開展扭矩化管理，實現法蘭無泄漏

蔣利強

中石化寧波工程公司 浙江寧波 315103

根據美國圣哲環境咨詢公司的統計，約有95%的石油化工裝置的泄漏來源于法蘭泄漏。英國UKOOA針對失效的法蘭開展了一項調查，統計造成泄漏的原因，發現其中81%的法蘭泄漏是由于不正確的螺栓預緊力造成的[1]。隨著國內環保標準日趨嚴格，借鑒國外的先進經驗，開展扭矩化管理，保持均勻、持續、有效的螺栓預緊力，實現法蘭零泄漏，成為十分現實和緊迫的任務。

1 開展法蘭扭矩化管理的必要性

1.1 法蘭泄漏原因分析

導致法蘭泄漏的因素有很多，主要取決于以下幾個方面：（1）法蘭的運行操作工況；（2）法蘭及緊固件的準確選擇與適配性；

（3）密封面的形式及精度（光潔度和平整度）；

（4）密封件的正確選擇與合格率；

（5）螺栓預緊力的準確性、均勻性及持續有效性。

因為81%的法蘭泄漏是由于不正確的螺栓預緊力造成的[2]。所以，螺栓預緊力是影響法蘭嚴密性的最核心、最重要的因素，也是把控的重點和難點。

1.2 影響螺栓預緊力的因素

1.2.1 螺栓預緊力與有效扭矩的關系

螺栓預緊力與有效扭矩的關系可以由式（1）表達：

有效扭矩（Nm）=預緊力(kN)×螺栓直徑（mm）×K （1）

由式（1）可以推出：

預緊力(kN)=有效扭矩（Nm）/[螺栓直徑（mm）×K] （2）

式中：K——扭矩系數（一般推薦值為 0.08～0.16）

從式（2）可以發現，影響螺栓預緊力的因素主要為有效扭矩和扭矩系數K值，而且，扭矩系數的取值范圍比較寬泛，導致預緊力將隨之發生很大波動。所以，要想使所有螺栓副均獲得精準、均勻的預緊力，絕非易事。

1.2.2 影響有效扭矩的主要因素

影響有效扭矩的主要因素包括：

（1）預緊工具輸出的扭矩精度；

（2）預緊工具輸出的重復精度；

（3）螺栓副有效力矩精度；

（4）扭矩獲取的方式。

預緊工具輸出的扭矩精度、重復精度以及螺栓副有效力矩精度，均與選擇的扭矩獲取方式（緊固方式）緊密相關。傳統的扭矩獲取方式及其特點如下：

1.2.2.1 同心擰緊法

擰到螺栓副上的扭矩，相對于工具提供的扭矩來說損耗小。工具輸出的所有扭矩都施加到螺栓副上，可獲得較高的有效力矩精度。但是，工具本身輸出的扭矩精度低、重復性差。

以典型的液壓螺栓拉伸器為例，其存在可控性不理想的缺陷，表現在：

（1）雖然待擰緊螺桿上的拉伸力相同，但各螺栓副上的最終預緊力大小取決于鎖緊螺母的鎖緊扭矩。液壓螺栓拉伸器的鎖緊扭矩可控性低，導致了預緊力偏差大（可以達到幾倍的偏差）。

（2）螺栓副處的螺紋和螺母底平面與法蘭表面均未被載荷擠壓過，接觸面的粗糙度較大，當載荷施加到這些面上時會產生塑性變形，導致螺栓副預緊力下降，且不可控制。

（3）操作不當時，還有過拉伸的可能，使螺桿產生塑性變形，強度下降，并使密封件過壓縮，發生塑性變形，失去回彈力，導致密封失效。

1.2.2.2 偏載擰緊法

工具本身輸出的扭矩精度高，重復精度高。由于存在偏載力矩，當工具輸出扭矩作用到螺栓副上時，使得螺栓副預緊力偏載很大，從而降低有效力矩。

以典型的液壓扭矩扳手為例，存在可操作性方面的缺陷，包括：

（1）由于液壓扭矩扳手本體體積小、重量輕，無法支撐其旋轉螺栓副產生的反作用力，必須把反作用力支撐到其他可靠的支點上，從而產生偏載，且偏載力的大小無法計算和控制。即使液壓扭矩扳手可保證±3%的重復精度，但作用到螺栓副上的扭矩會有高達20%以上的偏差。

