法蘭螺栓定力矩緊固在工程施工中的應(yīng)用

張偉(廣東茂化建集團(tuán)有限公司工程事業(yè)部，廣東 茂名 525000)

0 引言

在石油化工生產(chǎn)中，石油化工設(shè)備和管道連接中最常使用的形式是法蘭連接。法蘭連接依靠螺栓、法蘭和墊片協(xié)同實(shí)現(xiàn)作用。英國(guó)UK00A(海上操作者協(xié)會(huì))對(duì)100 對(duì)失效的法蘭進(jìn)行調(diào)查，得出結(jié)論，其中81%的泄漏是由于不正確的螺栓載荷造成的[1]。在實(shí)際工程施工中，引起法蘭密封泄漏的原因主要有以下四點(diǎn)：(1)裝置操作條件：溫度變化，壓力波動(dòng)和原料切換；(2)法蘭因素：法蘭上螺母支撐面凹陷不平整，法蘭面與螺栓軸線不垂直等；(3)密封墊片因素：密封墊片存在貫穿性缺陷，密封過(guò)載等；(4)緊固件因素：螺栓塑性變形，螺牙阻力過(guò)大，螺栓預(yù)緊力不夠等。因此，為避免裝置發(fā)生泄漏事故，在實(shí)際工程施工中對(duì)法蘭螺栓定力矩緊固進(jìn)行過(guò)程管理顯得至關(guān)重要。

1 法蘭螺栓定力矩緊固簡(jiǎn)介

1.1 螺栓緊固的原理

螺母用于存留拉伸力，若螺母轉(zhuǎn)動(dòng)的角度使每條螺栓都得到所要求的伸長(zhǎng)量，則每個(gè)螺栓就會(huì)存留相同的拉伸力；若每條螺栓存留的拉伸力相同，則法蘭可獲得均勻的載荷；若載荷均勻，則法蘭就會(huì)平行閉合，沒(méi)有泄漏。

1.2 定力矩緊固的原理

在定力矩緊固螺栓過(guò)程中，使用液壓扭矩扳手、氣動(dòng)扭矩槍、鋰電槍等工具分別通過(guò)液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、電動(dòng)控制系統(tǒng)精確可靠地控制緊固力矩的大小，提高螺栓連接的可靠性，降低螺栓疲勞斷裂而造成的危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)靜密封“零泄漏”的目標(biāo)。

1.3 定力矩緊固流程

定力矩緊固流程如圖1 所示。

圖1 定力矩緊固流程圖

2 對(duì)法蘭螺栓定力矩緊固實(shí)施過(guò)程管理

為規(guī)范基建工程中法蘭密封面的施工作業(yè)，在施工期間對(duì)法蘭螺栓定力矩緊固實(shí)施過(guò)程管理具有重要意義。2019年10月，茂化建在中石化廣州分公司輕催裝置大修中高壓法蘭全部采用定力矩緊固的方式進(jìn)行緊固施工，取得良好效果。

2.1 前期準(zhǔn)備

(1)技術(shù)準(zhǔn)備

①法蘭螺栓工況調(diào)研及力矩值計(jì)算。準(zhǔn)確的工況數(shù)據(jù)是計(jì)算螺栓力矩值的關(guān)鍵，需要各施工員提供螺栓數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際復(fù)核。螺栓所需的最小力矩由三部分組成：a.克服溫差變化所需的力矩；b.克服內(nèi)壓所需的力矩；c.保證密封墊正常工作時(shí)所需的力矩。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，按照GB 150—2011《壓力容器》中關(guān)于壓力容器法蘭螺栓負(fù)荷的計(jì)算[2]，精確計(jì)算每個(gè)工況中螺栓在設(shè)備運(yùn)行中法蘭穩(wěn)定工作所需的螺栓載荷，從而設(shè)定目標(biāo)力矩值。計(jì)算方式如下所示：

法蘭連接螺栓預(yù)緊力：

法蘭螺栓力矩：

式中：C為可靠性系數(shù)，通常取C=1.1～1.3；R為受拉螺栓的橫向載荷；f為接合面間的摩擦系數(shù)(本項(xiàng)目裝置為干燥的機(jī)加工表面，取0.10～0.16)；z為1 對(duì)法蘭的螺栓個(gè)數(shù)；m為接合面數(shù)；Tf為法蘭螺栓力矩(N·m)；d為螺栓公稱(chēng)直徑(m)；K為力矩系數(shù)，K對(duì)于一般加工表面，如果是有潤(rùn)滑的，K可以取0.13～0.15；如果沒(méi)有潤(rùn)滑的，K可以取0.18～0.21。

