高溫高壓法蘭螺栓預緊技術的選用

潘從錦 鄧乃文 楊 博 魏 毅 韓雪艷

（中國石油克拉瑪依石化分公司 新疆克拉瑪依）

一、法蘭密封和泄漏

法蘭密封由法蘭、密封墊和緊固件3部分結構組成，緊固件通常由螺栓、螺母及密封墊3個部件構成。法蘭是通過緊固螺栓壓緊密封墊實現密封的，每個部分都必須正確才能保證密封，任何一部分都不能補償其他部分的致命缺陷。法蘭密封失效，主要是介質在密封墊處的泄漏。法蘭強度、密封面形式、粗糙度等機械性能對密封的影響，在現代工業中已經逐步得到解決。隨著材料研發和加工制造能力的提高，高強石墨墊、波齒復合墊、金屬八角墊、橢圓墊在不同工況的高溫高壓法蘭中均具有良好的密封性能，可以滿足其強度、回彈性要求，防止了密封墊“滲透泄漏”的發生。隨著高強度螺栓和高溫合金螺栓的應用，螺栓材料方面的問題也已逐步得到解決。

螺栓預緊力失效造成的泄漏是法蘭泄漏中最為常見的形式。法蘭工作正常時無泄漏，當螺栓未能給密封墊提供足夠的預緊力時，就會造成法蘭泄漏。預緊力過大造成密封墊壓潰，也會引起泄漏。要使法蘭不泄漏，就必須確保密封面整個圓周上都有正確均勻的預緊力，保證密封墊正常工作。如果螺栓和連接面以相同的速率，在同一時間膨脹或收縮，將不會有螺栓預緊力丟失的趨勢。實際上，在很大程度上，因為螺栓被隔離在孔里，它們的溫度變化會滯后于法蘭。在加熱的時候螺栓不會像連接面一樣膨脹得那么快，連接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是隨著溫度壓力變化處于動態變化的，適度的預緊力是防止法蘭密封“界面泄漏”的關鍵，如何精確控制螺栓預緊力也是長期困擾現代工業的難題。

二、螺栓預緊方法

1.扭矩緊固法

扭矩緊固法是最常用的控制預緊力的方法，通過控制扭矩實現對螺栓預緊力的控制。在高溫高壓法蘭中使用的比較廣泛的是液壓扭力扳手，見圖1。通過設定泵站壓力控制液壓扳手輸出扭矩，液壓扳手體積小，出力大，可以解決狹窄空間的螺栓緊固問題。螺栓通過液壓扭力扳手得到的預緊力還與螺紋表面和法蘭標的粗糙度、潤滑狀態、擰緊速度和溫度等有關。由于受摩擦系數和幾何參數偏差的影響，在一定的扭矩下，預緊力數值的離散系數較大，精度不高，其誤差通常在±（10～25）%之間。

液壓扭力扳手緊固螺栓時，需要額外的一個點來阻止工具移動，反作用力支點越近，偏載力越大。使用時可能很難找到一個固定的可靠的著力點，需要防止螺母跟轉的扳手。使用液壓扭力扳手時螺栓末端受到附加翻轉力矩，兩側螺牙變形克服螺牙摩擦，損失扭矩未知；在螺栓載荷作用下，可能出現螺母嵌入、受力面受損，增加未知的摩擦力。螺栓螺紋間的摩擦，偏載造成的額外不確定摩擦，螺母和法蘭面間的摩擦，都是螺栓預緊力不均勻的原因。另外，液壓扳手由于偏載容易損壞螺栓螺牙。

圖1 液壓扭力扳手

2.液壓拉伸法

液壓拉伸預緊技術是通過液壓拉伸器拉伸螺栓完成預緊的，液壓扭力扳手工作示意見圖2。液壓拉伸方式是通過液壓油缸直接對螺栓頂部端頭施加拉伸力，將螺栓拉伸到需要的長度，然后將螺母緊固，保留施加的載荷。由于不受螺栓潤滑效果和螺紋摩擦力大小的影響，拉伸法可以得到更為精確的螺栓載荷，載荷誤差通常為±10%。此外，拉伸工具還可以對多個螺栓同步拉伸，使法蘭面全部螺栓受力均勻，得到均衡的載荷。

液壓拉伸器的優點是沒有偏載，缺點是當拉伸器拉伸到需要的預緊力后用不精準的手動力方式去撥動螺母,控制螺母轉動的角度，不能消除即時效應。拉伸器泄壓時螺栓回彈，預緊力轉移過程中損失，最初的拉伸預緊力不等于最終形成的實際預緊力。導致螺栓實際承受的載荷和拉伸器的目標載荷有差距，實際載荷參差不齊，離散性較大。木桶效應在實際載荷最小的螺栓區域顯現出來，就是法蘭密封失效外漏。拉伸工具通常需要較大的工作空間，提供的拉伸力有限。

