馬小平，孫嘉禾，馮　祎，汪　軍，王占河

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川　750026）

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帶壓堵漏設(shè)備法蘭螺栓斷裂原因分析與對(duì)策

馬小平，孫嘉禾，馮祎，汪軍，王占河

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川750026）

摘要：本文通過對(duì)本公司設(shè)備法蘭帶壓堵漏時(shí)法蘭螺栓斷裂問題展開研究，通過分析與計(jì)算找出螺栓斷裂的主要原因，制定詳細(xì)的對(duì)策，使得堵漏作業(yè)更加安全、可靠。

關(guān)鍵詞：帶壓堵漏；螺栓斷裂；對(duì)策

石油化工設(shè)備法蘭發(fā)生泄漏后，按照一般的檢修方法是在泄漏法蘭上安裝夾具注入堵漏膠進(jìn)行消漏，待設(shè)備法蘭堵漏后仍有部分夾具還會(huì)再次發(fā)生泄漏，這就要對(duì)再次發(fā)生泄漏的夾具進(jìn)行反復(fù)的補(bǔ)膠作業(yè)，部分泄漏夾具需要定期進(jìn)行補(bǔ)膠作業(yè)，在注膠的過程中部分設(shè)備法蘭螺栓斷裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，處理不當(dāng)會(huì)造成事故和非計(jì)劃停車，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為了保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，研究石油化工帶壓堵漏法蘭螺栓發(fā)生斷裂的原因是必要的。

1　帶壓堵漏法蘭螺栓斷裂原因分析

公司檢修人員對(duì)裝置余熱鍋爐高溫省煤器安全閥前法蘭夾具進(jìn)行補(bǔ)膠作業(yè)[1，2]，當(dāng)注膠泵壓力升至50 MPa，該法蘭西北側(cè)底部的法蘭突然發(fā)生斷裂（螺栓斷裂見圖1），介質(zhì)從螺栓孔刺出，最終造成該裝置的余熱鍋爐緊急停爐。

圖1　法蘭螺栓斷裂圖

根據(jù)螺栓所受應(yīng)力確定原則，螺紋連接件所承受最大應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限的80 %。通常螺栓在全部結(jié)構(gòu)零件的破壞中，疲勞斷裂占絕大多數(shù)，在宏觀上沒有顯著的塑性變形，所以疲勞破斷屬于脆性斷裂。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至一定深度后，零件的剩余截面積不足以抵抗外力的作用而產(chǎn)生瞬時(shí)破斷。所以以屈服強(qiáng)度σs為臨界點(diǎn)計(jì)算設(shè)備螺栓承受的最大注膠壓力是可靠的[3，4]。本文通過對(duì)設(shè)備法蘭安裝夾具后的螺栓進(jìn)行分析，以裝置設(shè)備法蘭常用8.8級(jí)等級(jí)的螺栓為例進(jìn)行分析，確定帶壓堵漏法蘭螺栓斷裂的主要原因。

1.1螺栓化學(xué)分析

螺栓斷裂的形貌上可以看出（見圖2），堵漏膠已浸入斷裂螺栓處，整個(gè)斷裂螺栓的斷口比較平整，呈典型的疲勞破斷的脆性斷裂。經(jīng)本公司理化工對(duì)35CrMoA螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果（見表1）。

圖2　斷裂螺栓端面圖

通過表1可以看出，斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果符合35CrMoA材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表1　 35CrMoA螺栓斷口化學(xué)成分（%）

1.2螺栓力學(xué)分析

根據(jù)上述條件對(duì)斷裂螺栓抽樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，螺栓的性能等級(jí)為8.8級(jí)，螺栓斷裂處在螺紋處，螺栓根部R處未見異常，說明該螺栓拉伸能力滿足技術(shù)要求[5]。

1.3螺栓金相分析

通過圖2可以看到，該螺栓斷裂屬扭轉(zhuǎn)剪切所導(dǎo)致，5倍放大鏡觀察可以斷定斷口處有滲入的堵漏膠，反復(fù)高壓的注膠壓力導(dǎo)致疲勞裂紋，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至一定深度后，零件的剩余截面積不足以抵抗外力的作用而最終發(fā)生脆性斷裂。

1.4帶壓堵漏時(shí)法蘭螺栓受力分析

對(duì)于每一設(shè)備法蘭進(jìn)行帶壓堵漏的螺栓所承受的拉力F主要由四部分（系統(tǒng)介質(zhì)的工作壓力F工、殘余預(yù)緊力F殘、最大注膠壓力F注、夾具受力F夾）組成。大多數(shù)螺栓聯(lián)接都是緊聯(lián)接，在承受預(yù)緊力F0的同時(shí)，還承受0到P工循環(huán)變化的脈動(dòng)工作載荷，脈動(dòng)工作載荷圖（見圖3），螺栓承受介質(zhì)工作載荷后，根據(jù)螺栓和被聯(lián)接件的變化情況，螺栓的預(yù)緊力F預(yù)減少至殘余預(yù)緊力F殘，其變化示意圖（見圖4）。得到設(shè)備法蘭帶壓堵漏時(shí)螺栓所承受的總拉力：