在定力矩施工初期，對(duì)中石化廣州分公司輕催裝置大修中高壓法蘭按照螺栓的尺寸規(guī)格、材質(zhì)、強(qiáng)度等級(jí)以及操作工況溫度，結(jié)合公式(1)和(2)，計(jì)算出螺栓力矩值，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 輕催裝置檢修設(shè)備法蘭螺栓力矩值統(tǒng)計(jì)表

②制作掛牌。檢修設(shè)備的定力矩確定后，建立臺(tái)賬清單，制作“法蘭定力矩緊固標(biāo)準(zhǔn)化施工標(biāo)識(shí)牌”。

③學(xué)習(xí)施工方案。組織現(xiàn)場(chǎng)施工人員、質(zhì)檢人員及操作人員學(xué)習(xí)方案中設(shè)置的質(zhì)量控制點(diǎn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制要求及密封面定力矩檢修規(guī)程。

(2)材料驗(yàn)收。按設(shè)計(jì)文件和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)收密封墊片和新螺栓，驗(yàn)收合格后做好色標(biāo)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)交底掛牌

與監(jiān)理或業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)代表對(duì)接定力矩緊固法蘭位置、數(shù)量，建立數(shù)據(jù)清單，裝置停工后進(jìn)行貼牌標(biāo)記。

2.3 螺栓清洗和檢查

螺栓拆卸后按法蘭編號(hào)收集標(biāo)識(shí)，搬運(yùn)至指定區(qū)域清洗，用柴油或其他溶劑進(jìn)行浸泡、清洗，確保其表面無(wú)銹渣、油污、積垢。同時(shí)檢查螺桿、螺母的腐蝕情況及螺牙是否損壞、螺母能否自由旋入螺桿，檢查完成后，分類(lèi)做好標(biāo)識(shí)、做好防護(hù)，裝箱待用。

2.4 法蘭密封面清理和檢查

法蘭密封面打開(kāi)后，需立刻用鏟刀、抹布和砂紙對(duì)密封面進(jìn)行清理打磨，并對(duì)法蘭密封面的完好性進(jìn)行檢查，清理后的密封面要做好保護(hù)工作，避免銹蝕及碰傷。

2.5 墊片安裝

安裝法蘭時(shí)先將外層保護(hù)塑料膠帶拆除，檢查密封墊的完好性及有無(wú)缺陷；必須將密封墊放到位，切勿將安裝密封墊所用的膠帶遺留在密封墊上。

2.6 螺栓潤(rùn)滑

潤(rùn)滑可以降低摩擦系數(shù)，以更低的力矩達(dá)到給定的螺栓載荷，有效提高螺栓之間載荷的一致性，同時(shí)利于下次緊固件的拆卸。一般工況下潤(rùn)滑劑選潤(rùn)滑脂，高溫工況下選二硫化鉬。

2.7 法蘭回裝

依據(jù)ASME PCC-1—2010《壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》對(duì)法蘭中心線找正[3]：在法蘭周?chē)x四個(gè)點(diǎn)，相互間隔90mm，確保任何一點(diǎn)的公差均小于1.5mm。

法蘭平行度的找正：通過(guò)測(cè)量和比較法蘭的最大/最小間隙來(lái)確定，保證其公差不超過(guò)0.8mm。

法蘭螺栓孔的找正：按90o的測(cè)量公差；在此情況下，保證螺栓穿過(guò)法蘭螺栓孔，或者兩螺栓孔在3mm 的范圍內(nèi)。

兩片法蘭間隙的調(diào)整：當(dāng)法蘭處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩個(gè)法蘭間距應(yīng)大于墊片厚度，且不超過(guò)墊片厚度的兩倍。

法蘭螺栓回裝需注意：同一片法蘭螺栓材質(zhì)和規(guī)格保持一致；螺栓回裝避免損壞螺紋；螺栓穿過(guò)螺栓孔后如有污染，需清理后再涂抹潤(rùn)滑劑；拆卸前對(duì)法蘭螺栓編號(hào)；兩頭螺桿露出的螺紋長(zhǎng)度要調(diào)整一致。

