文/宓正源

設備“零泄漏”需重新應用新技術
——徹底消除因法蘭泄漏和螺栓松動引發(fā)的災難性事故刻不容緩

文/宓正源

宓正源，中國設備管理協(xié)會理事，無泄漏無松動螺栓施工技術中心主任，螺栓預緊力控制中心技術顧問，教授級高級工程師，同時受聘于凱特克貿易(上海)有限公司任市場總監(jiān)。有豐富的生產實踐經驗，熟悉火力發(fā)電廠25MW至600MW 汽輪發(fā)電機組系統(tǒng)和運行，熟悉風力發(fā)電機組的結構、安裝、維護管理工作。

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、設備損壞、產品報廢、人員傷亡、環(huán)境污染等各類嚴重后果，給國民經濟和人民的生命財產帶來極大的危害。

青島11.22中石化爆炸事故發(fā)生后，習近平總書記親臨現場考察，他強調，這次事故再一次給我們敲響了警鐘，安全生產必須警鐘長鳴、常抓不懈，絲毫放松不得，否則就會給國家和人民帶來不可挽回的損失。必須建立健全安全生產責任體系，強化企業(yè)主體責任，深化安全生產大檢查，認真吸取教訓，注重舉一反三，全面加強安全生產工作。要做到“一廠出事故、萬廠受教育，一地有隱患、全國受警示”。

據英國UKOOA統(tǒng)計，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緊力造成的。

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

一問：要轉變什么觀念？

對部分領導和工程技術人員而言，螺栓是再普通不過的東西了，很少有人會把螺栓看成是高科技的產品。

但現在工業(yè)界使用的早已不是普通的螺栓，是對不同的用途，使用最合適的鋼材、采用先進的工藝、嚴格的標準，才生產出來的高強螺栓副。在風電行業(yè)，要求同一個法蘭上只能用同一批次的螺栓，因為同一廠家、按同一標準生產的不同批次的螺栓，其性能還有微小的差別。這些微小的變化，會影響螺栓的性能，留下事故的隱患。目前某些大尺寸、高強螺栓的制造標準在我國仍在制定中。

螺栓連接的是價格高昂的設備。法蘭兩側的焊縫需要企業(yè)花費大量投入培訓焊工，重要的焊縫要經過培訓的高級焊工持證上崗進行焊接，焊縫要100%探傷檢查，對不合格的焊縫要進行處理，對重要的焊縫還要進行熱處理。可是人們往往會忽視連接兩個法蘭的螺栓質量和緊固施工工藝，以為隨便找個人把螺栓緊到不動就好了。這是非常錯誤的想法，工業(yè)界已經為此付出了沉重的代價。

因此，我們要轉變觀念：不要小看了螺栓，高強螺栓就是高科技產品。

二問：為什么傳統(tǒng)的緊固方法不能控制螺栓的預緊力？

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，加長力臂套筒扳手，用大錘敲擊套筒扳手，氣動、電動、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、加長力臂套筒扳手以及用大錘敲擊套筒扳手緊固螺栓時，無法計量緊固力矩的大小，只能以扳手轉不動螺栓為止，所以不知道螺栓的預緊力是多少。

氣動、電動和傳統(tǒng)液壓板手緊固螺栓時雖然可以設定轉動螺栓的扭矩，但必須要有一個反作用力臂來平衡驅動力，否則機具就原地打轉了。根據力矩平移定律，液壓板手的效果此時等效于一個力偶加上一個與此力偶垂直的側向力。由于螺栓和螺母之間的螺紋為面接觸，有間隙，此側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。因為隨著反作用力臂支點的變化，會使螺紋之間線接觸的角度發(fā)生變化，還因為反作用力臂支點距離的不同，使側向力的大小相差很大，導致每條螺栓的摩擦系數和正壓力會不同，所以，每條螺栓緊固時的實際摩擦阻力會相差甚大。由于無法測量和計算每條螺栓實際產生的摩擦系數以及正壓力的大小，因此無法知道每條螺栓緊固時實際的摩擦阻力。

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化成螺栓的預緊力，由于每條螺栓的摩擦阻力不同，其預緊力數值自然也是個未知數。

至于液壓螺栓拉伸器（圖2），不但要對螺栓產生過度拉伸，而且拉伸器緊固后的螺栓預緊力的精度更低。據德國巴斯夫實驗室對用液壓扳手和液壓拉伸器緊固后的螺栓的預緊力進行檢測，預緊力精度分別為±15%和±51%。

用加熱方法讓螺栓伸長，到達預定的溫度后轉動螺母一個角度，等溫度降低后獲得預緊力。當然，這種方法也無法得知實際的預緊力大小。

三問：為什么螺栓預緊力不夠高以及偏差大，會導致法蘭泄漏或螺栓松動？

對彈性法蘭（法蘭間帶彈性密封墊圈），只要法蘭上某條螺栓的預緊力低于法蘭內部的壓力時，也就是不能封住內部壓力時，內部的工質就會沖破密封墊的約束，向外泄漏，一旦泄漏的介質破壞了密封墊和法蘭，即使再緊固螺栓也無濟于事了。在排除了法蘭密封面、密封墊和螺栓質量不合格因素以外，就是法蘭上這一圈螺栓的預緊力控制不當導致的結果。符合水桶的短板效應，水位的高低，取決于短板的長度。

