梁立國，邊 晨，武保安，刁鳳東

中國石油管道局工程公司，河北 廊坊

1.引言

法蘭螺栓連接是石油化工行業(yè)廣泛應用的連接形式[1]，在沙特阿美公司哈拉德項目的輸氣站內，2 inch 及2 inch 以上的閥門均采用法蘭連接。隨著我國國內的油氣管道施工行業(yè)，法蘭螺栓的連接形式也逐步增多。為了避免法蘭連接處發(fā)生泄漏，需要對法蘭螺栓施加適合的預緊力，而恒定均勻的預緊力，需要采用液壓扳手通過適當?shù)姆椒ǎ┘庸潭ǖ牧刂怠?/p>

因此，學習好螺栓預緊力知識、熟練掌握液壓扭矩扳手操作性能、安全使用注意事項和維護與保養(yǎng)知識、安全合理地使用液壓扭矩扳手，可以省時、省力均勻施加在恒定扭矩螺栓上，快速且精確地完成工作任務[2]。

2.液壓扳手的應用現(xiàn)狀

2.1.國內應用現(xiàn)狀

隨著液壓扳手的結構更加簡單，性能更加穩(wěn)定，使用更加方便，國內石油化工、電力、礦山機械等各行各業(yè)都在逐步淘汰手動拆裝螺栓方式，大力推廣液壓扳手拆裝螺栓方式，尤其是在石油化工行業(yè)，應用液壓扳手進行法蘭緊固已經明確列入了強制性施工標準中。

在液壓扳手設備研究方面，隨著市場的擴大，杜德機械、馬鞍山沃頓機械以及華北水利水電學院等國內企業(yè)和研究單位從國外引進技術設備，并努力開展自主研發(fā)，使得液壓扳手的使用更加智能化，更促進了液壓扳手在法蘭緊固方面的應用。

2.2.國外應用現(xiàn)狀

在國外，隨著螺栓直徑越來越大，對扭矩要求越來越精確，手工拆裝的難度越來越大，使用電動扭矩液壓扳手已基本取代了傳統(tǒng)的手工拆裝。液壓扳手已應用于汽車、輪機、水利水電、化工裝備、船舶和道路橋梁施工等眾多行業(yè)，具有廣闊的市場應用前景[3]。

在設備技術研究方面，液壓扳手設備也在抓取特性、輕量化、連續(xù)擰緊和節(jié)能等關鍵技術方面不斷突破。美國Enerpac公司生產的鋼制中空液壓扳手包括六角驅動盒、驅動頭、旋轉接頭和反作用力臂等，可輸出最大扭矩達45,450 N·m，六角對邊尺寸范圍30～155 mm，具有結構緊湊、重量輕及工作效率高等優(yōu)點[4]。美國HYTORC公司生產的AL-Ti 合金液壓扳手，采用TITAL399材料，其結構“輕薄短小”，并且設有超壓釋放閥，具有較高安全性[5]。

3.液壓扳手的組成、分類與工作原理

液壓扳手屬于一種重工業(yè)大型機械螺栓螺母拆卸、預緊工具，以液壓為動力，提供大扭矩輸出，用于螺栓的安裝及拆卸。在使用高強螺栓的大型機電設備、油氣化工行業(yè)的管件連接處、尤其是承受載荷及強烈沖擊振動的位置大量應用，不僅提高了工作效率，減輕了勞動強度，而且極大的提高安裝質量，也有利于現(xiàn)場安全管理。

3.1.液壓扳手的基本組成

液壓扳手是由液壓扳手工作部分、液壓泵、雙聯(lián)高壓油管、快速接頭及高強度套筒組成(見圖1)。

Figure 1.Composition of hydraulic wrench 圖1.液壓扳手組成

液壓扳手的工作部分可以分為動力頭和工作頭(見圖2)，其中動力部分包括油缸、活塞以及與高壓軟管的接頭部分，主要用于將液壓泵傳來的動力轉化到活塞動力，工作頭主要包括機架、驅動架以及棘輪等，將活塞的動力轉化為螺栓的扭矩。

3.2.液壓扳手的分類

液壓扳手有驅動液壓扳手和中空液壓扳手兩大系列(見圖3)。

驅動液壓扳手配合標準套筒使用，只要在扭矩范圍允許的情況下，可根據替換相應的高強度套筒來完成不同規(guī)格的螺栓的緊固，適用范圍較廣。該類液壓扳手一般采用超高強的合金鋼制造，一體成型機身，全面加強機身強度，韌性可360°×180°旋轉的油管接頭，采用精密棘輪，精度可達±3%。

