無力臂扭矩拉伸法在重整裝置的應(yīng)用

蘇同君，高 偉，蔡 學(xué)

（1.中國石化石家莊煉化分公司，河北石家莊 050099；2.凱特克集團(tuán)有限公司，北京 100063）

0 引言

中石化石家莊煉化公司重整反應(yīng)器的部分介質(zhì)溫度高達(dá)500 ℃，屬于高溫承壓設(shè)備，該裝置的法蘭發(fā)生泄漏很難在線處理，只能蒸汽保護(hù)，不僅影響安全生產(chǎn)，甚至還會(huì)造成非計(jì)劃停工[1]。螺栓法蘭接頭廣泛應(yīng)用于石化企業(yè)的設(shè)備連接，也是易泄漏點(diǎn)之一。

1 目前重整裝置反應(yīng)器的關(guān)鍵法蘭緊固方案

當(dāng)前，煉化公司常用傳統(tǒng)的液壓板手對(duì)螺栓進(jìn)行緊固（圖1），該方法雖然可以設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓的扭矩，但必須要有一個(gè)反作用力臂來平衡驅(qū)動(dòng)力，否則機(jī)具容易原地打轉(zhuǎn)。根據(jù)力矩平移定律，液壓板手的緊固效果等效于在螺栓上施加一個(gè)與此力偶垂直的側(cè)向力（又稱偏載力）。此側(cè)向力將螺紋副的面接觸變成了線接觸甚至點(diǎn)接觸，這不僅會(huì)增大螺紋之間的摩擦系數(shù)，甚至還會(huì)導(dǎo)致螺栓咬牙；此外，此方法還會(huì)導(dǎo)致螺母與支撐面之間的受力集中到一側(cè)，劃傷支撐面，使得螺母與支撐面之間的摩擦系數(shù)增大。液壓板手緊固法對(duì)每條螺栓實(shí)際產(chǎn)生的摩擦系數(shù)以及正壓力的大小是無法計(jì)算和測(cè)量的，因此無法知道對(duì)每條螺栓緊固時(shí)實(shí)際施加的摩擦阻力。這種方法雖然給每條螺栓提供相似的緊固力矩，但是在克服摩擦阻力后剩余的力矩才能轉(zhuǎn)化成螺栓的預(yù)緊力。每條螺栓的摩擦阻力不同，其預(yù)緊力數(shù)值自然也是個(gè)未知數(shù)。所以，液壓扳手扭矩輸出的精度很高，但是預(yù)緊力的精度只能達(dá)到±30%。

圖1 帶反作用力臂液壓扳手

以無力臂扭矩拉伸法在石家莊煉化重整裝置中的應(yīng)用為例，對(duì)其應(yīng)用過程及應(yīng)用效果進(jìn)行研究。經(jīng)過調(diào)研其他單位重整裝置反應(yīng)器的情況，2016 年石家莊煉化公司在重整裝置反應(yīng)器的13 對(duì)關(guān)鍵法蘭上，使用凱特克的法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝過程管理方案，并且應(yīng)用帶六角形反作用墊圈的無力臂扭矩拉伸法對(duì)螺栓進(jìn)行緊固，該煉化公司裝置法蘭的泄漏情況得到明顯改善。

2 無力臂扭矩拉伸法原理

無力臂扭矩拉伸法工作原理如圖2 所示，主要通過在普通螺母下面增加一種六角形反作用力墊圈，將動(dòng)力工具緊固螺栓時(shí)產(chǎn)生的反作用力通過專用的驅(qū)動(dòng)套筒轉(zhuǎn)移到螺母的下方，讓緊固螺栓的作用力矩和反作用力矩沿著螺栓的同一個(gè)軸線，消除普通扭矩緊固時(shí)所必需的側(cè)向反作用力支點(diǎn)的緊固方式。通過消除反作用力臂，即可控制扭矩緊固過程中的摩擦力，進(jìn)而提升扭矩轉(zhuǎn)化成螺栓預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化率，螺栓預(yù)緊力誤差<±10%。

圖2 無反作用力臂的扭矩拉伸法

3 無力臂扭矩拉伸法在高溫承壓設(shè)備中的應(yīng)用過程

3.1 密封計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

無力臂扭矩拉伸法力矩計(jì)算所需數(shù)據(jù)較多，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，根據(jù)法蘭實(shí)際工況進(jìn)行了調(diào)研，并建立了法蘭基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，如表1 所示，統(tǒng)計(jì)密封形式、法蘭尺寸、介質(zhì)、溫度、壓力、螺栓材質(zhì)、螺栓尺寸等信息，為安裝方案的制定做好準(zhǔn)備。

3.2 螺栓預(yù)緊力計(jì)算

根據(jù)工況調(diào)研的數(shù)據(jù)，計(jì)算法蘭密封所需要的螺栓預(yù)緊力。計(jì)算預(yù)緊力時(shí)需要考慮4 個(gè)方面：補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力、克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力、克服管道應(yīng)力等外力所需的預(yù)緊力、保證工作密封比壓所需的預(yù)緊力。將這4 個(gè)方面的預(yù)緊力值相加，除以法蘭上螺栓的個(gè)數(shù)，可得到每條螺栓所需要的預(yù)緊力。計(jì)算出預(yù)緊力后，需要對(duì)螺栓強(qiáng)度與密封墊的強(qiáng)度進(jìn)行校核，使其處于合適的屈服極限強(qiáng)度之內(nèi)，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表1 無力臂扭矩拉伸法力矩計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 無力臂扭矩拉伸法力矩值

