辽阳石油化纤公司建修公司 辽宁省辽阳市 111003
摘要：法兰连接是石油化工装置中最常用的静密封方式。石油化工装置检修中的螺栓、螺母紧固和拆卸工作量很大。以往多用敲击扳手作业,劳动强度大,螺栓旋紧不均，易造成泄漏。使用液压扳手等定力矩工具，通过同步紧固，使每支螺栓得到统一载荷，是减少法兰泄漏的有效方法和重要措施，能保证装置的操作弹性和抗波动能力，确保现场标准化检修达到预期效果，节省热紧工序，缩短开工时间。定力矩紧固从力矩计算、扳手的选择到正确的操作方法等标准化程序的建立和应用是保证紧固质量的关键。
关键词：法兰静密封点、泄漏、螺栓紧固、定力矩
1.概述
石油化工装置具有高温高压、易燃易爆、有毒有害及腐蚀性强等特点，法兰连接形式的静密封大量存在，因螺栓紧固不合格而导致法兰泄漏时常引发事故
2.法兰静密封点及泄漏原因
石化装置中两相对静止的密封结合面，可称为一个静密封点。静密封点种类多且数目庞大，其中法兰连接是最常用的方式。其密封原理是通过螺栓的预紧力作用，把两个法兰密封面之间的垫片压紧，以次实现密封。［1］
泄漏——指介质通过内外界面（即密封面）发生泄漏。其根本原因是接触面上存在间隙，而两侧的压力不均和浓度差异则是泄漏的推动力。发生泄漏，轻者，会跑冒滴漏，造成浪费、影响环境；重者，会着火、爆炸、中毒、烫伤，危及生命、污染环境、影响生产。
造成法兰泄漏的原因很多，主要有以下几种：（1）原材料，包括法兰或垫片的问题；（2）安装问题，包括安装程序和螺栓预紧力问题等，主要指螺栓预紧力没有均匀对称地作用于垫片上，预紧力过小或过大等；（3）使用及其他问题，包括管道系统布置、震动、管道柔性不够及应力等。以上种种，都是造成法兰泄漏的隐患。为实现安全无泄露的法兰连接，在保证法兰、垫片性能符合要求的前提下，正确地进行螺栓预紧及法兰安装就变得格外重要。［2］
3螺栓紧固及紧固通则
螺栓连接是应用非常广泛的一种连接方式。螺栓连接的主要作用是结构件连接和密封件连接。对于这两种连接，如果连接不好，会出现螺栓松动，以致螺栓损坏，导致结构件不稳固、密封面泄漏。
3.1螺栓在锁紧的过程中必须满足以下条件
3.1.1 螺栓所受拉力的计算
假设有n个螺栓，则其工作状态下所产生的拉力总载荷要大于等于容器内压和密封垫预紧压力之和。考虑到螺栓在工作时由于温度的升高，螺栓会膨胀，因此，还要考虑螺栓的热膨胀量，则每一根螺栓所受的拉力计算公式如下：
F=P×πD²/n +λ1×S + E×A×ΔL/L
字母含义：P—压力容器的内部压强；
D—法兰投影圆的直径，一般取密封垫的中径；
λ1—密封比压；
S—密封垫的最大半径面积；
E—弹性模量；
n—螺栓根数；
A—螺栓横截面积；
L—两螺母中心间距；
ΔL—螺栓的伸长量减去法兰的伸长量：
ΔL =λ1×L1×(T1–T0)–λ2×L2×(T2–T0)
λ1—螺栓膨胀系数；λ2—法兰膨胀系数；L1—螺栓的长度；L2—法兰的厚度；
T1—螺栓的工作温度；T2—法兰的工作温度；T0—环境温度（通常为25℃）［3］
3.1.2在锁紧螺母时要对称同步锁紧。
3.1.3每根螺栓所产生的拉力载荷要均匀一致，当然，在实际操作中，绝对的均匀一致是达不到的，根据ASME标准，要求其载荷误差为±10%。
3.1.4各种扳手输出的是一个力矩T，通过力矩T来转动螺母，从而使螺栓拉伸，螺栓因为拉伸了而产生一定的载荷，这就是扳手锁紧螺栓螺母的基本原理。
3.2传统螺栓紧固方式的不足
3.2.1螺栓紧固不均匀