Figure 2.Head of hydraulic wrench 圖2.液壓扳手頭

Figure 3.RHD& RHW of hydraulic wrench 圖3.驅動式和中空式液壓扳手

中空液壓扳手則是配備過渡套使用。一般為在螺桿伸出來比較長、空間范圍比較小、雙螺母、螺栓間距太小、螺母與設備壁太小，或者一些特定的行業(yè)的疑難工況較多。

3.3.液壓扳手的基本工作原理

一套液壓扳手的動力是由液壓泵提供，工作前，首先將扳手頭卡住螺母等緊固件，然后空載啟動液壓泵，通過液壓閥控制液壓油的流動方向、壓力和速度，并通過高壓油管傳送到液壓扳手頭的動力部分(油缸)，再傳送到工作頭，轉化為扭矩。

液壓泵啟動后，通過馬達產生壓力，將內部的液壓油通過油管介質傳送到液壓扳手，然后推動液壓扳手的活塞桿，當油缸的無桿腔進油時，活塞桿伸出，推動扳手頭逆時針轉動，由于棘輪結構的存在，使得扳手頭圍繞螺母轉過一定角度，而螺母則保持不動；當有桿腔進油時，活塞桿縮回，并帶動扳手頭順時針轉動，使得扳手頭帶動螺母一起轉動，完成一次擰緊作業(yè)，重復上述操作，可完成緊固作業(yè)。

油缸中心到傳動部件中心這個距離是液壓扳手放大力臂，油缸出力乘以力臂，就是液壓扳手理論輸出扭矩，由于摩擦阻力存在，液壓扳手實際輸出扭矩要小于理論輸出扭矩。

4.液壓扳手的使用方法

在石油化工行業(yè)的螺栓緊固安裝施工過程中，存在以下幾個特點：一是工作環(huán)境都比較惡劣；二是螺栓數(shù)量多，使用量大；三是力矩值要求比較大，扳手長期處于超負荷工作狀態(tài)。因此，如何正確使用液壓扳手，延長液壓扳手的使用壽命，安全高效施工非常重要。下面，根據現(xiàn)場使用經驗，將安全使用方法總結如下：

4.1.準備工作

1)工作之前檢查，檢查液壓扳手上的螺釘是否松動，轉動扳手觀察其功能是否良好。

2)檢查液壓泵油箱是否充滿液壓油，油管是否裂痕，快速接頭是否連接到位，鎖緊環(huán)是否安裝。

4.2.試運轉

1)將扳手置于空地上。

2)啟動液壓泵，檢查油泵運轉是否正常。

3)按住線控開關，扳手方軸或棘輪開始轉動，扳手到位停止轉動，壓力表由“0”急速上升至調定壓力；松開按鈕，扳手自動回程，反復幾次，使扳手空轉幾次，觀察扳手轉向，以確定鎖緊和松拆運行方向，無異常時，將方軸或者棘輪放置套筒上。

4.3.松拆與鎖緊

4.3.1.壓力調整

一手將線控開關上按鈕按下，此時方軸或棘輪轉動，扳手到位停止轉動，壓力表由“0”急速上升，另一只手調整油泵調壓閥，調節(jié)壓力表中指針所需壓力。

4.3.2.松拆

將泵站壓力調到最高，確認扳手轉向為拆松方向，將扳手放在套筒上，找好反作用支點，靠穩(wěn)，反復執(zhí)行第二項中第三條的動作，直至將螺母拆下。

4.3.3.鎖緊

根據設計要求或者ASME B16.5的規(guī)定，設定不同螺栓的力矩值，同時還要考慮不同潤滑劑的潤滑系數(shù)。由于沙特阿美有自己的標準，可以根據沙特阿美的施工規(guī)范《法蘭螺栓接頭施工規(guī)范》（Bolted Flange Joints AssemblySAEP-351）來確定螺栓扭矩值[6]。具體方法如下：

1)首先，根據上述規(guī)范2017版本的附錄B，確定不同潤滑劑的摩擦系數(shù)。

2)根據上述規(guī)范2017版附錄表7-1，確定不同螺栓尺寸的扭矩。

3)由于液壓泵輸出的是壓力，而螺栓緊固需要的是扭矩，施工前，根據所需的力矩值及所用扳手型號來設定泵站的壓力，一般說明書中有壓力和力矩的轉化表，以ENERPAC的W 系列為例(見表1)：

Table 1.Hydraulic pump pressure and wrench torque contrast 表1.液壓泵壓力和扳手扭矩對照

Continued

確定好鎖緊方向，根據力矩值調整好泵的輸出壓力，將方軸或棘輪安裝上套筒，按照試運轉時第3條的操作方式，進行操作，直至螺母不再轉動。

5.沙特地區(qū)液壓扳手常見問題及解決方案

沙特阿拉伯常年氣溫較高，尤其是南部沙漠地區(qū)的夏季氣溫超過40℃，沙塵暴較多。沙特阿美的施工規(guī)范要求，螺栓尺寸超過1 inch，必須采用液壓扳手進行螺栓緊固，因此，在這里進行油氣管道和站場施工，需要大量使用液壓扳手，現(xiàn)根據沙特哈拉德項目的施工經驗(見圖4)，將液壓扳手常見的問題及解決辦法進行了總結歸納。

