液壓拉伸器在壓力容器法蘭緊固中的應用

劉繼國（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516000）

液壓拉伸器在壓力容器法蘭緊固中的應用

劉繼國（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516000）

本文從ASME及DIN標準和規范入手，列舉了壓力容器法蘭緊固的不同緊固方式，分析了各種緊固方式的優劣勢。期望壓力容器的管理者及施工者能正確對待壓力容器法蘭緊固工程，進一步提高壓力容器關鍵連接緊固質量，提高設備關鍵連接的使用壽命和安全性。

法蘭；螺栓；壓力容器；關鍵連接；液壓拉伸器；同步緊固

在煉油、石化、化學、核電等電力裝置中，壓力容器和壓力管道大量應用螺栓法蘭連接。由于螺栓法蘭連接數量龐大且工況復雜，法蘭連接系統的泄漏事故也不斷增多，法蘭連接泄漏造成的直接經濟損失每年都達數億元！

法蘭連接系統主要由法蘭，墊片和螺栓螺母組成，法蘭提供了連接容器或管道兩個組成部分，并提供了墊片的安裝位置，而螺栓作為一彈性體將法蘭及墊片連接在一起，從而產生并留存在墊片上的預緊力，施加在螺栓上的載荷必須滿足墊片密封所需的比壓力。施加在螺栓上的載荷過小，密封不嚴密，法蘭連接系統會造成泄露；而載荷過大，會使墊片乃至螺栓產生塑性變形，失效，法蘭連接系統也會泄露。故該系統內任一組成部分出現問題，都會影響到整個系統的使用。

為了能確保法蘭連接系統零泄露，能安全可靠地長周期運行，必須保證整個法蘭系統有足夠且精確的預緊力。那么如何實現預緊力的加載及如何準確控制加載到螺栓上的預緊力呢？針對不同的工況，不同條件的法蘭連接緊固，該選用什么樣的工具和緊固步驟來實現零泄露的緊固呢？我國的GB150-1998、美國ASME Section VIII Div.1，德國DIN2505標準、ASME在2010更新版ASME PCC-1-2010中都有關描述，在本文中也會做詳細闡述。

1 螺栓緊固方式

在現代的螺栓緊固方式中，人們已經不再單純使用大錘來緊固螺栓，尤其是大尺寸螺栓（M36以上），越來越多的緊固工具可供選擇，如手動扭矩扳手，液壓扳手、電動扳手，風動扳手、液壓拉伸器等。而在加氫反應器、LDPE或EO/EG等壓力容器的螺栓緊固中，由于其工作的壓力高，為了準確控制螺栓預緊力，大尺寸螺栓（M36以上）只允許使用液壓拉伸器作為緊固工具。

關鍵連接是根據以下操作介質/或條件下的法蘭連接：

（1）極端易燃：介質及準備工作在常溫常壓下和空氣接觸是易燃的。

（2）強毒性：介質及準備工作，當吸入，吞入，或由皮膚吸收少量就會導致死亡或極慢性傷害。

（3）曾經有泄漏歷史記錄

（4）熱瞬間溫度超過38oC/小時

（5）循環應用（溫度或壓力）

（6）操作溫度從300oC及以上

（7）操作溫度從-50oC及以下

（8）LDPE裝置的高壓設備

（9）目前以拉伸器緊固的法蘭

（10）在運轉溫度下結冰的法蘭

2 液壓拉伸器的優點

關鍵連接、LDPE等高壓設備、螺栓尺寸超過M36以上的連接，都要求使用液壓拉伸器緊固。同時，結合專業致力于螺栓緊固公司如北京科路工業裝備有限公司多年服務于LDPE、加氫反應器等壓力容器的法蘭緊固實踐經驗，及權威的專業工程數據計算，一致認為，使用液壓拉伸器作為壓力容器的法蘭螺栓緊固，是最嚴謹最安全的緊固工具。

那么，液壓拉伸器與其他傳統緊固工具相比，都有些什么優點呢？

2.1 純粹軸向作用力，保證螺栓載荷最大程度的精確性

2.1.1 液壓拉伸器的工作原理

通過超高液壓系統拉伸螺栓，拉伸螺母通過油缸直接對螺栓施加外力，使被施加力的螺栓在其彈性變形區內被拉長，從而使螺母以零扭矩緊固；液壓拉伸器通過液壓系統提供高壓動力源，通過液壓螺母直接作用于螺栓上，利用材料的彈性形變，在彈性范圍內拉伸螺栓，使螺母以零扭矩緊固；液壓拉伸器在彈性范圍內螺栓的加載，伸長量與所受載荷之間的關系可用胡克定律來精確描述。