传统的螺栓紧固方式，完全依靠人力。由于操作者个体间力量上存在差异，多人同时操作无法保证相同的紧力，单人作业从开始至最后结束整个作业过程力量分配存在不同，无法保持相同的紧力。
受作业空间和作业条件限制，容易用力的位置螺栓获得的紧力大，不方便用力的位置获得的紧力相对小些，导致密封面紧力不均，密封面就会产生微观的凸凹不平，产生微观偏口。垫片没有压实，运行一段时间就会发生泄漏。大多情况下的泄漏，不是螺栓紧力不够而是紧力不均发致。即使测量法兰的平行度，测量方法也较粗放，不够精准。
3.2.2不能科学准确的确定螺栓预紧力
传统螺栓紧固方式预紧力的确定，通常靠听声音、感觉和凭经验，紧力过大时压坏垫片、损坏螺栓，紧力不够则造成泄漏。大多情况为防止泄漏，紧力往往偏大，严重时，一旦超过螺栓最大屈服极限，螺栓产生塑性变形，螺距改变，永久失效，导致拆卸困难，缩短螺栓使用寿命以致报废。
3.2.3劳动强度大、费时费力
需要较大紧力的螺栓，就要用加力杆、长套管、多人齐用力，浪费人力，增加劳动强度，浪费时间。
3.2.4无法做到同时同紧力多点对称紧固。［4］
3.2.5炼化装置高温高压设备开车时需要热紧，消除螺栓紧固的不确定性，人工作业风险大。
4定力矩扳手的使用
4.1力矩确定
如何确定螺栓的扭紧力矩T？有一个已经简化了的经验公式：
T=KFd×10ˉ³(N.m)
K—拧紧力矩系数，根据表面状态可大致选定参考值，对于一般加工表面，如果有润滑的，可以取0.13～0.15；如果没有润滑的，可以取0.18～0.21；
d—指螺纹的公称直径
F—指预紧力，碳素钢螺栓取（0.6～0.7）σA；合金钢螺栓取（0.5～0.6）σA
σA—σ是螺栓材料的屈服点；A=π/16(d2+d3)2，d2为螺纹中径，d3=d1-H/6；d1是小径，H是螺纹原始三角形高度；H值根据不同螺纹可算出，约为0.87倍的螺距P。［5］
举例：M20的螺栓，8.8级。T =K×σ×A×d×10ˉ³
=0.19×219×245×20×10ˉ³
= 204 N·m
由上述公式可知，扭紧力矩T与螺栓的规格以及螺栓的强度等级有关。也可参考经过计算的经验螺栓紧固扭矩选择表来选择扭矩。
需要说明的是，许多装置检修中，所在装置业主往往会给定一紧固力矩。检修方经过确认后，可按照业主给定的力矩值进行紧固。
4.2安装检查内容
4.2.1偏口（不同心、不垂直、法兰不平行）两法兰间允许的偏斜值应小于1mm；
4.2.2错口，在螺栓孔直径及螺栓直径符合标准的情况下，不用其它工具可将螺栓自由地穿入螺栓孔为合格；
4.2.3螺母必须垂直于螺柱的轴线进行旋合，切勿倾斜。两法兰必须在同一中心线上且平行。不允许用螺栓或尖头钢钎插在螺孔内校正法兰，以免螺栓承受过大的应力；
4.2.4在安装过程中，螺栓螺母应清洗干净，并涂润滑剂，减少摩擦，方便拆装。安装螺栓及螺母时，螺栓上钢印的位置应便于检查。高温烟气、中压蒸汽或介质温度≥300℃的螺栓螺纹部分必须涂抹高温防咬合剂，其它螺栓必须涂二硫化钼等润滑剂；
4.2.5无论检测还是紧固，应挂紧固数据牌。注明日期、施工单位、扭矩值、检测（紧固），做为下次检修时的参考。
4.3定力矩紧固的操作程序
4.3.1四同步定力矩紧固的操作程序
将法兰螺栓等分为四个象限，对每个象限中的螺栓用记号笔顺时针编号（如图1所示）。设备紧固的操作程序分为至少分为三遍紧固,即预紧扭矩75% 、100% 、100%三遍紧固。（一般视情况也可进行4-5遍紧固，如发现螺母松动则需要继续紧固，直到所有螺母不动为止。）