2.8 定力矩緊固

(1)螺栓編號(hào)及緊固。法蘭緊固采用兩同步的方式，緊固前要對(duì)每個(gè)螺栓進(jìn)行編號(hào)，便于緊固時(shí)工具的對(duì)稱(chēng)放置。在緊固的過(guò)程中，遵循同步對(duì)稱(chēng)、順序、分步緊固原則，保證法蘭平行閉合。在輕催裝置大檢修中，以T301-RK01 法蘭(螺栓規(guī)格為M36、螺栓力矩為1412N·m)為例，緊固步驟為：①緊固到目標(biāo)力矩的50%，即706N·m；②緊固到目標(biāo)力矩的80%，即1130N·m；③緊固到目標(biāo)力矩的50%，即1412N·m，順時(shí)針緊固所有螺栓至全部不再轉(zhuǎn)動(dòng)。緊固方法為：①采樣十字對(duì)稱(chēng)定位緊固，如圖2 中①⑦和④⑩；②采樣十字對(duì)稱(chēng)順時(shí)針緊固，如圖2 中②⑧、③⑨、⑤?、⑥?；③采樣十字對(duì)稱(chēng)順時(shí)針順序緊固，如圖2 中①⑦、②⑧、③⑨、④⑩、⑤?、⑥?。

圖2 法蘭螺栓緊固順序圖

(2)法蘭平行度及間隙測(cè)量。

(3)力矩校驗(yàn)。法蘭螺栓緊固完成后，進(jìn)行力矩校驗(yàn)(力矩校驗(yàn)流程見(jiàn)圖3)，用校驗(yàn)合格的力矩扳手對(duì)緊固后整盤(pán)螺栓總數(shù)的20%進(jìn)行隨機(jī)抽檢。

圖3 力矩校驗(yàn)流程圖

(4)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

①設(shè)定抽檢力矩為最終力矩的80%，若被抽檢的螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，則判定該法蘭緊固不合格，需重新緊固至驗(yàn)收合格為止，若螺母沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)則進(jìn)入校驗(yàn)第二步驟。

②設(shè)定抽檢力矩為最終力矩的110%，被抽檢的螺母轉(zhuǎn)動(dòng)則判定合格，不轉(zhuǎn)動(dòng)則判定該法蘭螺栓不合格，驗(yàn)收不通過(guò)，需重新緊固至驗(yàn)收合格為止。

3 法蘭螺栓定力矩緊固的應(yīng)用效果

3.1 降低了物料介質(zhì)的泄漏排放

在輕催裝置大修中，經(jīng)過(guò)定力矩緊固后的設(shè)備法蘭螺栓，抗疲勞的性能更好，能長(zhǎng)期保持良好的緊固狀態(tài)，保證設(shè)備在工作負(fù)荷的情況下不泄漏物料介質(zhì)，有效降低了物料介質(zhì)的泄漏排放。

3.2 提高了設(shè)備及人員的安全性

設(shè)備在工作負(fù)荷或壓力下，其法蘭螺栓容易造成變形或斷裂，使得設(shè)備物料大量泄漏，造成火災(zāi)、爆炸或人員的燒傷、燙傷、炸傷、中毒等事故，通過(guò)對(duì)法蘭螺栓定力矩緊固實(shí)施過(guò)程管理，可100%提高設(shè)備及人員的安全性。

3.3 提高了工程施工效率

若在設(shè)備的維修、安裝過(guò)程中使用傳統(tǒng)辦法進(jìn)行法蘭螺栓緊固，用套把通過(guò)人力或大錘敲打去緊固法蘭螺栓，特別是施工場(chǎng)地狹窄處的螺栓，緊固一個(gè)螺栓需要10 多分鐘，但實(shí)施定力矩緊固作業(yè)，不到1 分鐘就能完成，工程施工效率提高數(shù)十倍。

3.4 施工效果好

法蘭螺栓定力矩緊固在維修、基建工程中的應(yīng)用，保證了工程施工質(zhì)量，節(jié)約了大量的人力物力，使得資源得到有效利用，施工勞動(dòng)強(qiáng)度降低，施工效果好。

3.5 提高了經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)法蘭密封實(shí)施定力矩緊固過(guò)程管理，確保了“零泄漏”的效果，確保裝置一次開(kāi)汽成功，提高了經(jīng)濟(jì)效益。以茂化建在中石化廣州分公司輕催裝置大修為例，若使用傳統(tǒng)的人力進(jìn)行法蘭螺栓緊固，裝置需停汽，重新緊固泄漏的法蘭螺栓，耗時(shí)至少15 天，按輕催裝置產(chǎn)能計(jì)算，每天的生產(chǎn)能力大約為5.5 萬(wàn)噸油品，15 天裝置減產(chǎn)82.5 萬(wàn)噸油品，同時(shí)返修也浪費(fèi)了大量人力物力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在中石化廣州分公司輕催裝置大修對(duì)高壓法蘭全部采用定力矩緊固的方式進(jìn)行緊固施工并實(shí)施過(guò)程管理，收到了良好效果：(1)降低了物料介質(zhì)的泄漏排放；(2)提高了設(shè)備及人員的安全性；(3)提高了工程施工效率；(4)資源得到更有效的利用，投入減少，施工效果更好；(5)提高了經(jīng)濟(jì)效益。