高溫高壓法蘭螺栓預(yù)緊技術(shù)的選用

潘從錦 鄧乃文 楊 博 魏 毅 韓雪艷

（中國石油克拉瑪依石化分公司 新疆克拉瑪依）

一、法蘭密封和泄漏

法蘭密封由法蘭、密封墊和緊固件3部分結(jié)構(gòu)組成，緊固件通常由螺栓、螺母及密封墊3個部件構(gòu)成。法蘭是通過緊固螺栓壓緊密封墊實(shí)現(xiàn)密封的，每個部分都必須正確才能保證密封，任何一部分都不能補(bǔ)償其他部分的致命缺陷。法蘭密封失效，主要是介質(zhì)在密封墊處的泄漏。法蘭強(qiáng)度、密封面形式、粗糙度等機(jī)械性能對密封的影響，在現(xiàn)代工業(yè)中已經(jīng)逐步得到解決。隨著材料研發(fā)和加工制造能力的提高，高強(qiáng)石墨墊、波齒復(fù)合墊、金屬八角墊、橢圓墊在不同工況的高溫高壓法蘭中均具有良好的密封性能，可以滿足其強(qiáng)度、回彈性要求，防止了密封墊“滲透泄漏”的發(fā)生。隨著高強(qiáng)度螺栓和高溫合金螺栓的應(yīng)用，螺栓材料方面的問題也已逐步得到解決。

螺栓預(yù)緊力失效造成的泄漏是法蘭泄漏中最為常見的形式。法蘭工作正常時無泄漏，當(dāng)螺栓未能給密封墊提供足夠的預(yù)緊力時，就會造成法蘭泄漏。預(yù)緊力過大造成密封墊壓潰，也會引起泄漏。要使法蘭不泄漏，就必須確保密封面整個圓周上都有正確均勻的預(yù)緊力，保證密封墊正常工作。如果螺栓和連接面以相同的速率，在同一時間膨脹或收縮，將不會有螺栓預(yù)緊力丟失的趨勢。實(shí)際上，在很大程度上，因?yàn)槁菟ū桓綦x在孔里，它們的溫度變化會滯后于法蘭。在加熱的時候螺栓不會像連接面一樣膨脹得那么快，連接面將在短期內(nèi)發(fā)生載荷增大，這有可能導(dǎo)致螺栓屈服。在冷卻階段螺栓冷卻滯后于法蘭，會引起短期內(nèi)載荷丟失。螺栓的預(yù)緊力在實(shí)際工況中是隨著溫度壓力變化處于動態(tài)變化的，適度的預(yù)緊力是防止法蘭密封“界面泄漏”的關(guān)鍵，如何精確控制螺栓預(yù)緊力也是長期困擾現(xiàn)代工業(yè)的難題。

二、螺栓預(yù)緊方法

1.扭矩緊固法

扭矩緊固法是最常用的控制預(yù)緊力的方法，通過控制扭矩實(shí)現(xiàn)對螺栓預(yù)緊力的控制。在高溫高壓法蘭中使用的比較廣泛的是液壓扭力扳手，見圖1。通過設(shè)定泵站壓力控制液壓扳手輸出扭矩，液壓扳手體積小，出力大，可以解決狹窄空間的螺栓緊固問題。螺栓通過液壓扭力扳手得到的預(yù)緊力還與螺紋表面和法蘭標(biāo)的粗糙度、潤滑狀態(tài)、擰緊速度和溫度等有關(guān)。由于受摩擦系數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響，在一定的扭矩下，預(yù)緊力數(shù)值的離散系數(shù)較大，精度不高，其誤差通常在±（10～25）%之間。

液壓扭力扳手緊固螺栓時，需要額外的一個點(diǎn)來阻止工具移動，反作用力支點(diǎn)越近，偏載力越大。使用時可能很難找到一個固定的可靠的著力點(diǎn)，需要防止螺母跟轉(zhuǎn)的扳手。使用液壓扭力扳手時螺栓末端受到附加翻轉(zhuǎn)力矩，兩側(cè)螺牙變形克服螺牙摩擦，損失扭矩未知；在螺栓載荷作用下，可能出現(xiàn)螺母嵌入、受力面受損，增加未知的摩擦力。螺栓螺紋間的摩擦，偏載造成的額外不確定摩擦，螺母和法蘭面間的摩擦，都是螺栓預(yù)緊力不均勻的原因。另外，液壓扳手由于偏載容易損壞螺栓螺牙。

