扭力拉伸技術在高壓溫變法蘭螺栓緊固中的應用

潘從錦，張興明，侯丹丹，木合塔爾·買買提

中國石油克拉瑪依石化分公司，新疆 克拉瑪依 834003

某石化公司0.8Mt/a丙烷脫瀝青裝置采用了先進的導熱油爐加熱方式為裝置提供熱源。工藝介質和被加熱的導熱油熱載體換熱，獲取熱量后進行生產。瀝青閃蒸罐進料加熱器E107/AB是U型管換熱器。由于溫度和壓力的波動，E107/AB管箱法蘭頻繁出現滲漏，經多次緊固不能解決泄漏問題。不僅容易造成人員燙傷，還可能引起火災等事故，嚴重影響裝置的安全、平穩、長周期運行。

一、換熱器工況及管箱法蘭泄漏分析

瀝青閃蒸罐進料加熱器實際操作中溫變情況出現較多。其換熱器的相關參數明細見表1。

表1 換熱器相關參數

管箱法蘭通過螺栓的預緊力，使墊片和法蘭密封面之間產生足夠的壓力，墊片表面產生的變形足以填補法蘭密封面的微觀不平，達到密封的目的。校核法蘭的強度，測量平直度、粗糙度等均符合要求。校核波齒復合墊的強度和回彈性也符合要求。螺栓螺母的材質、強度、剛度、回彈性符合要求。但現場觀察發現法蘭泄漏處的部分螺母有松動跡象，說明預緊力不均勻。

螺栓在螺孔中，其溫度變化會滯后于法蘭。在加熱的時候螺栓不會像法蘭面一樣膨脹的那么快，法蘭面將在短期內發生載荷增大，這有可能導致螺栓屈服。在冷卻階段螺栓冷卻滯后于法蘭，會引起短期內載荷丟失。螺栓的預緊力在實際工況中隨著溫度壓力變化而處于動態變化的，適度均勻的預緊力，是防止泄漏發生的關鍵。為此，裝置在2009年停工檢修時使用了扭力拉伸控制技術。

二、扭力拉伸控制技術的工作原理

扭力拉伸控制技術的核心部件是帶螺紋的螺母墊圈（圖1）和液壓驅動套筒，通過螺母墊圈和液壓驅動套筒來實現扭矩和拉伸預緊力的轉換。六角螺母墊圈頂部為環形平面，底部的六角面上機械加工有徑向發散溝槽，下方的六角螺母體內是螺紋圈。轉動螺母墊圈直到墊圈底部和法蘭表面貼合，將螺母擰到螺母墊圈上，液壓驅動頭將套筒扣在螺栓螺母和墊圈上，套筒握住墊圈下方六角體使其不轉動，同時轉動螺栓螺母，螺栓不轉動，進一步轉動螺母時，螺栓就能直接被拉伸。同時墊圈內部的螺紋牙隨之沿軸向上移，從而扭矩能轉換為拉伸力。緊固完成后，就如同雙并螺母，具有一定的防止松動效果。扭力拉伸技術工作原理如圖2。液壓扭力扳手是由工作頭、液壓泵以及高壓油管組成。通過高壓油管，液壓泵將動力傳輸到工作頭，驅動工作頭旋轉螺母的擰緊或松開。液壓泵可以由電力或壓縮空氣驅動。液壓扳手的工作頭主要由三部分組成，框架（殼體）、油缸和傳動部件，液壓扭力扳手工作原理示意見圖3。和扭矩液壓扳手做對比，液壓扳手上的反作用力臂被一個驅動套筒所替代了，螺栓不存在任何扭轉，軸向拉伸沒有彎曲力。

圖1 螺母墊圈

圖2 液壓套筒扳手工作示意

圖2 液壓扭力扳手工作示意

三、緊固流程

（1）通過工況調研了解每個應用的參數。

（2）清洗前檢查法蘭、螺栓螺母及密封墊狀況，測量法蘭尺寸，檢查密封墊壓痕，檢查法蘭外觀。檢查螺栓螺母精度及螺紋咬合情況。

（3）清洗后，檢查法蘭及密封墊接觸外觀；用激光平行儀檢查密封墊接觸平整度，法蘭上取8個點，任何兩個高度差不超過0.25mm。檢查密封墊接觸粗糙度。如不合格應更新或修復。

（4）計算螺栓預緊力。

（5）制定詳細的緊固流程。

對所有螺母進行順序編號標注。第一遍分三步進行螺栓預緊，第一步按30%目標扭矩依照序號進行“十”字對角全部螺母緊固。第二步按70%目標扭矩緊固。第三步按100%目標扭矩緊固。第二遍按照100%目標扭矩進行對角錯位方式緊固，第三遍進行順時針方向100%目標扭矩緊固。

單部工具緊固耗時較長，還可以用同步緊固技術對同一法蘭上的多個螺栓同時進行緊固。可以選擇四部機具同步緊固，也可以選擇50%或100%機具覆蓋緊固，100%工具覆蓋可以消除人為誤差，螺栓緊固更加精確、安全。同步緊固保證法蘭平行閉合，確保密封墊均勻受力，同時減少工具移動的次數，節省檢修時間。

（6）螺栓預緊力檢查。測量螺栓伸長量并確認螺栓載荷，不合格時應重復緊固，直至合格。結合規范對法蘭對中進行檢查，檢查緊固后的法蘭間隙是否均勻，檢查緊固后法蘭的平行度。

四、結語

通過扭力拉伸技術緊固，螺栓載荷精度可達4%～10%。2009年裝置換熱器E107/AB使用扭力拉伸技術緊固，管箱法蘭在3年的運行周期內沒有發生泄漏現象。基于成功經驗，2012年停工大檢修期間，裝置又在E104/AB，E105/AB，E106/AB換熱器上應該了該項技術，目前運行情況良好。