定力矩緊固技術(shù)在煉油裝置大檢修中的應(yīng)用

孫擁軍

（中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256600）

1 概述

該石化企業(yè)原油加工規(guī)模350 萬(wàn)噸/年，主要加工海洋重質(zhì)原油，生產(chǎn)瀝青、橡膠增塑劑、變壓器油、燃料油、石腦油、柴油等特色產(chǎn)品。

2022 年4 月，該石化企業(yè)組織全廠停車(chē)檢修。由于往年檢修后裝置開(kāi)工過(guò)程中均會(huì)發(fā)生或大或小的法蘭泄漏，延長(zhǎng)開(kāi)工周期，埋下安全隱患。本次檢修開(kāi)始前，公司設(shè)備管理部引進(jìn)了定力矩緊固技術(shù)，與各運(yùn)行部進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)對(duì)接，制定了科學(xué)的緊固方案。

2022 年4 月，全廠大檢修期間，總計(jì)390 片高溫高壓法蘭采用了定力矩緊固技術(shù)，其中120 萬(wàn)噸/年加氫改質(zhì)裝置75 片，30 萬(wàn)噸/年精密分餾裝置85 片，制氫裝置42 片，加氫脫酸裝置22 片，延遲焦化裝置166 片。開(kāi)車(chē)過(guò)程中，各裝置一次氣密通過(guò)，升溫過(guò)程中未進(jìn)行恒溫?zé)峋o。運(yùn)行一年半以來(lái)，各裝置法蘭均未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，保證了裝置的安全運(yùn)行。

2 緊固現(xiàn)狀

按照開(kāi)工流程，裝置開(kāi)工前依次經(jīng)過(guò)三查四定、吹掃氣密、儀表聯(lián)較、單機(jī)試運(yùn)、水聯(lián)運(yùn)、冷油運(yùn)、熱油運(yùn)等過(guò)程。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都至關(guān)重要，關(guān)系著開(kāi)車(chē)成功與否，以及裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。隨著國(guó)家對(duì)安全、環(huán)保的要求越來(lái)越高，裝置開(kāi)工及運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)靜密封點(diǎn)泄漏管理越來(lái)越嚴(yán)格，裝置現(xiàn)場(chǎng)緊固方式已由無(wú)力矩扳手敲擊緊固發(fā)展到定力矩緊固。

2.1 手動(dòng)力矩扳手緊固

無(wú)力矩扳手是利用杠桿原理擰轉(zhuǎn)螺栓、螺釘、螺母和其他螺紋緊固件的手工工具，扳手通常在柄部的一端和兩端制有夾持螺栓或螺母的開(kāi)口或套孔，一般分為開(kāi)口扳手、梅花扳手、扭力扳手等。

施工現(xiàn)場(chǎng)，采用此種扳手進(jìn)行螺栓緊固非常普遍，尤其是法蘭通徑＜DN150，壓力等級(jí)＜CL300 以下的法蘭。一般情況下，維保單位施工人員兩人一組，按照螺栓相對(duì)位置對(duì)稱(chēng)緊固，緊固質(zhì)量取決于施工人員的工作經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。每個(gè)螺栓的緊固力矩不可控也不一致，與施工人員的手臂力量、工作狀態(tài)有直接關(guān)系。

為了提高緊固力，施工人員會(huì)使用套筒加長(zhǎng)力矩或者用鐵錘進(jìn)行敲擊。

2.2 扭力扳手或液壓扳手緊固

扭力扳手在擰轉(zhuǎn)螺栓或螺母時(shí)，能顯示出所施加的扭矩，當(dāng)施加的扭矩達(dá)到規(guī)定值后，會(huì)發(fā)出光或聲響信號(hào)。該類(lèi)型扳手適用于緊固數(shù)量少、緊固扭矩不是很大的地方。

液壓扳手可以輸出和設(shè)定扭矩，屬于高壓液壓工具，輸出扭矩大，且精度高。該類(lèi)型扳手適用于工期緊，緊固螺栓數(shù)量多且高溫高壓部位。

施工現(xiàn)場(chǎng)，維保單位制定緊固方案，確定合適扭矩，根據(jù)螺栓強(qiáng)度、墊片的初始密封比壓和工作密封比壓、介質(zhì)壓力等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，防止螺栓斷裂和墊片損壞。施工時(shí)，根據(jù)法蘭螺栓相對(duì)位置，依次對(duì)稱(chēng)緊固，緊固扭矩逐步加大。此種緊固方式，緊固扭矩固定，法蘭面壓緊均勻，但由于單頭施工，墊片變形不平衡。

2.3 定力矩緊固

定力矩緊固技術(shù)是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，施工單位依據(jù)裝置的工藝參數(shù)、法蘭等級(jí)、螺栓材質(zhì)和型號(hào)等信息，計(jì)算得出可以滿(mǎn)足密封要求的力矩值，再通過(guò)特定施工方案、特定工具（液壓扭矩扳手、液壓拉伸器）將所需力矩同時(shí)施加在對(duì)稱(chēng)的兩組及以上螺栓上，最終達(dá)到緊固效果。