式中：F總－螺栓承受預(yù)緊力、工作載荷、最大注膠拉力共同作用時(shí)的總拉力；F預(yù)－螺栓承受的預(yù)緊力；F工－螺栓承受的工作拉力；F注－螺栓承受的最大注膠拉力；Cb－螺栓的剛度；Cm－被聯(lián)接件的剛度。

圖3　螺栓P工的變化示意圖

其中，Cb/（Cb+Cm）稱為螺栓的相對(duì)剛度，其取值由墊片材料決定，如：金屬墊片或無墊片取0.2～0.3，石棉墊片取0.8，膠皮墊片取0.9[1]，由圖3可以看出本文中Cb/（Cb+Cm）的取值為0.3。

圖4　螺栓F殘的變化示意圖

由式（1）可以看到F總由F預(yù)到Fmax變化（見圖5）。

圖5　螺栓F總的變化示意圖

1.5確定設(shè)備法蘭螺栓等級(jí)為8.8級(jí)的帶壓堵漏最大注膠壓力

如本公司裝置余熱鍋爐B501A高溫省煤器安全閥前法蘭在帶壓堵漏注膠壓力的確定。安全閥前法蘭直徑為DN100，600LB，螺栓直徑為M24（螺栓的小徑d1為φ22.376）、8.8級(jí)、材質(zhì)為35CrMoA、共8條螺栓，介質(zhì)運(yùn)行壓力為5.0 MPa，經(jīng)測(cè)量和查詢標(biāo)準(zhǔn)GB/ T20615-2009得到D1=275 mm，D2=176 mm，由以上給定數(shù)據(jù)推導(dǎo)出該法蘭在給定工況下最大的注膠壓力公式，推導(dǎo)如下：

1.5.1確定法蘭螺栓屈服強(qiáng)度極限由已知條件得知該螺栓的抗拉強(qiáng)度σbc1=800 N/mm2（MPa）。

屈服強(qiáng)度極限σs1=800×0.8=640 N/mm2（MPa）。

1.5.2確定該法蘭的受力面積

式中：d1－外螺紋小徑；d2－外螺紋中徑；d3－螺紋的計(jì)算直徑；H-螺紋的原始三角形高度。

查手冊(cè)，d1=22.376 mm；d2=22.052 mm；H=0.866×P （P為螺距，M24的粗牙螺紋P=3）。

由以上可以得到：

1.5.3確定M24、8.8級(jí)螺栓預(yù)緊力值F預(yù)使螺栓中的拉應(yīng)力接近于所用材料的屈服點(diǎn)（f0.2）,考慮材料不均勻系數(shù)0.9、超張拉系數(shù)0.9和剪應(yīng)力（擰螺母時(shí)產(chǎn)生）引起的承載力降低系數(shù)1.2，預(yù)緊力計(jì)算式為：

1.5.4確定該法蘭的最大的注膠壓力查《螺栓聯(lián)結(jié)受外力作業(yè)時(shí)的力學(xué)計(jì)算》得到F預(yù)=0.9×0.9/1.2×α× σs1×S受力。

式中：σs1－高強(qiáng)螺栓經(jīng)熱處理后的最低抗拉強(qiáng)度，σs1=800×0.8=640 N/mm2（MPa）；α－屈強(qiáng)比（假定屈服點(diǎn)與最低抗拉強(qiáng)度比值，從上文帶壓堵漏時(shí)法蘭螺栓受力分析中可得到α=0.8）。

由式（3）得到F預(yù)=1 055 647 N。

表2　高強(qiáng)螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力P值（kN）

由表2可以查到M24，8.8級(jí)螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)緊力P值為155 000 N。

由此可以得到F總=P總=8×155 000=1 240 000 N

由式（1）得到F注=F總-F預(yù)-Cb/（Cb+Cm）F工=σs1× S面-F預(yù)-Cb/（Cb+Cm）F工

F注=1 240 000-1 055 647-0.3×50×3 054=138 543 N

P注=F注/S受力=45.4 MPa

由此得到法蘭螺栓未發(fā)生疲勞斷裂的強(qiáng)度值為45.4 MPa，即注膠泵出口壓力值。由此得到，在石油化工企業(yè)中，確定8.8級(jí)設(shè)備螺栓帶壓堵漏時(shí)最大注劑壓力不能超過45 MPa。檢修作業(yè)人員在進(jìn)行補(bǔ)膠時(shí)，注膠泵出口壓力值達(dá)到50 MPa以上，反復(fù)注膠最終會(huì)導(dǎo)致設(shè)備法蘭發(fā)生斷裂。由此可見，注膠泵壓力超壓是導(dǎo)致螺栓斷裂的病癥所在。綜上所述，確定了設(shè)備螺栓性能等級(jí)為8.8級(jí)帶壓堵漏最大注膠壓力為45 MPa，按照此方法，也可計(jì)算不同直徑、性能等級(jí)為4.8級(jí)、8.8級(jí)、10.9級(jí)的螺栓在進(jìn)行帶壓堵漏時(shí)螺栓承受最大拉力的確定，此處不另作計(jì)算。