（2）由于扭矩系數K值變化大，有時偏差甚至達幾倍，用液壓扭矩扳手很難保證螺栓預緊力的精確性、一致性。

可見，兩種傳統方法各有特色，也各有局限。有效扭矩的獲取并持續保持的難度較大。

1.2.3 影響扭矩系數的主要因素

影響扭矩系數K值的主要因素包括：

（1）螺紋副的摩擦系數；

（2）螺母下表面與法蘭安裝孔表面的摩擦系數；

（3）螺栓的回彈系數；

（4）螺栓的擰緊速度。

扭矩系數K值理論推薦范圍為0.08～0.16，即在給定有效扭矩的情況下，K值的理論變化也可達到近2倍的偏差，實際應用中甚至會有5倍以上偏差。其中，螺母下表面與法蘭安裝孔表面的摩擦系數占整個影響因素的70%以上，對扭矩系數有絕對影響力。

綜上所述，導致法蘭泄漏的關鍵因素是螺栓預緊力，而又以有效扭矩及扭矩系數K值最為核心。因此，開展法蘭扭矩化管理十分必要。

2 開展法蘭扭矩化管理的緊迫性

隨著新一輪特大型石化一體化項目的陸續上馬，尤其是浙江石化、大連恒力、煙臺裕龍、連云港盛虹等巨無霸的急速擴張，將使高參數、大尺寸法蘭使用數量大幅增加，其工期之緊、要求之高、難度之大超乎想象。例如，僅浙江石化一期的乙烯和芳烴聯合裝置就有105000對法蘭；鎮海煉化一套260萬t/a沸騰床渣油加氫裝置也有29000對法蘭，其中還有不少特殊法蘭，對裝配要求極為苛刻，稍有不慎就無法達到密封要求。由于許多法蘭是美國進口的新型法蘭，緊固工藝包括密封面質量評定、螺栓扭矩值設定、裝配緊固流程等都沒有現成的標準規范，也沒有可供借鑒的裝配經驗，這對法蘭裝配的能力和水平提出了前所未有的考驗。

對大型化、一體化、智能化的特大型聯合石化企業而言，因系統龐大復雜，上下游耦合緊密，往往觸一發動全身。一旦泄漏，因連鎖反應，會導致風險疊加，后患無窮。另一方面，隨著原油加工種類的不斷增多，高硫高酸原油的比例不斷上升，使裝置（設施）檢修周期不斷縮短。特別是隨著國家環保標準日趨嚴厲、民眾環保期望日益高漲，對年代久遠老舊裝置的安、穩、長、滿運行提出了苛刻的要求。這些，都對法蘭無泄漏提出了迫切需要。

因此，開展法蘭扭矩化管理已十分緊迫。

3 開展法蘭扭矩化管理面臨的困難及挑戰

3.1 理念意識的更新

為實現無泄漏目標，需要按照ASME PCC-1-2013《壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》(以下簡稱PCC-1指南)指導法蘭裝配，使法蘭連接具有與焊接連接同樣的可靠性。顯然，舊有的裝配理念亟待轉變。

3.2 專業隊伍的配備

PCC-1指南將合格裝配人員分為三級，分別是螺栓緊固專家、高級螺栓緊固專家和螺栓緊固指導者。目前，絕大部分工程建設企業配備的緊固專業管理人員和作業人員尚有不少差距，特別是裝配工存在人員流動性大、技能培訓少、技能素質不相匹配等突出問題。

3.3 專業研究的提升

法蘭扭矩化管理涉及摩擦系數的準確測算、目標扭矩的精確確定、扭矩獲取方式的合理選擇，以及裝配緊固的精準把控等，均需要豐富的專業知識和工程實踐，方能獲得適中的有效扭矩。

