管道法蘭螺栓“熱緊”必要性探討

(中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川 成都 610051)

在化工裝置原始開車或裝置大檢修后的開車過程中，當高溫工藝管道升溫到一定程度后，生產單位往往會組織檢修、維修作業(yè)人員對管道法蘭螺栓進行“熱緊”工作，其目的在于消除管道法蘭連接在受熱狀態(tài)下的松弛，以保證其靜密封效果。但“熱緊”是否有必要，是否能防止法蘭密封面泄漏的發(fā)生，未有定論。筆者將結合規(guī)范中的要求對“熱緊”原理和作用效果進行探討。

1 規(guī)范中對“熱緊”的定義和操作規(guī)定

在施工規(guī)范SH 3501—2002《石油化工劇毒、可燃介質管道工程施工及驗收規(guī)范》和國標GB 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》中，對熱態(tài)緊固的定義如下：為防止管道在工作溫度下，因受熱膨脹導致可拆連接處泄漏而進行的緊固操作。規(guī)范還對管道法蘭螺栓“熱緊”做了以下4條具體要求。

(1)熱態(tài)緊固溫度要求?！盁峋o”溫度應符合表1的規(guī)定。

(2)熱態(tài)緊固時間要求?！盁峋o”應在達到工作溫度2 h后進行。

表1 鋼制管道“熱緊”溫度

(3)“熱緊”時管道內部壓力要求。當設計壓力≤6 MPa時，熱緊最大內壓應為0.3 MPa；當設計壓力大于6 MPa時，熱緊最大內壓應為0.5 MPa。

(4)“熱緊”時安全要求。應制定有保證操作人員安全的技術措施。

2 管道法蘭螺栓“熱緊”理由

2.1 螺栓在高溫狀態(tài)下應力松弛

金屬材料在高溫和應力的同時作用下，其塑性變形會隨著時間的增加而增加，這種現象稱為金屬材料的蠕變。由于蠕變的作用，螺栓在常溫狀態(tài)下緊固時產生的彈性變形會變成塑性變形，螺栓的彈性應力隨時間的增加而減小，從而使其對法蘭的緊固力減小，產生松弛現象，影響法蘭密封性能。

2.2 螺栓在受熱狀態(tài)下膨脹

根據熱脹冷縮原理，裝置開車過程中，隨著工藝管道的升溫升壓，螺栓會由于受熱膨脹伸長，從而減小對法蘭的緊固力，可能會導致法蘭密封面發(fā)生泄漏。

3 高溫對法蘭密封性能的影響

3.1 法蘭螺栓應力松弛[1]

法蘭螺栓的應力松弛程度，取決于螺栓材質所具有的蠕變強度和速度。高溫管道法蘭螺栓的常用材質為鉻鉬合金鋼，在高溫狀態(tài)下具有很好的抗蠕變性能，其蠕變速度非常緩慢。根據相關試驗數據表明，其蠕變速度在幾年內都不會有大的變化，在工藝管道升至正常溫度2 h后則更微不足道。

在高溫條件下，管道專業(yè)設計人員應該考慮到在整個操作周期內，法蘭螺栓應力松弛后的剩余緊力仍能夠保證法蘭的密封。只要設計人員正確選用了螺栓材質，法蘭螺栓的應力松弛在相當長一段時間是可以忽略不計的。如果設計選材不當，螺栓蠕變強度不夠，在工藝管道升溫期間就會發(fā)生明顯蠕變，那么“熱緊”法蘭螺栓也起不了任何作用。因為螺栓“熱緊”后，其還會以同樣的速度繼續(xù)蠕變，不能持續(xù)保證其“熱緊”后所產生的預緊載荷。

3.2 螺栓受熱膨脹伸長[2]

高溫管道法蘭螺栓溫度上升主要來源于兩個方面：螺母與法蘭接觸部位的熱傳導、螺栓孔封閉區(qū)域的法蘭對螺栓的對流熱傳導。由于法蘭緊固螺栓的比表面積遠大于法蘭的比表面積，散熱更快，因此螺栓溫度會低于法蘭溫度。而從熱膨脹角度分析，法蘭膨脹量會大于螺栓膨脹量。密封墊片在受熱后，也會發(fā)生軸向膨脹，綜合結果就是：法蘭和墊片的軸向膨脹總量應大于螺栓的膨脹量。因此，熱態(tài)環(huán)境下，作用在墊片上的密封比壓相對于冷態(tài)更高，從受熱膨脹方面分析，高溫管道法蘭緊固螺栓不用進行熱緊。

4 管道法蘭螺栓“熱緊”的危害性[3-5]

