設(shè)備“零泄漏”需重新應(yīng)用新技術(shù)
——徹底消除因法蘭泄漏和螺栓松動(dòng)引發(fā)的災(zāi)難性事故刻不容緩

文/宓正源

設(shè)備“零泄漏”需重新應(yīng)用新技術(shù)
——徹底消除因法蘭泄漏和螺栓松動(dòng)引發(fā)的災(zāi)難性事故刻不容緩

文/宓正源

宓正源，中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)理事，無(wú)泄漏無(wú)松動(dòng)螺栓施工技術(shù)中心主任，螺栓預(yù)緊力控制中心技術(shù)顧問(wèn)，教授級(jí)高級(jí)工程師，同時(shí)受聘于凱特克貿(mào)易(上海)有限公司任市場(chǎng)總監(jiān)。有豐富的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，熟悉火力發(fā)電廠25MW至600MW 汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)和運(yùn)行，熟悉風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、安裝、維護(hù)管理工作。

眾所周知，工礦企業(yè)的重大裝備一旦發(fā)生泄漏，可引發(fā)爆炸、火災(zāi)、設(shè)備損壞、產(chǎn)品報(bào)廢、人員傷亡、環(huán)境污染等各類(lèi)嚴(yán)重后果，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。

青島11.22中石化爆炸事故發(fā)生后，習(xí)近平總書(shū)記親臨現(xiàn)場(chǎng)考察，他強(qiáng)調(diào)，這次事故再一次給我們敲響了警鐘，安全生產(chǎn)必須警鐘長(zhǎng)鳴、常抓不懈，絲毫放松不得，否則就會(huì)給國(guó)家和人民帶來(lái)不可挽回的損失。必須建立健全安全生產(chǎn)責(zé)任體系，強(qiáng)化企業(yè)主體責(zé)任，深化安全生產(chǎn)大檢查，認(rèn)真吸取教訓(xùn)，注重舉一反三，全面加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作。要做到“一廠出事故、萬(wàn)廠受教育，一地有隱患、全國(guó)受警示”。

據(jù)英國(guó)UKOOA統(tǒng)計(jì)，100起法蘭泄漏的事故中有81%的泄漏是不正確的螺栓載荷即預(yù)緊力造成的。

為了安裝和拆卸的需要，在石油、化工、風(fēng)電、核電、火電、水電、船舶、礦山機(jī)械、高鐵、裝備制造業(yè)等行業(yè)及領(lǐng)域又不得不使用螺栓連接，因此，本文呼吁企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)要轉(zhuǎn)變觀念，只有采用了新技術(shù)、新工藝，才能徹底消除因法蘭泄漏和螺栓松動(dòng)引發(fā)的災(zāi)難性事故。

一問(wèn)：要轉(zhuǎn)變什么觀念？

對(duì)部分領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員而言，螺栓是再普通不過(guò)的東西了，很少有人會(huì)把螺栓看成是高科技的產(chǎn)品。

但現(xiàn)在工業(yè)界使用的早已不是普通的螺栓，是對(duì)不同的用途，使用最合適的鋼材、采用先進(jìn)的工藝、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，才生產(chǎn)出來(lái)的高強(qiáng)螺栓副。在風(fēng)電行業(yè)，要求同一個(gè)法蘭上只能用同一批次的螺栓，因?yàn)橥粡S家、按同一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的不同批次的螺栓，其性能還有微小的差別。這些微小的變化，會(huì)影響螺栓的性能，留下事故的隱患。目前某些大尺寸、高強(qiáng)螺栓的制造標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)仍在制定中。

螺栓連接的是價(jià)格高昂的設(shè)備。法蘭兩側(cè)的焊縫需要企業(yè)花費(fèi)大量投入培訓(xùn)焊工，重要的焊縫要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的高級(jí)焊工持證上崗進(jìn)行焊接，焊縫要100%探傷檢查，對(duì)不合格的焊縫要進(jìn)行處理，對(duì)重要的焊縫還要進(jìn)行熱處理?？墒侨藗兺鶗?huì)忽視連接兩個(gè)法蘭的螺栓質(zhì)量和緊固施工工藝，以為隨便找個(gè)人把螺栓緊到不動(dòng)就好了。這是非常錯(cuò)誤的想法，工業(yè)界已經(jīng)為此付出了沉重的代價(jià)。