方法顺序（如图2所示）：四同步的每名操作人员在三遍紧固中分别紧固整个法兰螺栓的四分之三，即1-2-3-1-2-3-1-2-3，使所有人员的工作轨迹有半圈重合，由此来缩小预紧力差异化。最大限度的均衡因机具及人员差异造成的扭矩不均匀。
图1 图2 图3
4.3.2两同步定力距紧固施工方法及步骤：
如图3：第一遍两同步紧固的每名操作人员在紧固中分别先用75%扭矩值对角紧固4条1号螺栓，然后顺时针紧固剩余螺栓。最后两遍紧固方法同上，紧固力矩为给定力距的100%。
无论使用四同步还是两同步紧固，操作手必须待所有扳手均动作后，才可进行下一组螺栓紧固。
4.4对人员的要求
4.4.1定力距紧固相关人员必须经过定期培训，考核通过后上岗。
4.4.2每个定力距小组均由1名操作手（主要负责人、组长）、4名辅助手、1名监护人员共6人组成。操作手负责设备组装、调压、预紧操作及现场指挥、组员管理，4名辅助手负责使扳手靠牢、移动扳手等、1名监护人员负责解决突发事件及现场沟通等相关事宜。
4.4.3操作手与辅助手在设备紧固过程中有固定指令，在确认每个扳手动作之后再进行下一组螺栓紧固，同时操作手应根据压力及经验调整紧固节奏使同步紧固螺栓受力均匀。
4.4.4辅助手在紧固过程中切忌扭转密封部位，紧固过程中使扳手套筒紧贴法兰，保持扳手套筒与螺栓同轴。
4.5常见问题
4.5.1法兰螺栓外露长度不等。双头螺栓的安装，两端均应有2～3个螺牙突出螺母。
4.5.2紧固后的螺栓单侧过长，不符合规范，不利于将来更换螺栓。
4.5.3密封面无保护，在安装过程中，容易发生撞击致使密封面损失。
4.5.4旧螺栓未经过浸油、除锈处理，紧固人员需在处理过后再安装。
4.5.5垫片未放好。
4.5.6存在螺栓过紧现象(一拆即断），或螺栓过紧无法拆卸，只能割断。
4.6验收
法兰紧固后，业主方进行设备试压。设备试压如有泄露，调整扭矩值重新紧固；若设备试压成功，填写设备紧固确认卡，业主方与施工方共同签字确认。设备紧固确认卡1式3份，由业主方与施工方分别保管，作为施工过程记录及相关凭证。
5结语
静密封法兰紧固四要素：“螺栓、密封面、垫片、力矩”，即：螺栓要选好、处理好；密封面要处理好；垫片要放好；力矩要设好，紧固顺序要记好。最终决定因素是“人的因素”
定力矩扳手的广泛使用，弥补了传统紧固方式的不足。并且节省了人力，降低了劳动强度。定力矩紧固考虑了温度对预紧力的影响，确定了合理的预紧力补偿值，可以节省热紧工序，完全消除了高温工况下人工作业的不安全因素，并缩短开工时间，产生巨大间接效益。
参考文献：
[1]倪建东，化工装置机组静密封点质量控制[J]，中国化工贸易,2013(8):141-141。
[2]张辉，炼油厂法兰密封泄漏因素分析[J]，内江科技,2011,32(9):50-50。
作者简介
刘会博，男，生于1986年5月。2008年6月毕业于四川大学化工学院，工学学士学位。为中国石油大学（华东）第二届化工安全复合型高级研修班学员。现就职于中石油辽阳石化公司，工程师职称，中青年技术骨干。主要研究方向：管道设备安装项目管理、石化装置检修、无氧环境下装卸催化剂等。地址：辽阳市宏伟区南环路1号；邮编：111003；
论文作者:刘会博
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/4
标签：螺栓论文; 紧固论文; 法兰论文; 力矩论文; 扳手论文; 螺母论文; 垫片论文; 《防护工程》2018年第29期论文;