拉伸墊圈在柴油加氫裝置法蘭緊固上的應用

(中海油東方石化有限責任公司,海南 東方 572600)

1 裝置所用法蘭和螺栓概況

柴油加氫裝置的高壓部分包括上流式反應分離器、循環泵系統、高壓換熱器、反應進料系統及氫氣壓縮機系統等部分。高壓部分采用環形法蘭和金屬墊片密封。高壓法蘭公稱直徑為150～300,特別是DN250和DN300法蘭，所用螺栓尺寸大、數量多，其中DN300的法蘭螺栓數量就有16條。高溫高壓法蘭一旦泄漏，高溫高壓、易燃易爆的介質就會泄漏著火，嚴重時發生爆炸，危害極大。

2 法蘭泄漏原因

法蘭泄漏除了墊片選用不正確，法蘭有缺陷或腐蝕，安裝時墊片和環形法蘭間有雜質等原因外，主要還有以下兩個原因引起。

2.1 預緊力不正確

法蘭連接系統主要由兩邊法蘭、墊片、螺栓和螺母組成。螺栓將法蘭和墊片緊緊的連接在一起，從而產生預緊力。施加在螺栓上的預緊力必須滿足墊片密封所需要的比壓力。預緊力過小，達不到密封效果，法蘭處就會發生泄漏;預緊力過大，墊片失去彈性，法蘭處也會發生泄漏。

2.2 預緊力不均勻

法蘭是由多條螺栓緊固的，如果每條螺栓間施加的預緊力不均勻,法蘭很難平行閉合。在裝置開停工過程中螺栓發生了熱膨脹從而降低了螺栓的拉緊力，這樣預緊力大的螺栓還能照樣保證此方位法蘭不泄漏，預緊力小的螺栓在熱脹冷縮后，拉緊力降低,法蘭易泄漏。

3 螺栓的緊固方式

現代的石化企業有越來越多的緊固工具可供選擇，如風動扳手、液壓扳手、拉伸墊圈及其專用的液壓定矩扳手等。但由于柴油加氫裝置壓力高、溫度高、開停工時法蘭溫差變化大,風動扳手和液壓扳手在柴油加氫裝置高壓法蘭部位有其缺陷性，所以柴油加氫高溫高壓法蘭部位的法蘭選用拉伸墊圈及其特有的液壓定矩扳手作為緊固工具。

3.1 風動扳手

風動扳手有以下優點：安全防爆、扭矩大、質量輕、體積小、效率高、結構簡單及維修方便等。但風動扳手無法提供一個精確的扭矩，存在著預緊力過大或者過小的問題，且風動扳手只有一個扳頭，無法實現同步緊固，只能一個螺栓一個螺栓地緊固，對于多螺栓的法蘭，當一個螺栓緊完一圈時，原先開始緊固的螺栓又松開了，這樣反復緊幾輪才能把所有螺栓緊固，且每個螺栓施加的扭矩不一樣，無法實現均勻緊固。

3.2 液壓扳手

優點：機具體積小、出力大，可精確設定施加的扭矩。對大規格螺栓、狹小空間螺栓等應用優勢明顯，理論上可精確控制扭矩,得到精確的螺栓預緊力。

缺點：容易偏載，摩擦力不可控。

六角套筒與螺母相結合，在液壓扳手的驅動下，克服螺紋副及螺母轉動面的摩擦力，使螺母沿著螺旋線向下不停地轉動，從而拉伸螺栓產生預緊力。但是在緊固過程中必須將液壓扳手固定在一個支點上，這樣不僅會產生偏載，且緊固過程中產生偏載時螺栓的運動方向不是相對豎直向上，而是帶有一定角度的傾斜，由此造成的摩擦力變化未知，這樣表面上每根螺栓都施加固定的預緊力，但由于偏載原因每條螺栓的預緊力會變得不一樣，法蘭就不會平行貼合。同時偏載還會使螺栓發生咬牙現象。偏載時螺母和螺牙的咬合情況見圖1。

圖1 偏載時螺母和螺牙的咬合情況

3.3 拉伸墊圈

3.3.1 拉伸墊圈結構

拉伸墊圈由外圈和內圈組成，內圈的螺牙規格和被緊固的螺栓螺牙規格一致，內圈采用過盈配合液壓擠壓進去，不會和外圈發生環向位移。在螺栓緊固過程中內圈的作用是緊緊和螺桿嚙合咬住，防止螺桿在向上拉長過程中發生偏移，保證法蘭在緊固過程中螺桿只作豎直的拉長，不會發生偏移，從而不會產生偏載。外圈朝向法蘭一面上刻有許多長條狀條紋，作用是在緊固過程中不發生周向移動，緊固完成后承受螺栓預緊力。拉伸墊圈結構見圖2。