胡克定律如下：

式中：?l——變形量（m）；

FN——拉伸力（N）；

l——長度（m）；

E——材料彈性模量（Pa）；

A——截面積（m2）。

對于某一確定直徑的螺栓有：

式中：A0——螺栓受力面積（m2）；

d1——螺栓小徑（m）；

Fmax——螺栓屈服極限內所能承受的最大拉力（N）；

σs——螺栓屈服極限（Pa）。

因此，對于此被拉伸螺栓，可直接計算出最終由液壓拉伸器直接作用的載荷為：

FN=p*A

式中：FN——被拉伸螺栓留存載荷（N）；

P——最大可施加液壓拉伸器壓力（Pa）；

A——承壓面積（m2）。

2.1.2 力矩扳手、液壓扳手、電動扳手等緊固方式

使用力矩扳手、液壓扳手、電動扳手等方式緊固時，工具直接作用在螺母上，通過產生扭矩來緊固螺栓。

安裝扭矩分為三個部分：螺栓與螺母間的扭轉摩擦，螺母與法蘭平面之間的平面摩擦，轉化緊固軸力的安裝扭矩。

在安裝時，大部分安裝扭矩都在前兩個摩擦中損耗，而直接轉化為預緊力的，只占緊固扭矩的10%左右。

2.1.3 力矩扳手，液壓扳手，電動/風動扳手緊固具有很大的誤差

使用力矩扳手，液壓扳手，電動/風動扳手緊固螺栓時，需要計算緊固螺栓的扭矩值，此時需要將扳手、螺母、螺栓及法蘭面之間的磨擦系數考慮在內。根據材料的不同及表面光潔度不同，該摩擦系數的差異會很大，通常會在0.08到0.35之間，差距高達400%，這就意味著，同樣規格的螺栓，因為計算扭矩時選用磨擦系數的不確定性，將使計算的扭矩值誤差高達400%，影響正確選用合適的工具來緊固螺栓，大大增加整個法蘭系統的泄露可能性。

2.2 可真正實現同步緊固

在實際的螺栓緊固操作時，工具與螺栓數量之比往往無法做到1:1，例如一個法蘭共有16條螺栓需要緊固時，一般不會配置16臺扳手或液壓拉伸器同時緊固螺栓。而當工具數量/螺栓數量無法做到100%同步緊固，需要進行分步分階段緊固，分步緊固時會出現相臨螺栓影響效應，即在完成下一組螺栓緊固后，前一組的螺栓已經松弛，預緊力損失率最高可達95%，所以同步緊固顯得尤為重要！

液壓拉伸器工作時純軸向作用力，無需找相鄰螺栓做支點，且可以串聯使用，能夠真正實現100%同步緊固，使緊固一步到位，準確控制留存預緊力。

使用一個液壓扳手緊固、使用50%液壓拉伸器緊固及使用100%液壓拉伸器同步緊固三種不同方式緊固后，各個螺栓留存預緊力分布情況見圖1。

圖1 螺栓留存載荷雷達圖＊

由圖1可知，若想使法蘭連接系的每條螺栓能達到設計載荷，且平均分布，從而保證墊片的平行密封，系統的零泄露運行，使用同步液壓拉伸器是最佳選擇！

*以上數據由惠煉一期拉伸器制造廠家北京科路工業裝備有限公司提供。

2.3 可以檢驗最終留存載荷

在緊固螺栓的工作完成之后，留存在法蘭連接系統中的載荷是看不見摸不著，非常難以測量及量化的一個參數。那么緊固后的每條螺栓是否能達到額定載荷，法蘭連接系統能否在氣密性測試中一次性通過，能否在日后的生產運營中零泄露運行呢？緊固螺栓之后的螺栓留存載荷檢測就變得非常重要。

因為液壓拉伸器的工作原理，是利用純粹軸向拉伸力拉伸螺栓，在彈性范圍內對螺栓進行加載，所以利用液壓拉伸器對緊固后的螺栓進行反向拆松，可通過液壓系統的壓力值，計算出螺栓留存載荷，這是其他緊固工具無法做到的。

計算公式：

FN=P*A

式中：FN——單個螺栓留存栽荷（N）；

P——液壓系統壓力值（Pa）；

A——所使用液壓拉伸器截面積（mm2）。

檢測方式：

在完成緊固的螺栓上，按照標準作業流程中的規范中，選定需檢測螺栓，安裝液壓拉伸器系統。液壓泵緩慢升壓，同時另一操作者用手撥動拉伸器撥盤。當拉伸器撥盤撥松螺母的時候，停止液壓泵升壓，并記錄下此刻壓力值。

根據上述計算公式，可直接計算出螺栓留存載荷。

3 結語

壓力容器的法蘭系統螺栓緊固，是一個復雜且精細的工作，選擇一個好的工具進行緊固，是保證壓力容器正常運行的第一步，也是最基礎的一步。液壓拉伸器，尤其是多個拉伸器同步緊固的使用，是壓力容器的法蘭系統緊固的最佳選擇。

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