圖2 液壓扭力扳手工作示意圖

3.扭力拉伸技術

扭力拉伸技術是近些年來發展的一項新的螺栓預緊力控制技術。該項技術的主要是通過一個獨特的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。螺母墊圈如圖3所示，頂部為一定加工精度的環形平面，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鑲嵌有和要緊固螺栓螺紋相同的螺紋圈。上端面的平面可以減少相對轉動產生的摩擦力，而下端面的發散溝槽，可以增強和法蘭面的摩擦力，防止墊圈在法蘭上的轉動。將螺母墊圈通過螺紋配合安裝在螺栓上，轉動直到墊圈底部和法蘭表面貼合。將螺母安裝在螺母墊圈上，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。扭力拉伸技術工作示意見圖4。

圖3 螺母墊圈

圖4 扭力拉伸工作示意圖

和扭矩液壓扳手對比，液壓扳手上的反作用力臂被一個驅動套筒所替代，直接轉動螺母就與拉伸器一樣能具有很高的精度。螺母墊圈安裝于螺栓螺母下面防止螺栓轉動，使扭矩轉換為精確的拉伸預緊力。螺栓本體不存在扭轉，直接進行軸向拉伸,沒有彎曲力，不需要外部的反作用力支點,不會產生夾傷點，每一個螺栓都能獲得均勻的螺栓載荷。消除人為誤差，螺栓緊固更加精確，更加安全。

螺母墊圈在法蘭面和螺母之間形成一種轉換，墊圈與法蘭相互接觸的面不會有相對轉動，轉動只發生在螺母的下表面及與之相連接的墊圈上表面間。螺母的下表面噴涂有二硫化鉬涂層，這樣是摩擦力變得可以控制。另外，當安裝上螺母墊圈后，螺栓在緊固過程中沒有偏載。原本不可控制的條件變成可控制的條件，無偏載，摩擦小，這樣可以比較精確地控制密封預緊力。螺栓的預緊力精度可知，需要的扭矩減少，應用潛在的失誤降低。在螺母與墊圈表面間的摩擦力為已知及配合不存在偏載的拉伸下，其產生的預緊力可達到通用工業通用標準的±（5～10）%。

扭力拉伸法并非傳統意義上的完全拉伸，由于扭矩和摩擦力的影響，拉伸力并非完全精確。由于增加了螺母墊圈，螺栓緊固成本相應增加；另外，螺母墊圈通常只能一次性使用，重復使用不能保持有初次的扭力拉伸效果，每使用一次扭力拉伸技術均要更換螺母墊圈，使其投入費用增加更多。由于螺母墊圈的存在，使用扭力拉伸技術緊固法蘭用的螺栓必須在原螺栓的長度上增加和螺母墊圈厚度相等的長度。如果是在泄漏發生后初次使用扭力拉伸技術，就必須更換緊固法蘭的所有螺栓，維修處理泄漏的成本成倍上漲。

相對于扭力拉伸方法，傳統的緊固方法缺點在于：（1）緊固方法只在于控制工具的輸出力量，而很難檢測達到的螺栓預緊力，造成無法達到所需的預緊力精度；（2）緊固方法本身在同一法蘭上達到的均勻性誤差較大。

三、3種螺栓緊固方法的安全質量和經濟性比較

螺栓的預緊力控制在密封墊材料屈服極限的90%以下，40%的最小預緊力以上。控制的實際預緊力精度越高，預緊力波動區域約窄，受法蘭溫變工況影響小，說明其密封性能越好，承受外部環境改變預緊力影響的能力越強。通過3種螺栓緊固方法比較（表1）可以看出：從施工的質量上，扭力拉伸法最高，拉伸法次之，扭矩法最低；從操作的安全性來比較，扭力拉伸法最好，拉伸法和扭矩法需要人工扶持機具操作安全性相對較差，從經濟性來講，扭力拉伸法費用昂貴，是拉伸法和扭矩法的數倍，后兩者中，拉伸法費用略高。

表1 3種緊固方法的質量和經濟性

四、結論

在高溫高壓法蘭的緊固過程中，傳統的液壓拉伸法和扭矩法在經濟性方面有著無可比擬的優勢，使用效果也很不錯。若高溫高壓法蘭在使用中存在頻繁的壓變和溫變，還可能出現超溫超壓、振動、疲勞損壞的現象，容易發生泄漏的現象，法蘭密封失效后造成嚴重的危害則選擇扭力拉伸法更為合適，好鋼用在刀刃上。要按照法蘭在生產過程中的重要性、危險性以及安全和經濟性的要求來合理選擇法蘭螺栓的緊固方式更為重要。