3.4 專用裝備的改進

目前，通常采用液壓扭矩扳手和液壓螺栓拉伸器來控制螺栓的預緊力[2]。但傳統緊固工具存在可操作性不理想、可控性不佳等缺陷。如液壓扭矩扳手因需要反作用力臂，存在偏載力矩，導致螺栓副上的扭矩會產生很大的偏差；若采用液壓螺栓拉伸器，則拉伸后螺母轉動靠手動調節，也就是說螺栓最終的拉伸量是由人工靠螺母轉動的角度控制的，精度難以保證。所以，要想精準把控螺栓副有效扭矩，傳統裝備需要不斷完善改進。

4 亟待加強的幾個方面

4.1 加大培訓力度，補上技能短板

具備足夠數量、合格技能的裝配人員是螺栓副連接裝配的基礎，否則，螺栓副裝配質量根本無從談起，開展法蘭扭矩化管理也是空中樓閣。所以，必須花大力氣加大對技能操作人員的基礎理論、實操技能、安全防護等方面的培訓，特別要對照ASME PCC-1對合格裝配人員的指南[3]，注重從螺栓副檢測、法蘭組對調整、螺栓副安裝、螺栓副潤滑、螺栓副緊固和檢測檢查等環節的最佳實踐體驗進行培訓，使操作人員掌握各種緊固方法/載荷控制技術的操作要領。經過嚴格培訓，逐一考核通過，做到應知應會，技能過硬。徹底改變目前流動頻繁、臨時組合、心中無數、倉促上崗的現狀，補上技能短板。

4.2 加強專業合作，提升專業水平

經過近四十年的高強度投入，石化行業得到迅猛發展，螺栓緊固載荷控制等相關技術，如定力矩緊固新技術[4]也得到了快速提升。作為工程建設企業，必須關注行業前沿，掌握適用先進技術。同時，需要加強與高等院校、科研單位等專業機構及專業廠家的合作，開展專題攻關，提升專業水平。

比如，如何科學合理調整螺栓副作用載荷的分布，克服螺母面摩擦、克服螺紋摩擦、有用的螺栓剩余載荷三方面作用載荷，以提高螺栓有效載荷，實現法蘭無泄漏；又如，如何基于法蘭、螺栓、墊片組件完整性的有限元計算和彈性封閉計算數據，精準設定目標扭矩；再如，執行老舊裝置檢修改造時，難免會遇到不同批次、新舊不一的緊固螺栓混用現象，如何準確測算新舊螺栓的摩擦系數就成為十分棘手的問題。另外，對于大尺寸法蘭，如何定量分析螺栓緊固過程的交互效應，使殘余的交互作用降至最低，確保螺栓預緊力保持一致，使離散度最低等。以上種種，均迫切需要專業機構的指導和幫助。

4.3 注重數據積累，加大經驗共享

開展法蘭扭矩化管理嚴重依賴基礎數據，涉及法蘭、螺栓、螺母、墊片、密封面等的幾何參數和性能參數，僅螺栓就包括螺栓直徑、螺栓數量、螺紋牙距、螺母厚度、螺栓有效長度、螺栓安裝溫度、螺栓工作溫度，以及材料的彈性模量、線膨脹系數和拉伸屈服強度等數據。若基礎數據匱乏，扭矩化管理的準確性就會大打折扣，難以保證各螺栓副的預緊力精確一致，離散性會偏大，法蘭無泄漏的目標就無法達成。因此，需要從核心生產要素高度，注重基礎數據的不斷積累、不斷豐富、不斷完善。

同時，由于法蘭扭矩化管理尚處于探索階段，體會不深，經驗不足，難度不小。今后在業內需要加大交流力度，建立共享機制，以期少走彎路，避免低水平徘徊。

4.4 加快裝備國產化，提高專業能力

隨著螺栓緊固載荷控制等相關技術日趨成熟，緊固裝備的研發和制造能力也得到了飛速發展，各種性能優越、操作簡便的緊固裝備在國際上也相繼問世。但價格昂貴，且受制于人。 因此，需要加大開發力度，加快裝備國產化，普及操作簡便、精確高效、安全可靠的緊固工裝。比如，國產自反作用力載荷墊圈的推廣應用，為開展法蘭扭矩化管理奠定了堅實的基礎。

5 結束語

綜上所述，針對81%的法蘭泄漏是由于不正確的螺栓預緊力造成的現狀，開展扭矩化管理，實現法蘭零泄漏，具有十分重要的現實意義。