因此，我們要轉(zhuǎn)變觀念：不要小看了螺栓，高強(qiáng)螺栓就是高科技產(chǎn)品。

二問(wèn)：為什么傳統(tǒng)的緊固方法不能控制螺栓的預(yù)緊力？

圖1 帶反作用力臂液壓扳手

傳統(tǒng)方法緊固螺栓，往往采用活扳手，套筒（死）扳手，加長(zhǎng)力臂套筒扳手，用大錘敲擊套筒扳手，氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓扳手，液壓拉伸器，加熱螺栓后再緊固螺母等手段。以下分別介紹。

活扳手、套筒扳手、加長(zhǎng)力臂套筒扳手以及用大錘敲擊套筒扳手緊固螺栓時(shí)，無(wú)法計(jì)量緊固力矩的大小，只能以扳手轉(zhuǎn)不動(dòng)螺栓為止，所以不知道螺栓的預(yù)緊力是多少。

氣動(dòng)、電動(dòng)和傳統(tǒng)液壓板手緊固螺栓時(shí)雖然可以設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓的扭矩，但必須要有一個(gè)反作用力臂來(lái)平衡驅(qū)動(dòng)力，否則機(jī)具就原地打轉(zhuǎn)了。根據(jù)力矩平移定律，液壓板手的效果此時(shí)等效于一個(gè)力偶加上一個(gè)與此力偶垂直的側(cè)向力。由于螺栓和螺母之間的螺紋為面接觸，有間隙，此側(cè)向力將螺紋之間的面接觸改變成線接觸，大大增加了螺紋之間的摩擦系數(shù)。因?yàn)殡S著反作用力臂支點(diǎn)的變化，會(huì)使螺紋之間線接觸的角度發(fā)生變化，還因?yàn)榉醋饔昧Ρ壑c(diǎn)距離的不同，使側(cè)向力的大小相差很大，導(dǎo)致每條螺栓的摩擦系數(shù)和正壓力會(huì)不同，所以，每條螺栓緊固時(shí)的實(shí)際摩擦阻力會(huì)相差甚大。由于無(wú)法測(cè)量和計(jì)算每條螺栓實(shí)際產(chǎn)生的摩擦系數(shù)以及正壓力的大小，因此無(wú)法知道每條螺栓緊固時(shí)實(shí)際的摩擦阻力。

圖2 液壓拉伸器

以液壓扳手為例（圖1），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(yù)緊力，由于每條螺栓的摩擦阻力不同，其預(yù)緊力數(shù)值自然也是個(gè)未知數(shù)。

至于液壓螺栓拉伸器（圖2），不但要對(duì)螺栓產(chǎn)生過(guò)度拉伸，而且拉伸器緊固后的螺栓預(yù)緊力的精度更低。據(jù)德國(guó)巴斯夫?qū)嶒?yàn)室對(duì)用液壓扳手和液壓拉伸器緊固后的螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)緊力精度分別為±15%和±51%。

用加熱方法讓螺栓伸長(zhǎng)，到達(dá)預(yù)定的溫度后轉(zhuǎn)動(dòng)螺母一個(gè)角度，等溫度降低后獲得預(yù)緊力。當(dāng)然，這種方法也無(wú)法得知實(shí)際的預(yù)緊力大小。

三問(wèn)：為什么螺栓預(yù)緊力不夠高以及偏差大，會(huì)導(dǎo)致法蘭泄漏或螺栓松動(dòng)？

對(duì)彈性法蘭（法蘭間帶彈性密封墊圈），只要法蘭上某條螺栓的預(yù)緊力低于法蘭內(nèi)部的壓力時(shí)，也就是不能封住內(nèi)部壓力時(shí)，內(nèi)部的工質(zhì)就會(huì)沖破密封墊的約束，向外泄漏，一旦泄漏的介質(zhì)破壞了密封墊和法蘭，即使再緊固螺栓也無(wú)濟(jì)于事了。在排除了法蘭密封面、密封墊和螺栓質(zhì)量不合格因素以外，就是法蘭上這一圈螺栓的預(yù)緊力控制不當(dāng)導(dǎo)致的結(jié)果。符合水桶的短板效應(yīng)，水位的高低，取決于短板的長(zhǎng)度。