圖1 液壓扭力扳手

2.液壓拉伸法

液壓拉伸預(yù)緊技術(shù)是通過液壓拉伸器拉伸螺栓完成預(yù)緊的，液壓扭力扳手工作示意見圖2。液壓拉伸方式是通過液壓油缸直接對螺栓頂部端頭施加拉伸力，將螺栓拉伸到需要的長度，然后將螺母緊固，保留施加的載荷。由于不受螺栓潤滑效果和螺紋摩擦力大小的影響，拉伸法可以得到更為精確的螺栓載荷，載荷誤差通常為±10%。此外，拉伸工具還可以對多個螺栓同步拉伸，使法蘭面全部螺栓受力均勻，得到均衡的載荷。

液壓拉伸器的優(yōu)點(diǎn)是沒有偏載，缺點(diǎn)是當(dāng)拉伸器拉伸到需要的預(yù)緊力后用不精準(zhǔn)的手動力方式去撥動螺母,控制螺母轉(zhuǎn)動的角度，不能消除即時效應(yīng)。拉伸器泄壓時螺栓回彈，預(yù)緊力轉(zhuǎn)移過程中損失，最初的拉伸預(yù)緊力不等于最終形成的實(shí)際預(yù)緊力。導(dǎo)致螺栓實(shí)際承受的載荷和拉伸器的目標(biāo)載荷有差距，實(shí)際載荷參差不齊，離散性較大。木桶效應(yīng)在實(shí)際載荷最小的螺栓區(qū)域顯現(xiàn)出來，就是法蘭密封失效外漏。拉伸工具通常需要較大的工作空間，提供的拉伸力有限。

圖2 液壓扭力扳手工作示意圖

3.扭力拉伸技術(shù)

扭力拉伸技術(shù)是近些年來發(fā)展的一項(xiàng)新的螺栓預(yù)緊力控制技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的主要是通過一個獨(dú)特的螺母墊圈和液壓驅(qū)動套筒來實(shí)現(xiàn)扭矩和拉伸預(yù)緊力的轉(zhuǎn)換。螺母墊圈如圖3所示，頂部為一定加工精度的環(huán)形平面，底部的六角面上機(jī)械加工有徑向發(fā)散溝槽，下方的六角螺母體內(nèi)鑲嵌有和要緊固螺栓螺紋相同的螺紋圈。上端面的平面可以減少相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦力，而下端面的發(fā)散溝槽，可以增強(qiáng)和法蘭面的摩擦力，防止墊圈在法蘭上的轉(zhuǎn)動。將螺母墊圈通過螺紋配合安裝在螺栓上，轉(zhuǎn)動直到墊圈底部和法蘭表面貼合。將螺母安裝在螺母墊圈上，液壓驅(qū)動頭將套筒扣在螺栓螺母和墊圈上，套筒握住墊圈下方六角體使其不轉(zhuǎn)動，同時轉(zhuǎn)動螺栓螺母，螺栓不轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步轉(zhuǎn)動螺母時，螺栓就能直接被拉伸。同時墊圈內(nèi)部的螺紋牙隨之沿軸向上移，從而扭矩能轉(zhuǎn)換為拉伸力。緊固完成后，就如同雙并螺母，具有一定的防止松動效果。扭力拉伸技術(shù)工作示意見圖4。

圖3 螺母墊圈

圖4 扭力拉伸工作示意圖

和扭矩液壓扳手對比，液壓扳手上的反作用力臂被一個驅(qū)動套筒所替代，直接轉(zhuǎn)動螺母就與拉伸器一樣能具有很高的精度。螺母墊圈安裝于螺栓螺母下面防止螺栓轉(zhuǎn)動，使扭矩轉(zhuǎn)換為精確的拉伸預(yù)緊力。螺栓本體不存在扭轉(zhuǎn)，直接進(jìn)行軸向拉伸,沒有彎曲力，不需要外部的反作用力支點(diǎn),不會產(chǎn)生夾傷點(diǎn)，每一個螺栓都能獲得均勻的螺栓載荷。消除人為誤差，螺栓緊固更加精確，更加安全。