對剛性法蘭（法蘭間無墊圈），螺栓在長期交變應力的作用下，如果螺栓預緊力的偏差太大，預緊力相對小的螺栓，將受到較大幅度變化的交變應力，這條螺栓會很快就發(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，螺栓也會發(fā)生疲勞、松動、進而斷裂失效。螺栓的松動會直接導致大型轉動機械的振動，輕則停機或影響產品質量，重則機毀傷人。

圖3 CLAMP拉伸螺母

四問：如何才能獲得高精度，并可預知的螺栓預緊力？

如果在緊固螺栓時沒有附加的力偶作用到螺母上，就像用兩個手指擰動螺母，此時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滑條件一致，在緊固螺栓時就可以獲得大致相同的摩擦力，相同的驅動力減去大致相同的摩擦力，就可獲得較為精確的螺栓預緊力。

美國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具，幫助工人扔掉了大錘，現在工業(yè)界使用的液壓扳手都是這種技術的翻版。但是，反作用力臂也帶來了負面的影響，如：實際的預緊力不可知，當反作用力臂的支靠點太近時，反作用力過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年推出了一項無反作用力臂緊固螺栓的專利技術。

用一個自帶反作用力臂的CLAMP拉伸螺母（圖3）代替常規(guī)螺母。通過螺母的外套筒，巧妙地自平衡了反作用力，首次取消了反作用力臂。由于在拉伸螺母內控制了所有相對運動部件的摩擦力，這一技術可以控制螺栓預緊力的大小和偏差，從而滿足了法蘭不發(fā)生泄漏和螺栓不發(fā)生松動的條件，可以保證設備的安全運行。

這一技術特別適合對火電、核電、水電的大直徑螺栓進行冷緊、冷松施工，大大加快了施工速度和減輕了工人的勞動強度。因這項技術要用一個新的螺母代替原先的螺母，對普通企業(yè)全面推廣有困難。因此，該公司2003年又推出一項新的專利產品。

圖4 DISC拉伸墊圈

用一個特殊的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）。

驅動器的外套筒上部份和液壓機具固定，下端口和六角形拉伸墊圈相嚙合，驅動器內套筒轉動原配的螺母時產生的反作用力，通過驅動器的外套筒，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。機具轉動原配的螺母時，使螺紋之間保持面接觸，相當于用手指轉動螺母，無偏載力偶，只要控制好各摩擦面的加工精度和相同的潤滑條件，每個螺母就可產生大致相似的摩擦阻力。液壓機具對螺母產生的相同的驅動力減去螺母產生的大致相似的摩擦阻力，螺栓就可獲得較為相似的預緊力。用這種方法緊固的螺栓，其預緊力的精度經德國實驗室測試，為±4%。這一技術解決了石化企業(yè)的法蘭長年泄漏問題以及風電葉片和輪轂的連接問題，但因大批量墊圈的應用需要大投入，因此該公司為了進一步減低客戶的負擔，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，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發(fā)生螺栓跟轉，同時推出了“防跟轉墊圈”，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，用手擰緊螺母后，就可將專用的驅動器外套筒的底部和“自反作用力墊圈”的外齒嚙合，機具轉動螺母時，反作用力就通過驅動器外套筒，傳遞到墊圈的外齒上，自相平衡。沒有偏載，螺栓就被垂直拉伸，直達預先設定的預緊力。由于采用了“自反作用力墊圈”，可以采用專用的液壓驅動、電動、氣動、鋰電池驅動機具緊固螺栓，非常方便，易于操作。

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

對彈性法蘭（法蘭間帶彈性密封墊圈），緊固時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，特殊場合例如核電設備甚至可以一次同步緊固100%的螺栓。只要根據裝備的實際工況，選用合格的螺栓副、合格的螺紋潤滑劑、合格的密封墊圈、合格的法蘭面、合格的法蘭對中、按設計要求設定預緊力值（安全地接近密封墊圈壓潰的極限值）、由經過培訓的人員實施緊固，螺栓就可獲得精度在±5%～10%的預緊力，消除法蘭泄漏的問題。

對剛性法蘭必須控制螺栓預緊力盡量安全地接近螺栓材料的屈服極限，并控制螺栓預緊力的精度在±5%～10%，即可解決螺栓松動的問題。

到目前為止，這一無反作用力臂螺栓緊固技術已經在我國的石油、化工、鋼鐵、風電、火電、核電、水電、高鐵、大型工程機械、造船業(yè)得到廣泛的應用。徹底消除了使用單位設備的法蘭泄漏和螺栓松動事故，大大減少了寶貴資源的浪費和停工維修的時間。

中國設備管理協(xié)會向全國工業(yè)界介紹這項新技術。希望有關企業(yè)的領導，高度重視這一世界領先的螺栓緊固技術。只有領導真正理解，并認識到這項技術背后巨大的經濟價值，才能推動和應用這項新技術。促進我國裝備制造業(yè)的轉型升級，徹底消除因法蘭泄漏和螺栓松動引發(fā)的災難性事故。