的研究意義。

莊法坤等[2]考慮墊片寬度、高溫、高壓等三種情況，對(duì)螺栓法蘭接頭密封性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，改變墊片寬度對(duì)密封性能影響顯著；伴隨著溫度和壓力的升高，螺栓和墊片所受應(yīng)力均出現(xiàn)不同程度的變化。郭秭君等[3]建立螺栓法蘭墊片接頭整體結(jié)構(gòu)有限元模型并進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，接頭泄漏率受法蘭偏轉(zhuǎn)的影響，但并非正相關(guān)。應(yīng)道宴等[4]詳細(xì)分析了在預(yù)緊過程中影響螺栓最大載荷的因素，提出了提高螺栓安裝載荷的措施。范登帥等[5]運(yùn)用算例分析了螺栓法蘭連接的可靠性。馬文暉[6]對(duì)螺栓法蘭緊固力矩進(jìn)行了分析研究。宋海洋[7]、M.C.Pat[8]為了減少泄漏，采取了用液壓扳手緊固螺栓的方法。王超眾等[9]針對(duì)工程建造中螺栓緊固順序進(jìn)行了探討。S.P.Jeong等[10]利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了螺栓的緊固狀態(tài)。

本文針對(duì)螺栓緊固的工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化了握持套筒的結(jié)構(gòu)；運(yùn)用ANSYS結(jié)構(gòu)靜力學(xué)設(shè)計(jì)了新型固定扳手并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。研究結(jié)果對(duì)提高壓力容器螺栓法蘭緊固效果具有深遠(yuǎn)的意義。

1 螺栓緊固的方法

目前，在石油化工領(lǐng)域常用的螺栓螺母緊固方式主要為拉伸法、帶反作用力臂扭矩拉伸法和無反作用力臂扭矩拉伸法[11]。拉伸法運(yùn)用拉力直接拉伸螺栓，螺栓桿只受拉力作用而不受扭轉(zhuǎn)力和側(cè)向偏載力；帶反作用力臂扭矩拉伸法是給螺母的側(cè)面施加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力，使螺母不停地向下旋轉(zhuǎn)直至停止，從而達(dá)到螺栓桿向上拉伸的方法；無反作用力臂扭矩拉伸法是在帶反作用力臂扭矩拉伸法和拉伸法的基礎(chǔ)上，擇其優(yōu)點(diǎn)去其缺點(diǎn)優(yōu)化得到的新型緊固方法，近年來使用比較廣泛，是一種非常先進(jìn)的螺栓緊固方法[12]。

1.1 帶反作用力臂扭矩拉伸法

帶反作用力臂扭矩拉伸法通常使用帶反作用力臂液壓扳手（見圖1）來緊固螺栓，此液壓扳手在工作時(shí)需要通過一個(gè)反作用力臂來平衡驅(qū)動(dòng)力，否則液壓扳手容易打轉(zhuǎn)，影響螺栓的緊固效果；此外，還會(huì)導(dǎo)致螺母和支撐面上的力集中于一點(diǎn)，損傷法蘭面，影響螺母和法蘭面之間的摩擦系數(shù)，同時(shí)造成每條螺栓上所受的摩擦阻力不同，而且每條螺栓上的預(yù)緊力是未知的。因此，液壓扳手輸出扭矩的精度雖然非常高，但其預(yù)緊力的精度只能達(dá)到30%左右。同時(shí)，也可能因?yàn)槭┕と藛T的操作不當(dāng)，存在一定的危險(xiǎn)性，并造成夾手等一系列事故。

1.2 無反作用力臂扭矩拉伸法

無反作用力臂的扭矩拉伸法在螺母的下方添加一個(gè)反作用力墊圈，將液壓扳手在緊固螺栓過程中產(chǎn)生的反作用力通過專用套筒轉(zhuǎn)移到螺母的下方，使緊固螺栓的作用力矩和反作用力矩位于同一條軸線上，有效降低反作用力的影響。通過消除反作用力臂作用的方法，可以較好地控制螺栓緊固過程中產(chǎn)生的摩擦力，從而進(jìn)一步提升液壓扳手的扭矩轉(zhuǎn)化為螺栓預(yù)緊力的轉(zhuǎn)換率，大大降低螺栓預(yù)緊力的誤差。實(shí)踐證明，通過帶反作用力墊圈的無反作用力臂扭矩拉伸法來緊固螺栓，可以更有效地緊固螺栓，明顯改善法蘭的密封性。無反作用力臂液壓扳手如圖2所示。

