易軼虎，高 偉

(1.中國(guó)石化石油化工管理干部學(xué)院，北京 100020；2.凱特克集團(tuán)有限公司，北京 100036)

按照CSEI/JX 0004—2018《法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，應(yīng)根據(jù)設(shè)備法蘭密封結(jié)構(gòu)泄漏風(fēng)險(xiǎn)高低確定緊固方式。針對(duì)中石化某石化公司重整反應(yīng)器人孔、底部、油氣進(jìn)出口等部位法蘭，采用風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝策略，按照定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(如圖1所示)進(jìn)行評(píng)估定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)源見表1。

表1 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)源

最終評(píng)定有11處法蘭為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，建議采用高精度預(yù)緊力控制緊固方式，經(jīng)過技術(shù)論證，決定采用無反力臂扭矩拉伸法。

1 技術(shù)原理與對(duì)比

1.1 無反力臂扭矩拉伸法原理

無反力臂扭矩拉伸法技術(shù)原理如圖2所示。該方法主要通過在普通螺母下面增加一種六角形反作用力墊圈(如圖3所示)，將動(dòng)力工具緊固螺栓時(shí)產(chǎn)生的反作用力通過專用的驅(qū)動(dòng)套筒轉(zhuǎn)移到螺母的下方，讓緊固螺栓的作用力矩和反作用力矩沿著螺栓的同一個(gè)軸線，消除普通扭矩緊固時(shí)所必需的側(cè)向反作用力支點(diǎn)。通過消除反作用力臂，即可控制扭矩緊固過程中的摩擦力，進(jìn)而提升扭矩轉(zhuǎn)化成螺栓預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化率。該方法螺栓預(yù)緊力誤差小于±10%。

圖2 無反力臂的扭矩拉伸法

圖3 反作用力墊圈

1.2 與常規(guī)方式對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)常用傳統(tǒng)的液壓扳手對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行緊固【1】，如圖4所示。該方法雖然可以設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓的扭矩，但必須要有一個(gè)反作用力臂來平衡驅(qū)動(dòng)力，否則機(jī)具容易原地打轉(zhuǎn)。根據(jù)力矩平移定律，液壓板手的緊固效果等效于在螺栓上施加一個(gè)力偶與一個(gè)與此力偶垂直的側(cè)向力(又稱偏載力)。此側(cè)向力將螺紋副的面接觸變成了線接觸甚至點(diǎn)接觸，這不僅會(huì)增大螺紋之間的摩擦系數(shù)，甚至還會(huì)導(dǎo)致螺栓咬牙。此外，該方法還會(huì)導(dǎo)致螺母與支撐面之間的受力集中到一側(cè)，劃傷支撐面，使得螺母與支撐面之間的摩擦系數(shù)增大。

圖4 常規(guī)液壓扳手緊固的缺點(diǎn)

液壓扳手緊固法對(duì)每條螺栓實(shí)際產(chǎn)生的摩擦力以及正壓力的大小是無法計(jì)算和測(cè)量的，因此無法知道對(duì)每條螺栓緊固時(shí)實(shí)際施加的摩擦阻力。這種方法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(zhuǎn)化成螺栓的預(yù)緊力。每條螺栓的摩擦阻力不同，其預(yù)緊力數(shù)值自然也是個(gè)未知數(shù)。所以，雖然液壓扳手扭矩輸出的精度很高，但是預(yù)緊力的精度即只能達(dá)到±30%左右。

2 應(yīng)用過程

施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有預(yù)緊力的計(jì)算和過程質(zhì)量控制。

2.1 密封計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

無反力臂扭矩拉伸法力矩計(jì)算所需數(shù)據(jù)較多，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，根據(jù)法蘭實(shí)際工況進(jìn)行了調(diào)研，并建立了法蘭基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表(如表2所示)，統(tǒng)計(jì)密封形式、法蘭尺寸、介質(zhì)、溫度、壓力、螺栓材質(zhì)、螺栓尺寸等信息，為安裝方案的制定做好準(zhǔn)備。

表2 無反力臂扭矩拉伸法力矩計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 螺栓預(yù)緊力計(jì)算

根據(jù)工況調(diào)研的數(shù)據(jù)，計(jì)算法蘭密封所需要的螺栓預(yù)緊力。計(jì)算預(yù)緊力時(shí)需要考慮4個(gè)方面：補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力、克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力、克服管道應(yīng)力等外力所需的預(yù)緊力、保證工作密封比壓所需的預(yù)緊力。將這個(gè)4個(gè)方面的預(yù)緊力值相加，除以法蘭上螺栓的個(gè)數(shù)，可得到每條螺栓所需要的預(yù)緊力。計(jì)算出預(yù)緊力后，需要對(duì)螺栓強(qiáng)度與密封墊的強(qiáng)度進(jìn)行校核，使其處于合適的屈服極限強(qiáng)度之內(nèi)。預(yù)緊扭矩計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 無反力臂扭矩拉伸法力矩值 N·m

