液壓拉伸器的應用研究

盧志勇

（海南省海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

隨著工業革命的不斷推進，螺栓連接廣泛應用在諸多領域中，特別是在石油化工、核電等系統裝備的壓力容器中，螺栓連接的質量好壞直接關系到設備的使用壽命和企業生產的安全性。因此，對螺栓預緊力進行合理控制是當前研究的重中之重，其是螺栓進行可靠連接的必要保障。在過去，傳統的大錘敲擊、人力板杠等方法完全由人的感覺判斷，根本沒有精度可言。通常使用扳手來對螺栓進行預緊及加固，這種操作方式易造成螺栓的損壞、連接件發生變形等狀況，進而影響到壓力容器的密封性，導致系統發生安全事故。據英國UKOOA（海上操作協會）科學分析得出：81%的泄漏和松動是由于不精確的螺栓載荷力引起的。因此，為了消除由于預緊力施加不均勻而帶來的安全隱患，采用液壓拉伸器來對螺栓進行預緊及加固成為當前普遍使用的方法，而且越來越受業界重視。在工作的過程中，螺栓只單純受到拉伸力作用，在鎖緊時不會造成力的損失，使得螺栓受力更加均勻，從而提高螺栓裝配或拆卸效率，延長壓力容器使用壽命。

1 液壓拉伸器的結構特點及其工作原理

液壓拉伸器結構如圖1所示。其主要由螺桿、螺帽、液壓油缸、套筒及活塞組成。具體的工作原理可以描述為：液壓油通過高壓油泵進入液壓油缸內，進而推動活塞向上移動，活塞連接著螺桿帶動螺桿上移，使螺桿發生彈性變形而拉長，從而在螺帽與機體間產生空隙，使螺帽處于不受力狀態，從而使液壓拉伸器輕松完成對螺栓的預緊及加固工作，其工作過程類似于液壓千斤頂。

圖1 液壓拉伸器結構示意圖

2 液壓拉伸器的優點

液壓拉伸器作為大直徑螺栓裝配及設備關鍵連接的關鍵工具，具備非常多的優點，在壓力容器法蘭螺栓連接中被視為最可靠的緊固工具。其主要優點可總結為以下幾點：

1）能夠最大程度地保證螺栓載荷準確性。在使用扳手對法蘭螺栓進行緊固時，螺栓與螺母間及螺母與法蘭平面間都會產生摩擦力，直接影響到緊固螺栓扭矩值的計算誤差，進而影響到選擇合適的預緊及鎖緊工具，從而影響設備連接的密封性。而液壓拉伸器在緊固過程中只產生向上的拉伸力，無摩擦損耗，從而保證了螺栓預緊載荷的準確性。

2）將螺栓的同步緊固變為現實。在對法蘭螺栓進行緊固的過程中，以往通常采用分布緊固方式，這種方式容易造成同一法蘭的不同位置螺栓在緊固時出現預緊力不均的現象，進而導致法蘭連接出現密封性不好的問題，造成設備在運行過程中發生泄漏事故。而液壓拉伸器能夠很好地解決這個問題，將螺栓的同步緊固變為現實，精確控制留存預緊力大小，使連接法蘭處的每組螺栓都均勻受力，從而保證系統設備運行的安全可靠性。

3）能夠對螺栓最終留存載荷進行檢驗。留存載荷對緊固后的螺栓受力、日后的無泄漏運行檢測至關重要。在完成緊固后，使用液壓拉伸器進行升壓，直至拉伸器撥盤將螺母撥松為止停止升壓，此時即可根據停止升壓后的壓力根據相應計算公式計算出螺栓的留存載荷。使用液壓拉伸器解決了留存載荷無法測量的難題，這是使用扳手緊固螺栓所不具備的。

3 液壓拉伸器自動控制設計

圖2為液壓拉伸器自動控制設計原理圖。由圖所示，液壓拉伸器的控制系統主要組成部分為單片機、液壓傳感器、A/D、LED、鍵盤及電機等。具體控制流程為：當單片機接收到外部輸入的預緊力大小時，經過數據轉換變為壓力大小，并用壓力傳感器時刻監測壓力大小，在電機的帶動下對液壓拉伸器施加壓力，當傳感器監測到達到設定壓力后，再通過螺母套對螺栓進行預緊。

圖2 液壓拉伸器自動控制設計原理圖

4 液壓拉伸器的應用

本文以某化肥廠氨合成系統中的壓力容器為例，說明液壓拉伸器的應用情況。

1）使用方式。根據特定的要求為該壓力容器的螺栓連接設計了特定的液壓拉伸器。例如，該化肥一期汽提塔封頭拉伸器為專用螺栓拉伸器，之前該液壓拉伸器的結構相對復雜，密封點較多，在承壓時只要有一處漏油均造成拉伸器失效。根據原設計宗旨，在改進設計時，不但需保證其活塞截面積不變，即保證其受力面積不變，而且要保證其承壓不變，即保證活塞的厚度不變，并且用鍛鋼材料加工；改造后，活塞內外兩道密封就能滿足壓力85MPa的工作壓力需求；而且減少了漏點，有利于對密封圈的維修更換，便于保養。而在該化肥廠高壓系統中，壓力容器的法蘭螺栓連接采取多個液壓拉伸器并聯使用的方法，該方法在保證法蘭處每組螺栓均勻受力的前提下，提高了緊固螺栓的效率。

2）油壓分級。在液壓拉伸器對該壓力容器法蘭螺栓進行緊固的過程中，采取分級的方式，逐級升高拉伸器油壓，嚴禁一步完成對螺栓的緊固工作，以實現緊固后的設備零泄漏。油壓等級根據油壓是否超過50MPa分為兩種，當油壓＜50MPa時可分為四級，而當＞50MPa時可分為五級。無論油壓大小，拉伸器內每一級的油壓大小均應同前一級的油壓保持相同。

3）預緊順序。在使用液壓拉伸器對該壓力容器法蘭螺栓進行緊固的過程中，預緊應遵循一定的原則，為實現螺栓的均勻緊固，上次上緊應與下次上緊錯開一定的位置，一般情況下，按照對稱的原則來合理安排上緊次序。圖3為8螺栓的法蘭預緊緊固順序示意圖。

除以上外，在應用過程中，應嚴禁發生其他因素造成的螺栓不可靠連接。認真檢查每組待上緊的螺栓是否有油脂污垢，要求每組螺栓表面必須清潔干凈；認真檢查所有待上緊螺栓的螺紋必須無損壞、無毛刺，能夠保證順利旋進及旋出；此外，在緊固過程中應注意在螺栓螺紋處加入潤滑劑等。

圖3 螺栓預緊順序示意

5 結論

液壓拉伸器是目前控制螺栓預緊力最科學的工具，比起扭矩扳手，其優點更加明顯，應用場合更加廣泛。其能夠有效解決螺栓預緊力施加不均勻的問題，減少了工具操作不當造成的設備安全問題，提高了設備的裝配密封性，從而提高了設備的運行可靠性。