圖2 拉伸墊圈結構

3.3.2 拉伸墊圈的特點

(1)在緊固過程中，內圈死死地和螺桿咬合，螺栓不會發生擺動，只作豎直向上運動，使得拉伸墊圈工具施加的扭矩力更加精確地作用在螺桿上。

(2)拉伸墊圈在緊固過程中使用專用的扳手，不需要額外的支點，依靠獨特設計的雙層套筒和拉伸墊圈外圈專有的設計就能實現緊固，緊固過程不會產生偏載。緊固過程示意見圖3。

圖3 拉伸墊圈緊固過程示意

(3)由于沒有偏載，緊固時每條螺栓均能獲得精確的扭矩值，實現法蘭平行緊固。

(4)緊固過程可以用兩個扳手或者四個扳手同時緊固，實現同步緊固。

4 拉伸墊圈緊固過程

4.1 確認螺栓預緊力

以M52的螺栓為例,其工作參數如下：法蘭上有M52×3的雙頭螺栓40條，有效長度約580 mm，螺母厚度34 mm,螺栓材料35CrMoA(10.9級強度等級);法蘭密封面外徑1 127 mm，八角墊片，密封面寬度32 mm，法蘭總厚度546 mm;封頭工作壓力6 MPa，試壓壓力10 MPa，工作溫度160 ℃，安裝溫度25 ℃。

4.1.1 計算螺栓緊固所需的預緊力

預緊力F=F1+F2+F3

(1)

式中:F1為補償溫差所需的預緊力；F2為克服內壓所需的預緊力；F3為設備工作時保證密封墊正常工作所需的預緊力。

利用文獻[1]查找計算公式，利用文獻[2]和文獻[3]查找相關參數，計算可得：F1=39.059 kN,F2=221.868 kN,F3=116.961 kN。所需預緊力F=39.059+221.868+116.961=377.888 kN。

4.1.2 密封墊最小預緊力比壓校核

查看墊片系數參考值，密封墊為八角墊，密封面寬度為32 mm，則墊片系數m=4.25,預緊比壓y=70 MPa。

保證不泄漏每個螺栓需要的預緊力為F0。

F0=yA/X=192.54 kN

F>F0,按F預緊力緊固后，比壓校核通過。

4.1.3 螺栓強度校核

螺栓材料35CrMoA(10.9級強度等級)，螺栓規格M52×3，查文獻[2]可知，材料的屈服強度σs=930 MPa。

計算所得螺栓預緊力產生的螺栓應力為：

σ=F/A1=198.879 MPa

σ/σs=21.38%

計算結果表明，螺栓處于屈服強度的21.38%，緊固完成后螺栓仍然非常安全。

4.1.4 緊固螺栓需要的扭矩

采用HYTORC拉伸的載荷技術無側向偏載緊固螺栓，螺栓預緊力對應的扭矩可計算得出：

扭矩T=2fr=(F×螺母系數)K·2r

=3 144.028 Nm

式中：r為螺栓的半徑;K為螺栓與螺母間摩擦系數。

4.2 確認液壓定矩扳手油泵壓力

上述計算出來的M52螺母的扭矩為T=3 144.028 Nm，根據凱特克液壓扭力扳手型號，查找扳手液壓扭矩對照表，可以查出液壓扭矩扳手油泵壓力設定值。

4.3 緊固注意事項

(1)準備好螺栓。由于額外安裝拉伸墊圈在螺桿上，所以螺桿的長度要比正常的長約30 mm。

(2)準備高溫防咬合劑。將每條螺栓兩端都抹上高溫防咬合劑，防止拆卸困難。

(3)準備好合格的墊片。拉伸墊圈的墊片最好選用新墊片，檢查環形法蘭有沒有受損，檢查并清理環形圈里的雜質。

(4)將墊片裝在法蘭間，穿好螺栓，用手動扳手將螺母對稱均勻擰上。檢查法蘭四個方向間隙是否均勻。

(5)拉伸墊圈緊貼著法蘭，普通螺母安裝在拉伸墊圈上。首先用手動梅花扳手將普通螺母對稱均勻擰緊，保證法蘭間的間隙均勻，其次用手動扳手初步緊固，最后再用拉伸墊圈液壓扳手分步緊固到位。

5 結 語

拉伸墊圈在柴油加氫高溫高壓法蘭緊固上的應用是可行的。它不僅能使高溫高壓法蘭在正常生產時保持不泄漏，還能在裝置開停工、法蘭溫度劇烈波動下使高溫高壓法蘭不泄漏，保障了裝置的安全、環保及長周期運行。