圖2 無反作用力臂液壓扳手

1.3 帶反作用力臂/無反作用力臂液壓扳手的優(yōu)缺點(diǎn)

帶反作用力臂液壓扳手的優(yōu)點(diǎn)：使用帶反作用力臂液壓扳手在給螺栓施加扭矩時(shí)，液壓扳手不需要過大的操作空間；液壓扳手能夠準(zhǔn)確地控制螺栓預(yù)緊的力矩；對(duì)螺柱伸出的長度無硬性要求，適用范圍廣，操作簡單，節(jié)省人工。

帶反作用力臂液壓扳手的缺點(diǎn)：帶反作用力臂液壓扳手在螺栓緊固時(shí)會(huì)刮傷法蘭表面，影響法蘭表面的摩擦系數(shù)；在緊固螺栓時(shí)會(huì)產(chǎn)生反作用力，且反作用力無法消除，影響螺栓法蘭的緊固效果。

無反作用力臂液壓扳手的優(yōu)點(diǎn)：無反作用力臂的液壓扳手能提供更大的扭矩，實(shí)現(xiàn)螺栓精確預(yù)緊，有效降低反作用力帶來的影響。

無反作用力臂液壓扳手的缺點(diǎn)：使用無反作用力臂的液壓扳手進(jìn)行螺栓法蘭緊固時(shí)，無法精確判斷螺栓緊固程度，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)螺栓受力不均。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，運(yùn)用origin軟件，對(duì)帶反作用力臂液壓扳手和無反作用力臂液壓扳手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 帶反作用力臂/無反作用力臂液壓扳手的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖3可以看出，使用無反作用力臂液壓扳手緊固螺栓的效果優(yōu)于使用帶反作用力臂的液壓扳手緊固螺栓的效果，無反作用力臂的液壓扳手提升了將扭矩轉(zhuǎn)化為螺栓預(yù)緊力的效率。由此可知，對(duì)壓力容器法蘭螺栓緊固的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化具有必要性。

2 握持套筒實(shí)驗(yàn)中存在的問題

在螺栓緊固實(shí)驗(yàn)中，對(duì)所用的20個(gè)螺栓分別采用四同步和兩同步的緊固方式。同時(shí)，對(duì)添加旋緊墊圈和不添加旋緊墊圈的工況進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在同一種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，添加旋緊墊圈工況的堅(jiān)固效果好于沒有添加旋緊墊圈的工況；采用四同步緊固方法的緊固效果好于兩同步的緊固方法；與兩同步的緊固方法相比，四同步的緊固方法可節(jié)省預(yù)緊時(shí)間。

在預(yù)緊過程中，當(dāng)每次緊固螺栓實(shí)驗(yàn)完成后卸下液壓扳手時(shí)，液壓扳手與握持套筒和旋轉(zhuǎn)套筒脫離；同時(shí)，握持套筒也與旋緊墊片的外卡環(huán)相脫離。但是，在下次緊固其他螺栓時(shí)，旋轉(zhuǎn)套筒和握持套筒又需要一一對(duì)應(yīng)安裝，同時(shí)握持套筒和旋緊墊圈的外卡環(huán)也要一一對(duì)應(yīng)地裝配。這種操作為每次緊固螺栓增加很大的工作量，延長工作時(shí)間，使螺栓緊固的工作效率大大降低。而且，當(dāng)預(yù)緊次數(shù)達(dá)到一定時(shí)，無法進(jìn)一步觀測(cè)旋轉(zhuǎn)套筒是否仍然可以帶動(dòng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，很有可能在螺母還有微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就卸載液壓扳手，造成螺栓預(yù)緊力加載不足的情況出現(xiàn)，影響螺栓的緊固效果，為實(shí)驗(yàn)增加很大的不確定性，從而影響法蘭的密封性能，造成裝置或設(shè)備的泄漏。由此可見，對(duì)握持套筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化很有必要。

3 握持套筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 握持套筒的側(cè)面開孔

為了在螺栓螺母的安裝和拆卸過程中便于觀察，將握持套筒的側(cè)面位置開兩個(gè)大小相等的圓形小孔。兩個(gè)小孔的位置應(yīng)沿著旋轉(zhuǎn)套筒的旋轉(zhuǎn)軸呈中心對(duì)稱；在旋轉(zhuǎn)套筒的外表面，與握持套筒開孔等高的位置刻上刻度條。為了便于觀察螺栓預(yù)緊程度，應(yīng)盡量提高刻度條的精密度。在螺栓緊固的過程中，若刻度條的刻度不再變化，則說明螺母已經(jīng)停止旋進(jìn)，液壓扳手的預(yù)緊力已經(jīng)全部加載在螺母上，此時(shí)螺栓緊固工作完成。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地避免因人為因素造成的安裝精度不夠的問題；可節(jié)省預(yù)緊時(shí)間，在保證精準(zhǔn)安裝的前提下，可節(jié)約一部分人工成本，在保質(zhì)保量的前提下更快地完成螺栓緊固工作。