對(duì)剛性法蘭（法蘭間無(wú)墊圈），螺栓在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下，如果螺栓預(yù)緊力的偏差太大，預(yù)緊力相對(duì)小的螺栓，將受到較大幅度變化的交變應(yīng)力，這條螺栓會(huì)很快就發(fā)生疲勞斷裂，即使緊固完就把這條螺栓的螺母和螺栓焊上，螺栓也會(huì)發(fā)生疲勞、松動(dòng)、進(jìn)而斷裂失效。螺栓的松動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致大型轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的振動(dòng)，輕則停機(jī)或影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則機(jī)毀傷人。

圖3 CLAMP拉伸螺母

四問(wèn)：如何才能獲得高精度，并可預(yù)知的螺栓預(yù)緊力？

如果在緊固螺栓時(shí)沒(méi)有附加的力偶作用到螺母上，就像用兩個(gè)手指擰動(dòng)螺母，此時(shí)摩擦副螺紋之間是面接觸，只要控制好螺紋之間、螺母和墊圈之間接觸面的加工精度以及保持摩擦副的潤(rùn)滑條件一致，在緊固螺栓時(shí)就可以獲得大致相同的摩擦力，相同的驅(qū)動(dòng)力減去大致相同的摩擦力，就可獲得較為精確的螺栓預(yù)緊力。

美國(guó)HYTORC公司在1968年發(fā)明了世間第一部帶反作用力臂的液壓扳手，為世人提供了能夠緊固大尺寸螺栓的機(jī)具，幫助工人扔掉了大錘，現(xiàn)在工業(yè)界使用的液壓扳手都是這種技術(shù)的翻版。但是，反作用力臂也帶來(lái)了負(fù)面的影響，如：實(shí)際的預(yù)緊力不可知，當(dāng)反作用力臂的支靠點(diǎn)太近時(shí)，反作用力過(guò)大容易損壞液壓扳手的殼體，夾傷操作人員的手指，有些工況很難找到反作用力臂的支靠點(diǎn)等缺陷。

該公司為取消反作用力臂做出了不懈的努力。終于在1990年推出了一項(xiàng)無(wú)反作用力臂緊固螺栓的專(zhuān)利技術(shù)。

用一個(gè)自帶反作用力臂的CLAMP拉伸螺母（圖3）代替常規(guī)螺母。通過(guò)螺母的外套筒，巧妙地自平衡了反作用力，首次取消了反作用力臂。由于在拉伸螺母內(nèi)控制了所有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力，這一技術(shù)可以控制螺栓預(yù)緊力的大小和偏差，從而滿(mǎn)足了法蘭不發(fā)生泄漏和螺栓不發(fā)生松動(dòng)的條件，可以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

這一技術(shù)特別適合對(duì)火電、核電、水電的大直徑螺栓進(jìn)行冷緊、冷松施工，大大加快了施工速度和減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。因這項(xiàng)技術(shù)要用一個(gè)新的螺母代替原先的螺母，對(duì)普通企業(yè)全面推廣有困難。因此，該公司2003年又推出一項(xiàng)新的專(zhuān)利產(chǎn)品。

