優化法蘭螺栓緊固方法促進揮發性有機物減排

張紹良， 王劍波

(1.中海油惠州石化有限公司， 廣東 惠州 516086； 2.凱特克集團有限公司， 上海 200063)

隨著石化裝置的大型化，泄漏問題越來越引起人們的重視。泄漏不僅造成物料的損失、環境的污染，還可能導致人身和裝置安全事故。由腐蝕引發的揮發性有機化合物( VOCs)泄漏多為偶發，主要發生在石化裝置設備、管閥件及法蘭等部位。VOCs作為石化企業生產過程的特征污染物，其主要的排放源為無組織排放。自2014-12環保部發布《石化企業揮發性有機物綜合整治方案》(環發[2014]117號)[1]以來，如何減少VOCs的排放達到減排目標，成為企業普遍關注的問題[2]。

針對石化企業的無規律泄漏現狀，國外通常采取的措施是從排放源入手減少泄漏，即對設備可能的泄漏排放點進行直接檢測然后實施修復，即泄漏檢測修復(LDAR, Leak Detection And Repair)技術[2-3]。此技術的實施效果與采用的泄漏修復方法關系極大。文中主要討論泄漏修復過程中法蘭緊固應注意的問題以及如何采用先進的、正確的緊固方法達到降低VOCs排放的目的。

1 法蘭密封影響因素

壓力邊界條件下的法蘭連接是由法蘭、密封墊片和緊固件3部分構成的一個有機整體，法蘭的密封性能受多種因素的影響，因此對于泄漏原因的分析也應該從這些因素入手。

1.1 主要因素

法蘭的密封管理是一個系統的工程，包括了設備法蘭及螺栓的力學性能、密封面的精度和形式、墊片的質量和性能以及設備在操作運行條件下的螺栓預緊力等因素，任何一個環節的疏忽都可能成為設備可靠運行的潛在風險[4]。設備法蘭及螺栓的力學性能主要考慮材料的選擇、法蘭結構設計的剛度及密封面的表面精度要求。密封墊片的選擇主要在設計階段考慮，現場施工需要嚴格監管，確保實際情況與設計一致。

設備操作運行條件下螺栓預緊力是影響法蘭密封的最重要因素，螺栓通過不同的緊固手段被拉長后產生的回彈力將法蘭面以及其中的密封墊片夾緊。如果螺栓預緊力不夠均勻或不夠精確就會造成密封面在整個圓周上受到的壓緊力不均勻，從而形成潛在的泄漏風險。為了保證在法蘭緊固完成之后盡可能地消除潛在的泄漏風險，就應該從大修拆開法蘭的那一刻開始到大修完成試壓為止，從以上各個方面進行質量管控，在實施法蘭緊固的過程中對每個環節進行精細化管理，否則就有可能埋下泄漏的隱患。

1.2 關鍵因素

密封墊片在組成法蘭連接的3個重要部件(法蘭、緊固件和密封墊片)中強度最弱，因此在確認法蘭連接的強度是否足以保證被其封閉在裝置內部的介質不會泄漏的過程中，考證密封墊片是否在正常的工作范圍至關重要。

密封墊片有2個重要的參數，即墊片比壓力y和墊片系數m，分別代表了密封墊片在預緊工況下形成初始密封條件時墊片單位面積上所受的最小壓緊力，以及在工作條件下承受一定內壓力時墊片的有效緊固力必須超過管系操作壓力的m倍[5]。因此保證裝置能長期穩定運行的關鍵就在于在整個運行期間內作用在密封墊上整個圓周上的壓緊應力均勻、持續、有效。

螺栓預緊力、密封效果、墊片應力之間存在一定邏輯關系。作用在螺栓上的預緊力通過法蘭壓緊密封墊片，在密封墊片表面形成的墊片壓應力大于墊片所需的最小密封壓力時，墊片才能產生密封效果。當墊片壓應力小于該值時密封墊片表面與所接觸的法蘭表面之間一些微觀不平整仍然存在，當設備運行時自然就會發生泄漏。而當密封墊片表面承受的壓應力大于密封墊片所能承受的最大壓潰應力，或者螺栓緊固產生的螺栓預緊力超過螺栓的屈服強度或法蘭的剛度時，就會造成密封墊片的壓潰，或螺栓失效、法蘭變形，這些因素也會造成法蘭泄漏。

