磺化器壓盤螺栓專用定力矩緊固工具解決裝配問題

林 豐

（中國石油大慶煉化公司化工生產二部，黑龍江大慶 163700）

0 引言

磺酸鹽作業區磺化器由于正常生產中結焦情況較為嚴重，所以切換清洗作業較為頻繁，每5 d 切換一次。每次拆裝回裝過程中，壓盤上的120 枚壓緊螺栓需逐一緊固，以往通常是靠普通扳手操作完成的。由于壓盤面積較大，螺栓均布于整個壓盤，每顆螺栓周圍均有其他螺栓孔分布，緊固環節用普通工具作業無法精確掌控力矩。緊固力矩不夠，單枚螺栓漏油，單枚緊固過度容易導致周圍螺栓松脫，加劇泄漏，費時費力且需反復調整，既延長作業時間又無法確保安裝質量[1]。考慮到在精確配合的情況下，每枚壓盤螺栓的載荷是均衡的，作業區技術人員借助定力矩緊固技術可以實現螺栓載荷的均衡有效，提高磺化器壓盤裝配質量。

1 問題分析

壓盤通過螺紋作用在每一枚壓緊螺栓上的軸向壓緊力是確保壓緊密封效果的關鍵，而軸向壓緊力是通過作業中的緊固力矩提供的。緊固力矩經由扳手施加，因整個壓盤上全部壓緊螺栓規格一致，所以螺栓的軸向預緊力值正比于緊固力矩，或者說在整套裝配件（壓緊螺栓、密封墊圈、壓盤螺紋孔）規格一致時，相同作業條件下滿足生產進油無泄漏所需的緊固力矩是一致的定值。也就是說，作業過程中的預緊力大小決定了緊固力矩大小，進而決定了裝配是否成功、符合安全生產要求。

為增強壓盤壓緊螺栓與螺孔配合的緊密性，防止松動，以前是逐個螺栓反復用力緊固，保證壓緊效果。但是緊力矩過大會損壞螺紋，螺紋連接就會失效，尤其是密封聯接的情況下，螺栓使用過程擰緊力矩過大，墊圈受壓過程密封時會被壓死從而去彈性，螺紋也會受到損傷，但擰緊力矩過小就達不到緊固密封的作用。合適的擰緊力矩對可以有效強化螺栓的壓緊密封效果，同時延長螺紋和密封墊圈的使用壽命。

2 解決措施

為減輕工作壓力，同時提高作業效率，作業區制作了專用緊固力矩扳手。該扳手通過專用連接件連接力矩扳手與專用緊固工具，再使用扳手對緊固工具施加扭矩，當螺栓上緊到一定力矩值后，力矩套筒內部的機械結構打滑，停止對螺栓繼續施力。實現了精確控制緊固力矩，保證在每一枚螺栓上施加的力相同，確保緊固效果，減少泄漏問題，在實踐過程中反響較好。

3 工具原理

在實際作業中，定力矩扳手能精確地限定被壓盤作用到墊圈上的壓緊力，可靠確保磺化器壓盤裝配的完成（圖1）。

圖1 定力矩扳手

將定力矩套筒中間軸下端的內六角槽插入專用連接件的六角螺栓頭中，然后將專用連接件的定位銷插入磺化器壓盤鎖緊螺母中，底部的4 條條形楔嵌入螺母槽中，然后擰緊扳手對螺栓施加扭矩（圖2～圖4）。當螺栓擰緊到設定扭矩值時，套筒內的機械結構會滑動，并停止向螺栓施加力。3 組彈簧將金屬球擠壓進中心軸的凹槽。當扭矩過大時，中心軸坑與金屬球之間的接觸力增加，沿壓縮彈簧方向的分力也會增加，彈簧被壓縮，金屬球從凹槽中分離，使連接螺栓的中心軸相對于殼體滑動，實現定力矩緊固。定力矩扳手也可以使用蝸輪機構調整蝸輪齒圈。蝸輪齒圈的內側是一個凸輪，當蝸桿帶動蝸輪旋轉時凸輪擠壓外金屬球、調節彈簧的壓縮，實現卸載扭矩的微調[2]。

圖2 套筒

圖3 專用連接件

4 工具優點

專用工具的花狀套筒可以擴大的圓滑接觸面，更好地適配螺帽，提高作業過程中的容錯率和工作效率。擴大的圓滑接觸面確保了扭矩可以統一、可靠地傳遞到螺栓頭部，大大減小對螺栓頭部的損壞。連接頭有如下優點：