3.3 安裝過程控制

3.3.1 法蘭密封面檢查

法蘭密封面對(duì)整個(gè)密封系統(tǒng)影響很大。安裝法蘭前要按照表3 步驟對(duì)法蘭的密封面進(jìn)行檢查。

3.3.2 法蘭密封墊檢查與安放

檢查確認(rèn)密封墊片的完好性，安裝時(shí)將密封墊保持到位，可以在密封墊上施加一薄層噴膠來固定密封墊，避免使用于工藝介質(zhì)不兼容或容易造成應(yīng)力腐蝕或密封面點(diǎn)蝕的粘合劑，切勿在密封墊上徑向使用膠帶。

3.3.3 螺栓的檢查與潤滑

潤滑可以降低摩擦系數(shù)，以更低的扭矩達(dá)到給定的預(yù)緊力，并改善接頭內(nèi)螺栓與螺栓之間載荷的一致性，同時(shí)還有助于隨后的緊固件拆卸。首先在潤滑螺栓螺母前需先檢查螺栓螺母能否自由旋合，如有問題應(yīng)查找原因并進(jìn)行必要的更換。其次，在螺栓穿過法蘭螺栓孔后涂抹潤滑劑，避免螺栓孔內(nèi)的顆粒物污染。最后在螺母與設(shè)備面的接觸面和螺紋副之間充分涂抹潤滑劑或者高溫防咬合劑。

3.3.4 法蘭回裝要求

依據(jù)ASME PCC-1—2013（壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南）[1]對(duì)法蘭中心線高/低找正：在法蘭周圍選4 個(gè)點(diǎn)，相互之間大約間隔90°，任何一點(diǎn)的公差均<1.5 mm。

首先對(duì)法蘭的平行度進(jìn)行找正，主要通過測(cè)量和比較法蘭的最大/最小間隙來確定，其公差不得超過0.8 mm，其次對(duì)法蘭的螺栓孔進(jìn)行找正，按照90°的角度測(cè)量公差；在此情況下，保證螺栓穿過法蘭螺栓孔，或者兩螺栓孔處于3 mm 的范圍內(nèi)。最后隨兩片法蘭間的間隙進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)法蘭處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩個(gè)法蘭之間的間距超過墊片厚度的兩倍，若間隙過大/過小時(shí)均需要調(diào)整。

3.3.5 螺栓緊固的順序步驟

采用四同步的緊固方式對(duì)法蘭進(jìn)行緊固，保證法蘭平行閉合，密封墊片均勻壓縮，四同步緊固法如圖3 所示。

表3 法蘭密封面檢查項(xiàng)目

根據(jù)ASME PCC-1—2010（壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南）中的四同步緊固步驟對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行緊固，緊固方法如圖4所示。緊固步驟如下：

第一步：在位置①上放置用機(jī)具擰緊，設(shè)定力矩輸出為50%，將法蘭面對(duì)中拉緊，測(cè)量并調(diào)整法蘭間隙。

第二步：在位置②上放置用機(jī)具擰緊，設(shè)定力矩輸出為50%，將法蘭面對(duì)中拉緊，測(cè)量并調(diào)整法蘭間隙。

圖3 四同步緊固法實(shí)例圖

圖4 四同步緊固法原理圖

第三步：位置③⑥同步方式依次進(jìn)行鎖緊，設(shè)定力矩輸出為100%，測(cè)量并調(diào)整法蘭間隙。

第四步：最后用100%的力矩順時(shí)針檢查所有螺栓，確定所有螺栓無法轉(zhuǎn)動(dòng)為止；確定所有螺栓無法轉(zhuǎn)動(dòng)為止，法蘭間隙均勻。

注：螺栓組的編號(hào)要保證工具的擺放是相對(duì)的，將之前緊固的螺栓之間的角度分開。50%的緊固是為了保證平行度的校正以及保證控制平穩(wěn)，分開角度是為了使墊圈和薄法蘭的“起皺”降到最小。

4 結(jié)果與討論

通過在石家莊煉化重整裝置反應(yīng)器法蘭安裝過程中對(duì)每個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)管控，并使用無力臂扭矩拉伸法緊固螺栓，緊固后法蘭密封點(diǎn)的泄漏情況如表4 所示。

表4 煉化重整裝置反應(yīng)器VOCs 數(shù)據(jù)排放數(shù)值

由表4 數(shù)據(jù)可知，設(shè)備法蘭密封點(diǎn)的VOCs（Volatile Organic Compounds，揮發(fā)性有機(jī)物）排放值處于（1.3～2.5）1×10-6范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家環(huán)保部門規(guī)定的5×10-4限制要求。這不僅提高了螺栓預(yù)緊力精度，確保了法蘭密封的可靠性，而且還降低了VOCs 排放值，且該裝置自2016 年運(yùn)行至今，沒有發(fā)生法蘭泄漏的問題，因此無力臂扭矩拉伸法可顯著提高螺栓法蘭接頭的密封等級(jí)，是一項(xiàng)值得推廣的新技術(shù)。

5 結(jié)束語

以無力臂扭矩拉伸法在石家莊煉化重整裝置中的應(yīng)用為例，對(duì)其應(yīng)用過程及其應(yīng)用效果進(jìn)行研究。采用該方法應(yīng)用于設(shè)備法蘭密封緊固，緊固后的設(shè)備法蘭密封點(diǎn)VOCs 排放值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家環(huán)保部門規(guī)定的5×10-4限制要求。這不僅提高了螺栓預(yù)緊力精度，確保了法蘭密封的可靠性，而且還降低了VOCs 排放值，因此，無力臂扭矩拉伸法可顯著提高螺栓法蘭接頭的密封等級(jí)。