海洋石油工程建造中螺栓緊固順序分析

王超眾，魏玉壘，高鳳龍，袁林峰，董濟水

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島 266520）

越來越多的海洋石油工程項目要求在建造過程中進行法蘭管理。據(jù)統(tǒng)計，由于法蘭泄漏造成的經濟損失每年達上億美元。國際上專門的機構如ECITB對操作人員進行培訓和認證，也有專門的標準如ASME PCC-1對法蘭管理工作進行規(guī)范，目前筆者從事的涉外項目中全部要求進行法蘭管理。

法蘭管理工作是一項系統(tǒng)工程，它涉及到操作人員、技術人員、檢驗人員、安全人員、管理人員等，并對人員分工、培訓取證、工具選擇、材料檢驗、螺栓緊固、掛牌記錄等環(huán)節(jié)提出了具體要求，每個環(huán)節(jié)都是必不可少的工序，但其中螺栓緊固的環(huán)節(jié)尤其關鍵，直接關系到連接點的可靠性。

本文對法蘭管理以及螺栓緊固做一簡要介紹，并針對螺栓緊固順序的多種方式進行探討，其中的經驗可供同行參考。

1 法蘭管理簡介

法蘭管理從法蘭、螺栓、墊片等材料到貨時開始進行，它是對材料保護、搬運、裝配（拆卸）、檢驗、掛牌、記錄等活動的總稱，施工方開展工作前需編制詳細的施工程序報批，施工程序一般包含以下內容：

(1)人員分工：用于定義參與本項目人員的職責分工；(2)工作流程：用于定義法蘭管理工作的工作流程；(3)培訓和資質要求：用于定義培訓內容和人員認證要求；(4)工具設備：用于定義本項目用到的工具及適用范圍；(5)安全要求：用于規(guī)定本操作需要注意的安全事項；(6)材料保存和倒運：用于規(guī)定法蘭、螺栓、墊片等材料的保存和倒運要求；(7)裝配（拆卸）：用于規(guī)定本項目螺栓緊固的裝配過程和拆卸過程；(8)掛牌：用于規(guī)范法蘭管理工作完成后的掛牌要求；(9)檢驗和記錄：用于規(guī)定法蘭管理工作完成后的檢驗和記錄要求。

2 螺栓緊固簡介

螺栓緊固的最終目標是要確保法蘭連接在測試和運行期間始終無泄漏?？煽氐穆菟ňo固方式一般有力矩緊固和拉伸緊固兩種模式。力矩緊固是指采用手動力矩扳手或液壓力矩扳手，以目標力矩為基礎進行的一系列操作。拉伸緊固是指采用液壓拉伸器以目標拉伸力為基礎進行的操作。兩種方式除需要提前準備好工具外，還需要事先計算目標力矩或目標拉伸力。

一般來講，液壓拉伸由于其施壓過程平穩(wěn)、墊片受力均勻等原因，連接點可以獲得更精確的殘余應力，故而其效果優(yōu)于力矩方式，但限于設備昂貴、危險系數(shù)高、占用空間大等多方面原因，它無法完全取代力矩方式。在筆者從事的項目中，一般以螺栓直徑為依據(jù)，對緊固方式進行區(qū)分。對于直徑在1.25”及以下的螺栓，采用力矩方式緊固，對于直徑超過1.25”的螺栓，采用液壓拉伸方式緊固。對于力矩值超過1000N·m的螺栓，考慮采用液壓力矩扳手。

圖1 螺栓緊固工具

3 螺栓緊固順序分析

3.1 力矩緊固模式

ASME PCC-1章節(jié)11.1描述了當使用單一工具時可采用的螺栓緊固順序，目前海洋石油平臺通用的力矩緊固模式一般遵循ASME PCC-1中描述的傳統(tǒng)模式，即多步驟十字交叉法。這種方法要求首先對螺栓進行編號，然后按照一定的增量平穩(wěn)施加力矩，最后達到目標力矩。圖2為一幅12組螺栓的編號示意圖。

圖2 螺栓編號（12組螺栓）

以圖2為例，由于螺栓已經按十字交叉法編號，故緊固螺栓時只需按照數(shù)字順序從1到12依次進行緊固即可。

傳統(tǒng)模式的螺栓緊固至少需要進行五輪。在進行第一輪緊固前，先手動擰緊所有螺栓，并檢查法蘭面公差是否符合要求，法蘭面間隙是否均勻一致，待無問題后開始第一輪螺栓緊固。