3 夾緊力計(jì)算

為了保證法蘭緊固無(wú)泄漏，需要通過(guò)螺栓給法蘭施加一個(gè)預(yù)緊力。擰緊一顆螺栓，需要施加一定扭矩轉(zhuǎn)至一定角度后才可完成，這部分的扭矩和角度所做的功最終轉(zhuǎn)化為螺栓頭下的摩擦力、螺紋副的摩擦力和預(yù)緊力。一般而言，三者之間的比例約為10%、40%以及50%，具體表現(xiàn)為10%的夾緊力用于螺栓拉伸產(chǎn)生預(yù)緊力，40%用于螺紋副的摩擦，50%用于螺栓頭與緊固件的摩擦。

式中，F(xiàn)m 為夾緊力；P 為螺距；ug 為螺紋副摩擦系數(shù)；d2為螺栓直徑；Dkm 為螺栓頭表面尺寸；uk 為螺栓頭表面摩擦系數(shù)。

4 高壓加氫裝置上的應(yīng)用

4.1 數(shù)量統(tǒng)計(jì)

檢修工作開(kāi)始前，各運(yùn)行部技術(shù)人員依據(jù)壓力等級(jí)、是否泄漏、操作溫度等因素把檢修法蘭分為高危法蘭和一般法蘭。原則上，高危法蘭采用定力矩技術(shù)緊固，一般法蘭采用普通扭力扳手或普通扳手緊固。通過(guò)梳理，各裝置操作壓力≥5.0MPa 法蘭、操作溫度≥250℃的法蘭總計(jì)390 片，其中DN300 規(guī)格的5 片，DN250 規(guī)格的17 片，DN200 規(guī)格的14 片，DN150 規(guī)格的10 片，CL2500 規(guī)格的15 片（表1）。

表1 定力矩緊固法蘭統(tǒng)計(jì)表

4.2 工作流程

（1）法蘭螺栓基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集及處理要求。利用廠家自主開(kāi)發(fā)的WELLINTE 軟件平臺(tái)，詳細(xì)核算螺栓基礎(chǔ)預(yù)緊力，同時(shí)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況以及法蘭密封面損傷情況，制定科學(xué)的機(jī)具搭配方案。對(duì)每片法蘭進(jìn)行登記建檔，拍照記錄，生成基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)（圖1）。軟件根據(jù)基礎(chǔ)信息，生成信息二維碼，懸掛于現(xiàn)場(chǎng)法蘭處。施工前，施工人員通過(guò)掃描信息二維碼，獲取該法蘭的詳細(xì)施工方案。

圖1 WELLINTE 軟件錄入的法蘭連接基本信息

設(shè)備、管線法蘭拆開(kāi)后，要求使用軟銅絲刷清理法蘭密封面和螺栓螺紋，然后用煤油或螺栓松動(dòng)劑清洗螺柱、螺母。法蘭密封面應(yīng)用石棉板進(jìn)行覆蓋保護(hù)，有坑點(diǎn)、縱貫傷的部位應(yīng)進(jìn)行研磨修護(hù)（圖2）。

圖2 法蘭連接預(yù)安裝信息

（2）機(jī)具準(zhǔn)備。本次裝配使用了拉伸器、方驅(qū)扳手、中空板手、便攜式電動(dòng)扳手、扭矩扳手。機(jī)具到場(chǎng)前，裝配公司對(duì)全部設(shè)備進(jìn)行了檢測(cè)、保養(yǎng)；到場(chǎng)后，設(shè)備管理部對(duì)機(jī)具檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行查驗(yàn)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試、驗(yàn)收。驗(yàn)收合格的工具集中入庫(kù)，統(tǒng)一管理，由專(zhuān)人負(fù)責(zé)調(diào)配和維護(hù)。

（3）工程任務(wù)分析。根據(jù)法蘭實(shí)際工況，科學(xué)選擇施工器具，結(jié)合裝置開(kāi)工作業(yè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，進(jìn)行人員區(qū)域劃分、機(jī)具存儲(chǔ)地址、區(qū)域裝置機(jī)具使用計(jì)劃、重要/特殊位置施工計(jì)劃等一系列任務(wù)分析工作，以保證檢修作業(yè)符合整體開(kāi)工計(jì)劃。

（4）施工流程。WELLINTE 軟件的螺栓計(jì)算模型結(jié)合螺栓腐蝕情況、潤(rùn)滑情況、法蘭面完整度等工況綜合分析得出符合當(dāng)前法蘭狀態(tài)的螺栓安全預(yù)緊力，出具標(biāo)準(zhǔn)施工流程。①法蘭面、螺栓、墊片檢查，確保法蘭面干凈，無(wú)損傷；螺栓潤(rùn)滑適中，摩擦副完整無(wú)損傷；墊片壓力等級(jí)、材質(zhì)、硬度符合要求，結(jié)構(gòu)完整無(wú)劃傷。②對(duì)螺栓進(jìn)行編號(hào)，明確緊固順序。③按照30%、50%、1000%預(yù)緊力要求梯級(jí)緊固螺栓，要求同步對(duì)稱(chēng)緊固。④每輪緊固完成后，及時(shí)測(cè)量法蘭間距，控制偏差在允許范圍之內(nèi)（圖3 和圖4）。