3.2 握持套筒的底部優(yōu)化

為了在螺栓緊固過程中握持套筒和旋緊墊圈的外卡環(huán)能夠快速完成嚙合工作，對(duì)握持套筒底部進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。在握持套筒的外表面底部設(shè)計(jì)了簡單符號(hào)，該簡單符號(hào)與旋緊墊圈外卡環(huán)的突出部分相對(duì)應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可使握持套筒和旋緊墊圈的外卡環(huán)快速完成嚙合，不僅節(jié)省時(shí)間，而且提高螺栓緊固工作的效率。

4 新型固定扳手

由壓力容器法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)可知，無論是預(yù)緊狀態(tài)還是操作狀態(tài)，螺栓的應(yīng)力不應(yīng)大于其許用應(yīng)力。在螺栓法蘭的緊固過程中，通常用一個(gè)長扳手來固定法蘭下表面螺母，而長扳手的力臂端卡在相鄰的螺母上，在緊固過程中長扳手對(duì)緊固螺母周圍的其他螺母產(chǎn)生影響。為降低長扳手在螺栓法蘭緊固過程中對(duì)其他螺母的影響，設(shè)計(jì)了一款對(duì)其他螺母沒有影響的新型螺栓法蘭緊固可伸縮扳手。

4.1 新型固定扳手的結(jié)構(gòu)

新型固定扳手主要由底座、端蓋和銷釘三部分組成。新型固定扳手底座的側(cè)面位置開孔，并且端蓋相對(duì)應(yīng)底座側(cè)面開孔的位置也可開孔，通過將銷釘插入孔中，實(shí)現(xiàn)底座和端蓋的固定；新型固定扳手底座前端設(shè)計(jì)成半圓柱體結(jié)構(gòu)，可提高新型固定扳手的可旋轉(zhuǎn)性，便于安裝和使用。新型固定扳手材料性能見表1，新型固定扳手結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 新型固定扳手結(jié)構(gòu)圖

表1 新型固定扳手材料性能

4.2 新型固定扳手的ANSYS分析

根據(jù)中國和美國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知，對(duì)螺栓施加的扭矩最大值不能超過700 N·m。因此，扭矩取值700 N·m，對(duì)法蘭取固定支撐，網(wǎng)格尺寸劃分為3 mm，將新型固定扳手作為一個(gè)整體進(jìn)行了ANSYS靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，并對(duì)新型固定扳手的整體變形和等效應(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5—7所示。

圖5 新型固定扳手底座等效應(yīng)力圖

通過ANSYS靜力學(xué)分析結(jié)果可知，新型固定扳手所受到的最大應(yīng)力位于端蓋與底座接觸之處，最大應(yīng)力為116.33 MPa，材料的彈性屈服強(qiáng)度為480.00 MPa。當(dāng)安全系數(shù)取值2.7時(shí)，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的彈性屈服強(qiáng)度。同時(shí)，新型固定扳手的整體變形符合預(yù)期及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 新型固定扳手的優(yōu)點(diǎn)

與平時(shí)安裝和拆卸螺柱螺母過程中使用的普通長扳手相比，新型固定扳手能有效地降低對(duì)緊固螺母周圍其他螺母的影響，安全性更高，而且操作便捷，結(jié)構(gòu)簡單。新型固定扳手可伸縮，適用于多種環(huán)境、多種工況，螺栓緊固效果更好，可增強(qiáng)法蘭的密封性能，并大幅度提高化工生產(chǎn)的效率，降低安全隱患，非常值得推廣。

圖6 新型固定扳手等效應(yīng)力圖

圖7 新型固定扳手整體變形圖

5 結(jié)論

基于握持套筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決了無法精確觀測(cè)螺栓預(yù)緊程度的問題，提高了壓力容器螺栓法蘭緊固效果；設(shè)計(jì)新型固定扳手，用于固定法蘭下表面螺母，有效地降低了在緊固過程中對(duì)緊固螺母周圍其他螺母的影響。研究結(jié)果為壓力容器螺栓法蘭緊固提供了新思路，非常值得推廣。