仍以圖2的12組螺栓為例，第一輪緊固以目標力矩的20%-30%依次緊固1-12組螺栓，完畢后用塞尺檢查法蘭面間隙是否均勻一致；第二輪以目標力矩的50%-70%依次緊固1-12組螺栓，完畢后用塞尺檢查法蘭面間隙是否均勻一致；第三輪以目標力矩的100%依次緊固1-12組螺栓，完畢后用塞尺檢查法蘭面間隙是否均勻一致；第四輪以目標力矩的100%以順時針或逆時針方向依次緊固螺栓，直到所有螺母在該力矩下不再旋轉為止。

為消除短時蠕變松弛作用，ASME PCC-1要求至少4小時后，重復第四輪的步驟，即進行第五輪操作?？梢姲凑諅鹘y(tǒng)模式，一對法蘭面的螺栓至少需要進行五輪操作才能完成螺栓緊固工作，如果在操作過程中發(fā)現(xiàn)法蘭面間隙沒有達到均勻一致的要求，則需額外增加操作次數(shù)。

圖3 法蘭面間隙檢查

由于傳統(tǒng)模式方法繁復，ASME PCC-1附件F描述了多種替代方案，當采用單一工具時，可視情況采用替代模式，替代模式也是至少五輪操作，但每輪操作的螺栓數(shù)量大為不同。傳統(tǒng)模式要求每輪都要對所有螺栓進行緊固，以12組螺栓為例，五輪下來一共對螺栓緊固了60次。1#替代模式首輪只需對4組螺栓進行緊固（圖2中1-2-3-4），第二輪緊固接下來的4組（圖2中5-6-7-8），第三輪緊固剩余螺栓（圖2中9-10-11-12），第四輪以十字交叉法緊固所有螺栓（圖2中1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12），第五輪與傳統(tǒng)模式一致（圖2中1-8-10-4-6-12-2-7-9-3-5-11）。整個流程走下來一共對螺栓緊固了36次。

2#替代模式與1#替代模式類似，只是無需對螺栓進行編號，使得現(xiàn)場操作更加簡潔。首輪選4組對角螺栓進行緊固，第二輪選取第一輪緊固過的螺栓的相鄰螺栓進行緊固，第三輪緊固剩余螺栓，第四輪以十字交叉順序或圓周順序緊固所有螺栓，第五輪與傳統(tǒng)模式一致。

3#替代模式最為簡單，無論螺栓總量多少，它前三輪只緊固12點鐘、6點鐘、3點鐘、9點鐘方向4組螺栓，第四輪按照順時針或逆時針方向緊固所有螺栓，沒有第五輪。

盡管傳統(tǒng)模式操作最為繁瑣，但由于其安全系數(shù)較高，且有的替代模式只適用于部分場合，故海洋石油工程類項目依然重視傳統(tǒng)模式。

3.2 拉伸緊固模式

與力矩緊固模式相比，拉伸緊固操作起來相對簡單。一般來講，拉伸緊固采用50%覆蓋法，即每隔一個螺栓將其標記為A，另一半螺栓標記為B，一次拉伸一半數(shù)量的螺栓。

拉伸緊固可一步到位也可采用增量法。一步到位分為兩輪操作，首輪以目標拉伸力緊固A螺栓，第二輪以目標拉伸力緊固B螺栓。增量法拉伸可采用如下步驟：

(1)首輪緊固以30%目標拉伸力拉伸A螺栓；(2)第二輪緊固以60%目標拉伸力拉伸B螺栓；(3)第三輪緊固以100%目標拉伸力拉伸A螺栓，然后拉伸B螺栓；(4)為消除短時蠕變松弛作用，一段時間后以100%目標拉伸力拉伸A螺栓和B螺栓。

一步到位的方法由于其沒有漸變的過程，容易產生較大的應力松弛，故常用于要求不高的場合或臨時緊固，要求嚴格的法蘭節(jié)點建議使用增量法。

4 總結

法蘭管理工作在海洋石油工程類項目中的重要性日益凸顯，而其中最基本的環(huán)節(jié)就是螺栓緊固，本文根據(jù)實際工作經驗，介紹了法蘭管理和螺栓緊固工作，并針對螺栓緊固順序的多種方式進行了分析探討，其中的經驗可供同行參考。

◆參考文獻

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