2.3 過程質(zhì)量控制

2.3.1 法蘭密封面檢查

法蘭密封面對(duì)整個(gè)密封系統(tǒng)影響很大。安裝法蘭前要按照表4的步驟對(duì)法蘭的密封面進(jìn)行檢查。

表4 法蘭密封面檢查項(xiàng)目

2.3.2 法蘭密封墊檢查與安放

檢查確認(rèn)密封墊片的完好性，安裝時(shí)將密封墊安裝到位，可以在密封墊上噴一層薄膠固定。應(yīng)避免使用工藝介質(zhì)不兼容或容易造成應(yīng)力腐蝕或密封面點(diǎn)蝕的粘合劑；切勿在密封墊上使用膠帶。

2.3.3 螺栓的檢查與潤(rùn)滑

潤(rùn)滑可以降低摩擦系數(shù)，以更低的扭矩達(dá)到給定的預(yù)緊力，并改善接頭內(nèi)各螺栓之間載荷的一致性，同時(shí)還有助于隨后的緊固件拆卸。首先，在潤(rùn)滑螺栓、螺母前，需先檢查螺栓螺母能否自由旋合，如有問題應(yīng)查找原因并進(jìn)行必要的更換；其次，在螺栓穿過法蘭螺栓孔后涂抹潤(rùn)滑劑，避免螺栓孔內(nèi)的顆粒物污染；最后，在螺母與設(shè)備面的接觸面和螺紋副之間充分涂抹潤(rùn)滑劑或者高溫防咬合劑。

2.3.4 法蘭回裝要求

依據(jù)文獻(xiàn)【2】進(jìn)行法蘭回裝，步驟如下：

1) 對(duì)兩片法蘭的對(duì)中進(jìn)行測(cè)量，即：在法蘭盤周圈選4個(gè)點(diǎn)，相互之間大約間隔90°，且任何1點(diǎn)兩法蘭盤的錯(cuò)口應(yīng)≤1.5 mm。

2) 對(duì)兩法蘭的平行度進(jìn)行找正，主要通過測(cè)量和比較法蘭的最大/最小間隙來確定，間隙之差不得超過0.8 mm。

3) 對(duì)法蘭的螺栓孔進(jìn)行找正，選擇兩個(gè)間隔90°的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在此情況下，保證螺栓順利穿過法蘭螺栓孔，或者兩螺栓孔偏移量在3.0 mm的范圍內(nèi)。

4) 最后調(diào)整兩片法蘭間的間隙，當(dāng)法蘭處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩片法蘭之間的間距應(yīng)超過墊片厚度的兩倍，若間隙過大或過小，均需要調(diào)整。

2.3.5 螺栓緊固的順序步驟

根據(jù)文獻(xiàn)【2】中的四同步緊固步驟對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行緊固，保證法蘭平行閉合，密封墊片均勻壓縮。

3 應(yīng)用效果

通過對(duì)每一個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)管控，并使用無反力臂扭矩拉伸法對(duì)緊固后螺栓進(jìn)行，該設(shè)備法蘭進(jìn)行密封點(diǎn)的VOCs檢測(cè)值在 1.3～2.5 mg/L之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家環(huán)保部門規(guī)定的500 mg/L限制要求。這不僅提高了螺栓預(yù)緊力精度，確保了法蘭密封的可靠性，而且極大降低了VOCs排放。該裝置自2016年運(yùn)行至今，沒有發(fā)生法蘭泄漏的問題，滿足了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。

4 結(jié)論

針對(duì)石化裝置法蘭密封點(diǎn)多、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的特點(diǎn)，采用基于風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝策略，可以有效提高法蘭密封管理效果和水平。在高風(fēng)險(xiǎn)法蘭部位采用無反力臂扭矩拉伸法高精度緊固方式可以從技術(shù)上保證密封安全可靠，緊固后的設(shè)備法蘭密封點(diǎn)VOCs排放值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家環(huán)保部門規(guī)定的限制要求。該技術(shù)不僅提高了螺栓預(yù)緊力精度，確保了法蘭密封的可靠性，而且還大大降低了VOCs排放值，因此，在高風(fēng)險(xiǎn)法蘭部位值得推廣。