定力矩緊固技術在煉油裝置大檢修中的應用

孫擁軍

（中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256600）

1 概述

該石化企業原油加工規模350 萬噸/年，主要加工海洋重質原油，生產瀝青、橡膠增塑劑、變壓器油、燃料油、石腦油、柴油等特色產品。

2022 年4 月，該石化企業組織全廠停車檢修。由于往年檢修后裝置開工過程中均會發生或大或小的法蘭泄漏，延長開工周期，埋下安全隱患。本次檢修開始前，公司設備管理部引進了定力矩緊固技術，與各運行部進行了詳細的技術對接，制定了科學的緊固方案。

2022 年4 月，全廠大檢修期間，總計390 片高溫高壓法蘭采用了定力矩緊固技術，其中120 萬噸/年加氫改質裝置75 片，30 萬噸/年精密分餾裝置85 片，制氫裝置42 片，加氫脫酸裝置22 片，延遲焦化裝置166 片。開車過程中，各裝置一次氣密通過，升溫過程中未進行恒溫熱緊。運行一年半以來，各裝置法蘭均未發現漏點，保證了裝置的安全運行。

2 緊固現狀

按照開工流程，裝置開工前依次經過三查四定、吹掃氣密、儀表聯較、單機試運、水聯運、冷油運、熱油運等過程。每個節點都至關重要，關系著開車成功與否，以及裝置長周期穩定運行。隨著國家對安全、環保的要求越來越高，裝置開工及運行過程中動靜密封點泄漏管理越來越嚴格，裝置現場緊固方式已由無力矩扳手敲擊緊固發展到定力矩緊固。

2.1 手動力矩扳手緊固

無力矩扳手是利用杠桿原理擰轉螺栓、螺釘、螺母和其他螺紋緊固件的手工工具，扳手通常在柄部的一端和兩端制有夾持螺栓或螺母的開口或套孔，一般分為開口扳手、梅花扳手、扭力扳手等。

施工現場，采用此種扳手進行螺栓緊固非常普遍，尤其是法蘭通徑＜DN150，壓力等級＜CL300 以下的法蘭。一般情況下，維保單位施工人員兩人一組，按照螺栓相對位置對稱緊固，緊固質量取決于施工人員的工作經驗和責任心。每個螺栓的緊固力矩不可控也不一致，與施工人員的手臂力量、工作狀態有直接關系。

為了提高緊固力，施工人員會使用套筒加長力矩或者用鐵錘進行敲擊。

2.2 扭力扳手或液壓扳手緊固

扭力扳手在擰轉螺栓或螺母時，能顯示出所施加的扭矩，當施加的扭矩達到規定值后，會發出光或聲響信號。該類型扳手適用于緊固數量少、緊固扭矩不是很大的地方。

液壓扳手可以輸出和設定扭矩，屬于高壓液壓工具，輸出扭矩大，且精度高。該類型扳手適用于工期緊，緊固螺栓數量多且高溫高壓部位。

施工現場，維保單位制定緊固方案，確定合適扭矩，根據螺栓強度、墊片的初始密封比壓和工作密封比壓、介質壓力等參數進行設計復核，防止螺栓斷裂和墊片損壞。施工時，根據法蘭螺栓相對位置，依次對稱緊固，緊固扭矩逐步加大。此種緊固方式，緊固扭矩固定，法蘭面壓緊均勻，但由于單頭施工，墊片變形不平衡。

2.3 定力矩緊固

定力矩緊固技術是一項標準化作業流程，施工單位依據裝置的工藝參數、法蘭等級、螺栓材質和型號等信息，計算得出可以滿足密封要求的力矩值，再通過特定施工方案、特定工具（液壓扭矩扳手、液壓拉伸器）將所需力矩同時施加在對稱的兩組及以上螺栓上，最終達到緊固效果。

3 夾緊力計算

為了保證法蘭緊固無泄漏，需要通過螺栓給法蘭施加一個預緊力。擰緊一顆螺栓，需要施加一定扭矩轉至一定角度后才可完成，這部分的扭矩和角度所做的功最終轉化為螺栓頭下的摩擦力、螺紋副的摩擦力和預緊力。一般而言，三者之間的比例約為10%、40%以及50%，具體表現為10%的夾緊力用于螺栓拉伸產生預緊力，40%用于螺紋副的摩擦，50%用于螺栓頭與緊固件的摩擦。

式中，Fm 為夾緊力；P 為螺距；ug 為螺紋副摩擦系數；d2為螺栓直徑；Dkm 為螺栓頭表面尺寸；uk 為螺栓頭表面摩擦系數。

4 高壓加氫裝置上的應用

4.1 數量統計

檢修工作開始前，各運行部技術人員依據壓力等級、是否泄漏、操作溫度等因素把檢修法蘭分為高危法蘭和一般法蘭。原則上，高危法蘭采用定力矩技術緊固，一般法蘭采用普通扭力扳手或普通扳手緊固。通過梳理，各裝置操作壓力≥5.0MPa 法蘭、操作溫度≥250℃的法蘭總計390 片，其中DN300 規格的5 片，DN250 規格的17 片，DN200 規格的14 片，DN150 規格的10 片，CL2500 規格的15 片（表1）。

表1 定力矩緊固法蘭統計表

4.2 工作流程

（1）法蘭螺栓基礎數據采集及處理要求。利用廠家自主開發的WELLINTE 軟件平臺，詳細核算螺栓基礎預緊力，同時結合實際運行工況以及法蘭密封面損傷情況，制定科學的機具搭配方案。對每片法蘭進行登記建檔，拍照記錄，生成基礎信息數據庫（圖1）。軟件根據基礎信息，生成信息二維碼，懸掛于現場法蘭處。施工前，施工人員通過掃描信息二維碼，獲取該法蘭的詳細施工方案。