4.1 螺栓強度和使用壽命減少

“熱緊”提高了螺栓預緊力，可以通過增大墊片的密封比壓而增強密封性能，但過大的螺栓預緊力會使螺栓產生較大的塑性變形，從而使螺栓的強度和使用壽命降低。例如，生產中會碰到的高溫螺栓帶壓緊固消漏，通過扳手、大錘強力緊固螺栓，有可能會消除漏點。但在裝置停車、管道降溫后，就會發(fā)現螺栓出現松動現象；更有甚者，螺栓完全失去了彈性變形能力，無法繼續(xù)使用。

4.2 高溫管線法蘭密封墊片損壞

高溫管線法蘭墊片采用的多為內外環(huán)金屬纏繞墊，其密封性能靠墊片的回彈性來保證。法蘭螺栓的“熱緊”操作只會減少甚至使墊片徹底失去彈性，造成其塑性變形而失效，一旦溫度降低后就會因墊片不能回彈而產生泄漏，甚至直接把墊片壓壞或者擠出；壓力等級較高時采用的是金屬八角墊，其墊片本身就具有受熱膨脹的自密封性能。因此，法蘭墊片密封力的作用不是要求越大越好，而是在滿足基本密封比壓后強調均勻性。“熱緊”不能解決泄漏，有時還會因破壞已經均勻的螺栓力而起到負面作用。

4.3 螺栓的緊固操作

由于人力緊固螺栓，或者是加長套管和錘擊等傳統工具，會造成螺栓預緊力過大或過小，同一法蘭螺栓預緊力不均勻而易產生泄漏。因此，定力矩緊固在各類化工裝置中得到越來越多的推廣應用。

4.3.1擰緊螺母的力矩計算

對螺栓預緊力進行計算時，首先要確定操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，其數值按下式計算：

Fp=2πDGbmP

(1)

式中，Fp為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N；DG為墊片有效密封面直徑；b為墊片有效密封寬度；m為墊片系數(由查GB 150—89第7章表7-2可得)；P為介質工作壓力(計算壓力)。

墊片緊固力F計算公式如下：

(2)

式中，F為墊片緊固力，N；DG為墊片有效密封面直徑；P為介質工作壓力；Fp為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力；單個螺栓預緊力為F/n，n為法蘭螺栓個數。

螺栓緊固力矩計算：

T=KFd

(3)

式中，T為擰緊螺母的力矩；K為扭矩系數(近似取0.2)；F為單個螺栓預緊力；d為螺栓大徑。

4.3.2螺栓緊固流程

(1)法蘭螺栓緊固原則為“多步緊固”和“順序緊固”。

(2)螺栓緊固分3遍進行，每遍起點相互分開120°。

(3)第1遍緊固采用50%的擰緊螺母力矩，用十字交叉法緊固螺栓并保證密封面平行。

(4)第2遍緊固采用100%的擰緊螺母力矩，用十字交叉法緊固螺栓并保證密封面平行。

(5)第3遍緊固采用100%的擰緊螺母力矩，再次對螺栓按第1遍緊固順序進行均勻緊固。

從法蘭螺栓定力矩緊固的擰緊力矩計算和螺栓緊固流程可知，螺栓安裝緊固如果采用的是定力矩緊固，其螺栓預緊力的大小是經過嚴格計算得出，再次“熱緊”只會破壞其原有的平衡。如果螺栓安裝緊固時采用的是扳手、大錘等傳統工具，那么就會存在螺栓緊固不均勻，無法保證每條螺栓具有相同的預緊力，還會存在預緊力過大或不足的情況，都有可能導致法蘭密封發(fā)生泄漏，與是否“熱緊”沒有關系。

4.4 安全角度

帶壓“熱緊”法蘭螺栓作業(yè)與安全生產是相矛盾的，其危險性和事故發(fā)生的可能性非常大。很多情況下，在裝置升溫、升壓過程中，首先考慮的是生產的有序進行，安排的螺栓“熱緊”工作條件與規(guī)范中要求的管道溫度、內壓力是存在偏差的。在螺栓受熱時對其施加載荷，很容易發(fā)生變形、斷裂等危險，或將墊片擠壓變形破壞，且還是在帶壓狀態(tài)下，會造成墊片損壞而失去密封作用，導致法蘭面發(fā)生泄漏，有時甚至會引起中毒、爆炸等災害性事故。

5 結語

綜上所述，化工裝置中的高溫工藝管道法蘭螺栓，應嚴格按照標準要求的緊固力矩和緊固流程，采用專用的緊固工具進行操作。除非在設計說明中明確要求對其進行“熱緊”作業(yè)，一般情況下，高溫壓力管道法蘭螺栓在升溫升壓過程的“熱緊”是不必要的，甚至對法蘭密封性能和安生生產是有危害的。只要采用了正確的螺栓緊固方式、做好開車前的氣密查漏工作，隨著管道法蘭螺栓定力矩緊固方式的不斷推廣，“熱緊”必將成為一種被淘汰的設備維護方法。