螺母墊圈在法蘭面和螺母之間形成一種轉(zhuǎn)換，墊圈與法蘭相互接觸的面不會有相對轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動只發(fā)生在螺母的下表面及與之相連接的墊圈上表面間。螺母的下表面噴涂有二硫化鉬涂層，這樣是摩擦力變得可以控制。另外，當(dāng)安裝上螺母墊圈后，螺栓在緊固過程中沒有偏載。原本不可控制的條件變成可控制的條件，無偏載，摩擦小，這樣可以比較精確地控制密封預(yù)緊力。螺栓的預(yù)緊力精度可知，需要的扭矩減少，應(yīng)用潛在的失誤降低。在螺母與墊圈表面間的摩擦力為已知及配合不存在偏載的拉伸下，其產(chǎn)生的預(yù)緊力可達(dá)到通用工業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)的±（5～10）%。

扭力拉伸法并非傳統(tǒng)意義上的完全拉伸，由于扭矩和摩擦力的影響，拉伸力并非完全精確。由于增加了螺母墊圈，螺栓緊固成本相應(yīng)增加；另外，螺母墊圈通常只能一次性使用，重復(fù)使用不能保持有初次的扭力拉伸效果，每使用一次扭力拉伸技術(shù)均要更換螺母墊圈，使其投入費(fèi)用增加更多。由于螺母墊圈的存在，使用扭力拉伸技術(shù)緊固法蘭用的螺栓必須在原螺栓的長度上增加和螺母墊圈厚度相等的長度。如果是在泄漏發(fā)生后初次使用扭力拉伸技術(shù)，就必須更換緊固法蘭的所有螺栓，維修處理泄漏的成本成倍上漲。

相對于扭力拉伸方法，傳統(tǒng)的緊固方法缺點(diǎn)在于：（1）緊固方法只在于控制工具的輸出力量，而很難檢測達(dá)到的螺栓預(yù)緊力，造成無法達(dá)到所需的預(yù)緊力精度；（2）緊固方法本身在同一法蘭上達(dá)到的均勻性誤差較大。

三、3種螺栓緊固方法的安全質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性比較

螺栓的預(yù)緊力控制在密封墊材料屈服極限的90%以下，40%的最小預(yù)緊力以上?？刂频膶?shí)際預(yù)緊力精度越高，預(yù)緊力波動區(qū)域約窄，受法蘭溫變工況影響小，說明其密封性能越好，承受外部環(huán)境改變預(yù)緊力影響的能力越強(qiáng)。通過3種螺栓緊固方法比較（表1）可以看出：從施工的質(zhì)量上，扭力拉伸法最高，拉伸法次之，扭矩法最低；從操作的安全性來比較，扭力拉伸法最好，拉伸法和扭矩法需要人工扶持機(jī)具操作安全性相對較差，從經(jīng)濟(jì)性來講，扭力拉伸法費(fèi)用昂貴，是拉伸法和扭矩法的數(shù)倍，后兩者中，拉伸法費(fèi)用略高。

表1 3種緊固方法的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性

四、結(jié)論

在高溫高壓法蘭的緊固過程中，傳統(tǒng)的液壓拉伸法和扭矩法在經(jīng)濟(jì)性方面有著無可比擬的優(yōu)勢，使用效果也很不錯。若高溫高壓法蘭在使用中存在頻繁的壓變和溫變，還可能出現(xiàn)超溫超壓、振動、疲勞損壞的現(xiàn)象，容易發(fā)生泄漏的現(xiàn)象，法蘭密封失效后造成嚴(yán)重的危害則選擇扭力拉伸法更為合適，好鋼用在刀刃上。要按照法蘭在生產(chǎn)過程中的重要性、危險(xiǎn)性以及安全和經(jīng)濟(jì)性的要求來合理選擇法蘭螺栓的緊固方式更為重要。