圖1 WELLINTE 軟件錄入的法蘭連接基本信息

設備、管線法蘭拆開后，要求使用軟銅絲刷清理法蘭密封面和螺栓螺紋，然后用煤油或螺栓松動劑清洗螺柱、螺母。法蘭密封面應用石棉板進行覆蓋保護，有坑點、縱貫傷的部位應進行研磨修護（圖2）。

圖2 法蘭連接預安裝信息

（2）機具準備。本次裝配使用了拉伸器、方驅扳手、中空板手、便攜式電動扳手、扭矩扳手。機具到場前，裝配公司對全部設備進行了檢測、保養；到場后，設備管理部對機具檢測報告進行查驗，對設備狀態進行調試、驗收。驗收合格的工具集中入庫，統一管理，由專人負責調配和維護。

（3）工程任務分析。根據法蘭實際工況，科學選擇施工器具，結合裝置開工作業網絡計劃，進行人員區域劃分、機具存儲地址、區域裝置機具使用計劃、重要/特殊位置施工計劃等一系列任務分析工作，以保證檢修作業符合整體開工計劃。

（4）施工流程。WELLINTE 軟件的螺栓計算模型結合螺栓腐蝕情況、潤滑情況、法蘭面完整度等工況綜合分析得出符合當前法蘭狀態的螺栓安全預緊力，出具標準施工流程。①法蘭面、螺栓、墊片檢查，確保法蘭面干凈，無損傷；螺栓潤滑適中，摩擦副完整無損傷；墊片壓力等級、材質、硬度符合要求，結構完整無劃傷。②對螺栓進行編號，明確緊固順序。③按照30%、50%、1000%預緊力要求梯級緊固螺栓，要求同步對稱緊固。④每輪緊固完成后，及時測量法蘭間距，控制偏差在允許范圍之內（圖3 和圖4）。

圖3 螺栓編號示意圖

圖4 螺栓緊固順序示意圖

（5）施工技術培訓。培訓包括施工機具操作培訓和施工流程理論培訓。施工前，廠家對技術管理人員、施工操作人員、設備管理人員進行技術培訓，保證施工質量和施工進度。施工機具操作人員需要認證上崗，必須通過理論和實操考核，取得上崗資格后方能進入現場。

（6）過程控制。施工中，WELLINTE 技術人員全程旁站，實時對施工過程進行指導監督，確保螺栓、墊片負荷要求，確保每步工序的準確執行。施工過程中，技術人員按比例對緊固法蘭進行抽檢，發現問題及時反饋，并要求施工人員立即整改。施工完成后，技術人員會對所有數據進行校核，確保符合要求（圖5）。

圖5 法蘭連接螺栓緊固信息

（7）壓力測試。裝置氣密保運過程中，技術人員全程跟蹤，觀察、記錄法蘭泄漏情況。如果發生泄漏，一般盡量在低壓下進行緊固。發現漏點后，第一時間檢查施工過程記錄，核實法蘭密封面清潔度和完整性、螺栓規格和緊固力矩（圖6）。

圖6 法蘭壓力測試詳情

本次開工過程中，全公司各裝置高壓部位氣密一次通過，分餾系統、換熱系統等高溫低壓系統一次氣密通過，升溫過程中各裝置法蘭零泄漏，同時省去250℃熱緊過程。

該公司各裝置開工后，各動靜密封點連續開展VOCs檢測工作。全公司222310 個密封點，其中18900 個法蘭靜密封點無一泄漏。

2023 年4 月，各運行部技術人員對全系統110 對法蘭進行抽檢，螺栓無一松動，法蘭口無一泄漏。

（8）數據臺賬。在WELLINTE 軟件平臺上，施工經理按需下派施工任務，現場工程師執行任務流程，監督、指導施工人員完成緊固任務，實時上傳工作進度和緊固數據。施工完成后，WELLINTE 軟件自動生成包含法蘭連接概要信息、法蘭連接基本信息、法蘭連接預安裝信息、法蘭連接螺栓緊固信息、壓力測試詳情的全周期數據信息，實現進度可控，數據可追溯。

5 經驗和建議

定力矩緊固新技術是一整套螺栓緊固方案，能夠有效解決螺栓受力不均問題，使轉動摩擦力由未知變為可具體量化的指標，大大降低煉油裝置法蘭泄漏的可能性，保證裝置安全、穩定、長周期運行。

（1）注重前期檢查和綜合評估。法蘭拆解后，技術人員要對法蘭完整性進行檢查，確保有問題的法蘭及時修復；利舊的螺栓要進行統一的除銹處理，保證螺栓摩擦副均勻、完整。

（2）制定科學合理的施工方案倍。四螺栓同步施工優于雙螺栓同步施工。由于螺栓與螺栓孔的相對位置，兩螺栓同時緊固時，可能導致法蘭兩端受力不均。四螺栓同時緊固可以避免上述問題，且工作效率大大提高。

6 結語

該石化公司2022 年各裝置檢修改造中第一次大范圍地使用定力矩緊固技術，有力保證了裝置一次氣密成功，保證了開工節點順利進行。經過近一年的運行驗證，各裝置高壓系統和高溫系統無一法蘭泄漏，說明定力矩緊固技術能夠有效解決高溫、高壓法蘭和運行工況復雜的低壓法蘭泄漏問題。