2　帶壓堵漏法蘭螺栓斷裂的對(duì)策

由上文可以得到，為了避免帶壓堵漏時(shí)設(shè)備法蘭螺栓承受疲勞后斷裂，最有效直接的方法就是提高帶壓堵漏一次成功率。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備法蘭的帶壓堵漏作業(yè)，若堵漏一次不成功，待堵漏膠固化后法蘭再次發(fā)生泄漏，補(bǔ)膠時(shí)勢(shì)必提高注膠泵壓力才能將新的堵漏膠注入到泄漏位置，這就需要提高帶壓堵漏的一次成功率，主要的對(duì)策如下所示。

2.1核算堵漏夾具內(nèi)堵漏所需用量

針對(duì)堵漏后頻繁“補(bǔ)膠”的現(xiàn)象，基于夾具空腔體積與堵漏膠的體積經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式推導(dǎo)常用夾具的體積計(jì)算公式和堵漏膠的壓縮比，從而得出常用類型的堵漏夾具內(nèi)所需堵漏膠的用量。

2.2夾具與泄漏設(shè)備的結(jié)合面間隙控制

材料的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹，熱膨脹通常用熱膨脹系數(shù)表示。金屬材料受溫度作用后，產(chǎn)生伸長(zhǎng)熱變形，不同金屬材料不同溫度下具有不同的熱膨脹系數(shù)和膨脹量。夾具熱膨脹量與金屬材料、受熱溫度和相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)以及構(gòu)件長(zhǎng)度（或直徑）大小有關(guān)。

熱膨脹量Δ=αtL（D）

式中：α－金屬材料熱膨脹系數(shù)，α×10-6（1/℃）；t－夾具材料所處的溫度，℃；L（D）－泄漏部件的長(zhǎng)度或夾具的直徑，mm。

夾具設(shè)計(jì)加工直徑D，應(yīng)當(dāng)用法蘭測(cè)量外徑D測(cè)-Δ，以便消除熱膨脹引起的吻合間隙超差的影響。

夾具與泄漏部位外表面的接觸部分的間隙應(yīng)有嚴(yán)格限制，以防止塑性極好的密封注劑外溢。如果吻合超差較大，則可以考慮在夾具與泄漏缺陷接觸部位上設(shè)計(jì)制作環(huán)、槽形密封結(jié)構(gòu)或其他形式的密封結(jié)構(gòu)，增大密封注劑的外溢阻力。其次，工具、夾具、溫度、推進(jìn)速度、注劑方法等技術(shù)組成要協(xié)調(diào)互補(bǔ)，用熱固型密封劑要注意推進(jìn)速度，溫度高，要控制好推進(jìn)速度，與固化時(shí)間相協(xié)調(diào)，過快速度會(huì)導(dǎo)致壓力過大，對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)度、剛度造成影響，過慢會(huì)導(dǎo)致注劑推不進(jìn)去；溫度低有時(shí)要用密封增強(qiáng)措施。

3　結(jié)語

通過計(jì)算與探討，得到了設(shè)備螺栓性能等級(jí)為8.8級(jí)的帶壓堵漏作業(yè)的最大注膠壓力的計(jì)算方法，按照此方法可迅速計(jì)算出各種不同規(guī)格、性能等級(jí)設(shè)備螺栓帶壓堵漏時(shí)的最大注膠壓力，從而有效的保證了帶壓堵漏作業(yè)的安全性、可靠性。

參考文獻(xiàn)：

［1］寧夏石化公司帶壓堵漏規(guī)程［S］.2003．

［2］承壓設(shè)備帶壓密封技術(shù)規(guī)范（GB/T26467-2011）［S］.2011.

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［5］陳建國(guó)，杜培德，周桂蓮.螺栓聯(lián)結(jié)受外力作業(yè)時(shí)的力學(xué)計(jì)算［J］.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（12）：534-536．

作者簡(jiǎn)介：馬小平，男（1981－），大學(xué)本科，工程師，目前在寧夏石化安檢公司煉油維修部從事檢維修技術(shù)質(zhì)量管理工作，郵箱：xpma@petrochina.com.cn。

*收稿日期：2016－01-20

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.028

中圖分類號(hào)：TE973.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-5285（2016）02-0115-04