圖4 DISC拉伸墊圈

用一個(gè)特殊的DISC拉伸墊圈代替常規(guī)的平墊圈。拉伸墊圈外形尺寸和原配的螺母相同，是六角形（圖4）。

驅(qū)動(dòng)器的外套筒上部份和液壓機(jī)具固定，下端口和六角形拉伸墊圈相嚙合，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)原配的螺母時(shí)產(chǎn)生的反作用力，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的外套筒，傳遞到六角拉伸墊圈上，自相平衡，因此去掉了傳統(tǒng)意義上的反作用力臂。機(jī)具轉(zhuǎn)動(dòng)原配的螺母時(shí)，使螺紋之間保持面接觸，相當(dāng)于用手指轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，無(wú)偏載力偶，只要控制好各摩擦面的加工精度和相同的潤(rùn)滑條件，每個(gè)螺母就可產(chǎn)生大致相似的摩擦阻力。液壓機(jī)具對(duì)螺母產(chǎn)生的相同的驅(qū)動(dòng)力減去螺母產(chǎn)生的大致相似的摩擦阻力，螺栓就可獲得較為相似的預(yù)緊力。用這種方法緊固的螺栓，其預(yù)緊力的精度經(jīng)德國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，為±4%。這一技術(shù)解決了石化企業(yè)的法蘭長(zhǎng)年泄漏問(wèn)題以及風(fēng)電葉片和輪轂的連接問(wèn)題，但因大批量墊圈的應(yīng)用需要大投入，因此該公司為了進(jìn)一步減低客戶(hù)的負(fù)擔(dān)，在2014年又推出了一款Z-Washer“自反作用力墊圈”（圖5）。該墊圈和常規(guī)的平墊圈具有相同的尺寸和材質(zhì)，只是外周有一圈外齒。該墊圈和螺母接觸的面很光滑，和法蘭的接觸面為了增加摩擦力有滾花。為了防止螺栓在緊固時(shí)發(fā)生螺栓跟轉(zhuǎn)，同時(shí)推出了“防跟轉(zhuǎn)墊圈”，該墊圈的尺寸和普通平墊圈一樣，只是兩面為了增加摩擦力，都滾了花。

圖5 Z-Washer“自反作用力墊圈”

將“防跟轉(zhuǎn)墊圈”放在螺栓頭和法蘭之間，將“自反作用力墊圈”放到原配螺母下，用手?jǐn)Q緊螺母后，就可將專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器外套筒的底部和“自反作用力墊圈”的外齒嚙合，機(jī)具轉(zhuǎn)動(dòng)螺母時(shí)，反作用力就通過(guò)驅(qū)動(dòng)器外套筒，傳遞到墊圈的外齒上，自相平衡。沒(méi)有偏載，螺栓就被垂直拉伸，直達(dá)預(yù)先設(shè)定的預(yù)緊力。由于采用了“自反作用力墊圈”，可以采用專(zhuān)用的液壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)、鋰電池驅(qū)動(dòng)機(jī)具緊固螺栓，非常方便，易于操作。

新的無(wú)反作用力臂螺栓緊固技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)可以較精確地將預(yù)緊力控制在±4%～10%（取決于是否更換新的螺栓及螺母、施工工藝、潤(rùn)滑劑性能和施工人員的操作水平）。

對(duì)彈性法蘭（法蘭間帶彈性密封墊圈），緊固時(shí)最好使法蘭平行閉合。因此，需要一次同步緊固至少4條螺栓，特殊場(chǎng)合例如核電設(shè)備甚至可以一次同步緊固100%的螺栓。只要根據(jù)裝備的實(shí)際工況，選用合格的螺栓副、合格的螺紋潤(rùn)滑劑、合格的密封墊圈、合格的法蘭面、合格的法蘭對(duì)中、按設(shè)計(jì)要求設(shè)定預(yù)緊力值（安全地接近密封墊圈壓潰的極限值）、由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員實(shí)施緊固，螺栓就可獲得精度在±5%～10%的預(yù)緊力，消除法蘭泄漏的問(wèn)題。

對(duì)剛性法蘭必須控制螺栓預(yù)緊力盡量安全地接近螺栓材料的屈服極限，并控制螺栓預(yù)緊力的精度在±5%～10%，即可解決螺栓松動(dòng)的問(wèn)題。

到目前為止，這一無(wú)反作用力臂螺栓緊固技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的石油、化工、鋼鐵、風(fēng)電、火電、核電、水電、高鐵、大型工程機(jī)械、造船業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。徹底消除了使用單位設(shè)備的法蘭泄漏和螺栓松動(dòng)事故，大大減少了寶貴資源的浪費(fèi)和停工維修的時(shí)間。

中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)向全國(guó)工業(yè)界介紹這項(xiàng)新技術(shù)。希望有關(guān)企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)，高度重視這一世界領(lǐng)先的螺栓緊固技術(shù)。只有領(lǐng)導(dǎo)真正理解，并認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)背后巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，才能推動(dòng)和應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)。促進(jìn)我國(guó)裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，徹底消除因法蘭泄漏和螺栓松動(dòng)引發(fā)的災(zāi)難性事故。