圖3 螺栓編號(hào)示意圖

圖4 螺栓緊固順序示意圖

（5）施工技術(shù)培訓(xùn)。培訓(xùn)包括施工機(jī)具操作培訓(xùn)和施工流程理論培訓(xùn)。施工前，廠家對(duì)技術(shù)管理人員、施工操作人員、設(shè)備管理人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，保證施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。施工機(jī)具操作人員需要認(rèn)證上崗，必須通過(guò)理論和實(shí)操考核，取得上崗資格后方能進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。

（6）過(guò)程控制。施工中，WELLINTE 技術(shù)人員全程旁站，實(shí)時(shí)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)監(jiān)督，確保螺栓、墊片負(fù)荷要求，確保每步工序的準(zhǔn)確執(zhí)行。施工過(guò)程中，技術(shù)人員按比例對(duì)緊固法蘭進(jìn)行抽檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)反饋，并要求施工人員立即整改。施工完成后，技術(shù)人員會(huì)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，確保符合要求（圖5）。

圖5 法蘭連接螺栓緊固信息

（7）壓力測(cè)試。裝置氣密保運(yùn)過(guò)程中，技術(shù)人員全程跟蹤，觀察、記錄法蘭泄漏情況。如果發(fā)生泄漏，一般盡量在低壓下進(jìn)行緊固。發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)后，第一時(shí)間檢查施工過(guò)程記錄，核實(shí)法蘭密封面清潔度和完整性、螺栓規(guī)格和緊固力矩（圖6）。

圖6 法蘭壓力測(cè)試詳情

本次開(kāi)工過(guò)程中，全公司各裝置高壓部位氣密一次通過(guò)，分餾系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)等高溫低壓系統(tǒng)一次氣密通過(guò)，升溫過(guò)程中各裝置法蘭零泄漏，同時(shí)省去250℃熱緊過(guò)程。

該公司各裝置開(kāi)工后，各動(dòng)靜密封點(diǎn)連續(xù)開(kāi)展VOCs檢測(cè)工作。全公司222310 個(gè)密封點(diǎn)，其中18900 個(gè)法蘭靜密封點(diǎn)無(wú)一泄漏。

2023 年4 月，各運(yùn)行部技術(shù)人員對(duì)全系統(tǒng)110 對(duì)法蘭進(jìn)行抽檢，螺栓無(wú)一松動(dòng)，法蘭口無(wú)一泄漏。

（8）數(shù)據(jù)臺(tái)賬。在WELLINTE 軟件平臺(tái)上，施工經(jīng)理按需下派施工任務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)工程師執(zhí)行任務(wù)流程，監(jiān)督、指導(dǎo)施工人員完成緊固任務(wù)，實(shí)時(shí)上傳工作進(jìn)度和緊固數(shù)據(jù)。施工完成后，WELLINTE 軟件自動(dòng)生成包含法蘭連接概要信息、法蘭連接基本信息、法蘭連接預(yù)安裝信息、法蘭連接螺栓緊固信息、壓力測(cè)試詳情的全周期數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度可控，數(shù)據(jù)可追溯。

5 經(jīng)驗(yàn)和建議

定力矩緊固新技術(shù)是一整套螺栓緊固方案，能夠有效解決螺栓受力不均問(wèn)題，使轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力由未知變?yōu)榭删唧w量化的指標(biāo)，大大降低煉油裝置法蘭泄漏的可能性，保證裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

（1）注重前期檢查和綜合評(píng)估。法蘭拆解后，技術(shù)人員要對(duì)法蘭完整性進(jìn)行檢查，確保有問(wèn)題的法蘭及時(shí)修復(fù)；利舊的螺栓要進(jìn)行統(tǒng)一的除銹處理，保證螺栓摩擦副均勻、完整。

（2）制定科學(xué)合理的施工方案倍。四螺栓同步施工優(yōu)于雙螺栓同步施工。由于螺栓與螺栓孔的相對(duì)位置，兩螺栓同時(shí)緊固時(shí)，可能導(dǎo)致法蘭兩端受力不均。四螺栓同時(shí)緊固可以避免上述問(wèn)題，且工作效率大大提高。

6 結(jié)語(yǔ)

該石化公司2022 年各裝置檢修改造中第一次大范圍地使用定力矩緊固技術(shù)，有力保證了裝置一次氣密成功，保證了開(kāi)工節(jié)點(diǎn)順利進(jìn)行。經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行驗(yàn)證，各裝置高壓系統(tǒng)和高溫系統(tǒng)無(wú)一法蘭泄漏，說(shuō)明定力矩緊固技術(shù)能夠有效解決高溫、高壓法蘭和運(yùn)行工況復(fù)雜的低壓法蘭泄漏問(wèn)題。