Figure 4.Tightening the bolts 圖4.螺栓緊固施工

5.1.常見問題及解決辦法

5.1.1.液壓泵不能加壓

主要原因有以下幾個方面，①濾油器堵塞；②高壓軟管堵塞；③釋放閥門有缺陷；④液壓油太少。

由于沙特南部的沙漠地區(qū)，常年風沙較大，在野外施工期間，經常會有沙子進入油管，堵塞濾油器或者軟管，導致液壓泵不能損壞，或者儀表盤不能損壞，主要的解決方法如下：①注意對液壓泵的保護，必要時，做一個臨時的防護罩，對液壓泵進行保護；②將液壓泵放置在陰涼處，溫度較高時，設置一個冰桶，將液壓泵放置在冰桶內，效果更好；③高壓軟管的快速接頭避免直接接觸地面，拆卸時，注意對接口處進行保護；④由于溫度高，液壓油消耗相對較多，每周檢查一次，并及時補充。

5.1.2.液壓扳手漏油

主要原因有以下幾個方面，① 動力頭的油缸密封圈、活塞密封圈磨損；②操作不當，導致旋轉接頭松動。

持續(xù)高溫，持續(xù)工作條件導致液壓扳手經常漏油，主要的解決方法如下：①避免高溫條件下，長時間工作，導致密封圈磨損嚴重；②注意對液壓扳手的保護，避免扳手頭直接放置在沙土地面；③縮短更換液壓油的周期，注意液壓油的清潔，防止液壓油內有沙土、鐵屑等雜物，加速密封圈的磨損；④液壓扳手操作人員，必須提前培訓，取得操作證，方可上崗，避免操作不當導致旋轉頭損壞。

5.1.3.棘輪不轉動

主要原因有以下兩個方面：①棘輪齒或棘輪爪內油污和沙土鐵屑太多；②驅動架或棘輪破裂損壞。

造成棘輪破壞的原因主要是操作不當，施加壓力時，扳手頭放置的方向不平衡，導致棘輪架受力集中。在沙特哈拉德項目，出現(xiàn)頻率最高的原因是棘輪齒內油污太多，因此，應采取以下措施：①在施工時，避免在風沙太大環(huán)境中施工，避免將扳手放在沙土地面上；②施工完畢后，注意將扳手頭保存好；③定期對油污進行清理。

5.2.安全使用與維護

5.2.1.安全使用

液壓扳手以液壓為動力，最大輸出扭矩可達11,000 N·m，效率高，使用方便，但由于使用范圍廣，使用環(huán)境復雜，尤其是在現(xiàn)場施工中，必須注意安全，根據輸油氣管道站場施工的經驗，總結如下：

1)選用合適型號的液壓扳手；

2)使用前，必須認真檢查，對液壓油、油管接頭、鎖緊環(huán)及連接螺釘?shù)日J真查看；

3)在操作前，確認液壓泵周圍以及需要緊固的螺栓周圍沒有非操作人員；

4)操作時，需要至少兩個人，隨時監(jiān)視液壓泵站。

5.2.2.維護保養(yǎng)

液壓扳手屬于精密類的工具，正確的使用和保養(yǎng)，是確保液壓扳手能夠正常工作和延長使用壽命的唯一途徑，因此在采購液壓扳手后，首先要認真閱讀使用說明，并安排操作人員到廠家或有資質的培訓機構進行培訓，取得操作資格證(見圖5)，并做到以下幾點：

Figure 5.Certificate of operator 圖5.操作資格證照片

1)使用過程中避免強力撞擊和磕碰；

2)使用過程中，避免酸堿性物資腐蝕，使用后，放置在專門的工具箱內保存，長期保存，需要涂抹防銹油；

3)使用過程中，避免過度折彎液壓油管；

4)當液壓泵溫度過高時，需要停機休息，降溫后再進行使用；

5)經常采用二硫化鉬對部件進行潤滑，在惡劣環(huán)境中施工，要經常清洗扳手和加潤滑油；

6)經常清洗，變臟的油管和接頭，放置雜質進油液壓油泵。

6.總結

液壓扭矩扳手作為一種大直徑螺栓的裝配工具具有很多優(yōu)點，如輸出扭矩大、使用方便、能夠在狹窄的空間范圍內使用且能夠比較準確控制預緊扭矩的大小等[7]。

目前，各行各業(yè)的法蘭緊固基本都已經不再應用傳統(tǒng)的人工拆卸方式，隨著各種大型基礎設施和設備的發(fā)展，螺栓強度越來越高，沖擊振動負荷越來越大，現(xiàn)場環(huán)境越來越復雜，施工人員深入理解液壓扳手的原理，正確使用和保養(yǎng)才能提高設備的利用率，延長設備使用壽命。