（1）易于抓取螺母頭，對螺栓尺寸與公差范圍容錯率較高。

（2）作業中便于力均勻分布于螺栓頭部，減少工具對表面的影響，減少施力打滑情況。

（3）從連接件到手柄扭矩傳遞平穩，提高了對螺栓頭部的磨損的容錯率，減少扭矩傳遞不到位導致的螺栓不能跟隨工具導致的打滑空轉情況。

（4）優化動力分配，實現高效率扭矩傳輸，通過把力卸在螺栓六角頭側面，減輕點對點壓力對螺栓頭部的破壞。

5 效果驗證

壓盤裝配作業要保證壓緊螺栓的定力矩緊固效果，必須提前做好緊固作業擰緊扭矩的數值確定。

5.1 受力分析

5.1.1 扭矩

扭矩M=FL，其中F、L 表示作用力和力臂長度，則M=30×0.15=45 N·m，M1=30×0.3=90 N·m（圖5）。

圖5 力和力臂對扭矩的影響

在實際作業緊固過程中，作業人將力矩扳手力矩定為90 N·m。壓緊螺栓通過壓盤螺紋的反作用力將壓緊力作用到密封墊圈上，實現密封（圖6、圖7）。

圖6 M45 壓緊螺栓和密封墊圈

圖7 壓緊螺栓與壓盤配合示意

5.1.2 軸向力

緊固扭矩T=kdF，其中F 和預緊力（以下稱為軸向力）d、k表示螺絲公稱直徑和扭矩系數。實際擰緊時，施加的軸向力應根據壓盤和螺栓表面的表面粗糙度而變化，選擇扭矩系數應考慮這些因素。k 不是恒定的，通常為0.15～0.20。對于常拆裝清理的磺化器，最終確定k=0.2。

壓盤上M45 壓緊螺栓的擰緊扭矩為90 N·m，k=0.2 時軸向力F=T/kd=90/（0.2×0.045）=10 000 N。

以90 N·m 的扭矩擰緊壓緊螺栓時，產生的軸向力為10 000 N，能夠滿足布油腔密封的需求。

5.2 驗證強度

根據螺栓的預緊力計算公式：

式中 As——螺栓在螺紋處的有效橫截面積，mm2[3]

σ0——60 ℃時螺栓材料的許用應力，MPa

壓緊螺栓外徑為45 mm，計算可得Q0＝137×1590×10-3=217.8 N·m。

由經驗可知，布油腔作用于墊圈油壓遠小于螺栓預緊力，所以僅需要確保每一枚螺栓緊固力矩等于Q0即可確保密封效果。

6 注意事項

在實際作業中，因磺化器壓盤壓緊螺栓裝配不同于常規螺栓連接，其實際作用力為壓緊力而非拉伸力，所以緊固作業需要選用專業的作業人員，防止作業中出現錯誤操作問題，降低裝配質量和效率。在作業前需查看螺栓與壓盤螺紋孔之間螺紋副的咬合情況，確認螺紋孔與壓緊螺栓是否存在螺紋失效等情況，同時需要確認墊圈是否合格、滿足密封需求，如果存在上述問題，即使定力矩緊固合規，仍難以保證裝配質量。所以，作業前需檢查墊片的規格及材料，并判定分析螺栓初步力矩大小，分析力矩大小是否合適，既不能因為緊固力矩過小導致連接不到位，也不因為緊固力矩過大造成螺栓根部損傷墊圈導致密封失效。具體作業中，需結合扭矩值大小分析選定扳手的型號和扳手力矩的最小值和最大值。在選定扳手的過程中，需要確定實際可以選定的型號。根據扭矩值選定所用的扭矩扳手，應保證扭矩值在選定扳手的能力范圍在30%～70%，保證扭矩輸出的精準度。

7 結束語

綜上所述，確保磺化器壓盤裝配壓緊螺栓緊固作業質量，加強對預緊力的控制十分重要。在裝配作業中，應根據作業進度嚴格把控每一枚壓緊螺栓的定力矩緊固。同時，因每次作業存在磨損等情況，每次作業完成后到下次作業前，需重新確認緊固力矩，逐步提升壓盤裝配作業定力矩緊固的操作標準水平，以確保定力矩緊固專用設備在裝置裝配作業中的有效使用。