液壓拉伸器的應(yīng)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(yè)革命的不斷推進(jìn)，螺栓連接廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)域中，特別是在石油化工、核電等系統(tǒng)裝備的壓力容器中，螺栓連接的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到設(shè)備的使用壽命和企業(yè)生產(chǎn)的安全性。因此，對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行合理控制是當(dāng)前研究的重中之重，其是螺栓進(jìn)行可靠連接的必要保障。在過(guò)去，傳統(tǒng)的大錘敲擊、人力板杠等方法完全由人的感覺(jué)判斷，根本沒(méi)有精度可言。通常使用扳手來(lái)對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊及加固，這種操作方式易造成螺栓的損壞、連接件發(fā)生變形等狀況，進(jìn)而影響到壓力容器的密封性，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生安全事故。據(jù)英國(guó)UKOOA（海上操作協(xié)會(huì)）科學(xué)分析得出：81%的泄漏和松動(dòng)是由于不精確的螺栓載荷力引起的。因此，為了消除由于預(yù)緊力施加不均勻而帶來(lái)的安全隱患，采用液壓拉伸器來(lái)對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊及加固成為當(dāng)前普遍使用的方法，而且越來(lái)越受業(yè)界重視。在工作的過(guò)程中，螺栓只單純受到拉伸力作用，在鎖緊時(shí)不會(huì)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(zhǎng)壓力容器使用壽命。

1 液壓拉伸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理

液壓拉伸器結(jié)構(gòu)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(guò)高壓油泵進(jìn)入液壓油缸內(nèi)，進(jìn)而推動(dòng)活塞向上移動(dòng)，活塞連接著螺桿帶動(dòng)螺桿上移，使螺桿發(fā)生彈性變形而拉長(zhǎng)，從而在螺帽與機(jī)體間產(chǎn)生空隙，使螺帽處于不受力狀態(tài)，從而使液壓拉伸器輕松完成對(duì)螺栓的預(yù)緊及加固工作，其工作過(guò)程類似于液壓千斤頂。

圖1 液壓拉伸器結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓拉伸器的優(yōu)點(diǎn)

液壓拉伸器作為大直徑螺栓裝配及設(shè)備關(guān)鍵連接的關(guān)鍵工具，具備非常多的優(yōu)點(diǎn)，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(yōu)點(diǎn)可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1）能夠最大程度地保證螺栓載荷準(zhǔn)確性。在使用扳手對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行緊固時(shí)，螺栓與螺母間及螺母與法蘭平面間都會(huì)產(chǎn)生摩擦力，直接影響到緊固螺栓扭矩值的計(jì)算誤差，進(jìn)而影響到選擇合適的預(yù)緊及鎖緊工具，從而影響設(shè)備連接的密封性。而液壓拉伸器在緊固過(guò)程中只產(chǎn)生向上的拉伸力，無(wú)摩擦損耗，從而保證了螺栓預(yù)緊載荷的準(zhǔn)確性。

2）將螺栓的同步緊固變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行緊固的過(guò)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(shí)出現(xiàn)預(yù)緊力不均的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致法蘭連接出現(xiàn)密封性不好的問(wèn)題，造成設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生泄漏事故。而液壓拉伸器能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，將螺栓的同步緊固變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，精確控制留存預(yù)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(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。

3）能夠?qū)β菟ㄗ罱K留存載荷進(jìn)行檢驗(yàn)。留存載荷對(duì)緊固后的螺栓受力、日后的無(wú)泄漏運(yùn)行檢測(cè)至關(guān)重要。在完成緊固后，使用液壓拉伸器進(jìn)行升壓，直至拉伸器撥盤將螺母撥松為止停止升壓，此時(shí)即可根據(jù)停止升壓后的壓力根據(jù)相應(yīng)計(jì)算公式計(jì)算出螺栓的留存載荷。使用液壓拉伸器解決了留存載荷無(wú)法測(cè)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(dòng)控制設(shè)計(jì)

圖2為液壓拉伸器自動(dòng)控制設(shè)計(jì)原理圖。由圖所示，液壓拉伸器的控制系統(tǒng)主要組成部分為單片機(jī)、液壓傳感器、A/D、LED、鍵盤及電機(jī)等。具體控制流程為：當(dāng)單片機(jī)接收到外部輸入的預(yù)緊力大小時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閴毫Υ笮。⒂脡毫鞲衅鲿r(shí)刻監(jiān)測(cè)壓力大小，在電機(jī)的帶動(dòng)下對(duì)液壓拉伸器施加壓力，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到達(dá)到設(shè)定壓力后，再通過(guò)螺母套對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊。

圖2 液壓拉伸器自動(dòng)控制設(shè)計(jì)原理圖

4 液壓拉伸器的應(yīng)用

本文以某化肥廠氨合成系統(tǒng)中的壓力容器為例，說(shuō)明液壓拉伸器的應(yīng)用情況。

1）使用方式。根據(jù)特定的要求為該壓力容器的螺栓連接設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，密封點(diǎn)較多，在承壓時(shí)只要有一處漏油均造成拉伸器失效。根據(jù)原設(shè)計(jì)宗旨，在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，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(nèi)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(diǎn)，有利于對(duì)密封圈的維修更換，便于保養(yǎng)。而在該化肥廠高壓系統(tǒng)中，壓力容器的法蘭螺栓連接采取多個(gè)液壓拉伸器并聯(lián)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(jí)。在液壓拉伸器對(duì)該壓力容器法蘭螺栓進(jìn)行緊固的過(guò)程中，采取分級(jí)的方式，逐級(jí)升高拉伸器油壓，嚴(yán)禁一步完成對(duì)螺栓的緊固工作，以實(shí)現(xiàn)緊固后的設(shè)備零泄漏。油壓等級(jí)根據(jù)油壓是否超過(guò)50MPa分為兩種，當(dāng)油壓＜50MPa時(shí)可分為四級(jí)，而當(dāng)＞50MPa時(shí)可分為五級(jí)。無(wú)論油壓大小，拉伸器內(nèi)每一級(jí)的油壓大小均應(yīng)同前一級(jí)的油壓保持相同。

3）預(yù)緊順序。在使用液壓拉伸器對(duì)該壓力容器法蘭螺栓進(jìn)行緊固的過(guò)程中，預(yù)緊應(yīng)遵循一定的原則，為實(shí)現(xiàn)螺栓的均勻緊固，上次上緊應(yīng)與下次上緊錯(cuò)開(kāi)一定的位置，一般情況下，按照對(duì)稱的原則來(lái)合理安排上緊次序。圖3為8螺栓的法蘭預(yù)緊緊固順序示意圖。

除以上外，在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)禁發(fā)生其他因素造成的螺栓不可靠連接。認(rèn)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(rèn)真檢查所有待上緊螺栓的螺紋必須無(wú)損壞、無(wú)毛刺，能夠保證順利旋進(jìn)及旋出；此外，在緊固過(guò)程中應(yīng)注意在螺栓螺紋處加入潤(rùn)滑劑等。

圖3 螺栓預(yù)緊順序示意

5 結(jié)論

液壓拉伸器是目前控制螺栓預(yù)緊力最科學(xué)的工具，比起扭矩扳手，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯，應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛。其能夠有效解決螺栓預(yù)緊力施加不均勻的問(wèn)題，減少了工具操作不當(dāng)造成的設(shè)備安全問(wèn)題，提高了設(shè)備的裝配密封性，從而提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性。