因此，保證法蘭連接正常工作的壓應力存在一個區間值，只有隨時保證密封墊片的壓應力始終處于該區間，才能保證法蘭連接正常工作。值得注意的是當介質溫度變化或環境變化時，實際螺栓預緊力也隨著變化，螺栓預緊力在密封墊片上形成的壓緊應力要保證在無泄漏范圍。

2 法蘭緊固方法[4，6-7]

2.1 傳統方法

目前常用的緊固方法有扭矩法和拉伸法2種，扭矩法通常是使用液壓扳手在螺母上施加一個轉動力，將螺母不斷向下旋，讓螺栓桿向上被拉伸。拉伸法又分為直接拉伸法和間接拉伸法2種。

直接拉伸法通常是使用液壓螺栓拉伸器，將油缸通過螺紋套與螺栓桿結合，當液壓油缸活塞在高壓液壓力作用下向上頂升的時候直接拉伸螺栓桿,然后通過撥動螺母轉動一定的角度使螺栓的拉伸量保持住。間接拉伸法是一種使用超級螺母的緊固方法，超級螺母實物和緊固圖見圖1。通常是使用超級螺母將大螺栓的緊固轉化為小螺釘的緊固，超級螺母中間的螺紋與螺栓桿螺紋相互配合，通過手動力矩扳手不斷向下旋轉周圍一圈的小螺栓，從而達到拉伸大螺栓的目的。

圖1 超級螺母實物及其緊固圖

從經濟實用性性、技術精確性、簡單便捷性、輔助工具的使用及其影響等方面對比扭矩法、直接拉伸法和間接拉伸法3種法蘭緊固方法的特點，其優缺點見表1。

表1 不同法蘭緊固方法優缺點對照

圖2 液壓扳手工作示圖

圖3 螺紋在液壓扳手反作用力支點引起的偏載下形成螺紋咬牙現象

2.2 扭矩拉伸緊固法

扭矩拉伸緊固法是在扭矩緊固法和拉伸緊固法的基礎上，擇其優點去其缺點優化得到的新型緊固方法。扭矩緊固法最大的缺點在于外部反作用力支點導致偏載，產生一些額外的不可預測的摩擦力。拉伸緊固法最大的缺點在于超拉和人工撥動螺母。扭矩拉伸緊固法使用時需結合反作用力墊圈或機械式拉伸螺母。

2.2.1 帶反作用力墊圈

反作用力墊圈實物見圖4。在緊固時，使用這種六角形墊圈替換普通螺母下面的平墊，其呈滾花狀的粗糙表面與法蘭配合，另一側硬度較高的光滑表面與螺母接觸，中間的兩牙壓配螺紋環可保證該墊圈的六角與其上方的普通螺母的六角保持在同一中心上。

圖4 反作用力墊圈

緊固時還需要一個專用的雙層驅動套筒，見圖5。外層套筒與緊固的扭力工具相配合，將扭矩工具在施加作用力時產生的反作用力通過該外層套筒傳遞到螺母下方的反作用力墊圈上，這樣就不需要額外尋找其他反作用力支點。內層六角套筒與傳統扭力工具的作用方式相同，上部與扭矩工具的方頭驅動相配合，下部內六角的中心孔罩在螺母上，內層六角套筒在扭矩工具、方頭驅動的作用下帶動螺母向下旋轉。

圖5 反作用墊圈雙層驅動緊固結構示圖

此時，作用力在內層套筒上不斷將螺母轉動，使其沿著螺栓桿的螺旋線向下移動，反作用力作用在螺母下方的六角墊圈上。因為墊圈底部粗糙結合面的摩擦力遠大于在作用力帶動下螺母與墊圈上部光滑結合面的摩擦力，因此在緊固過程中轉動只會發生在螺母與墊圈的結合處，而反作用力墊圈與法蘭面則一直保持著緊密的結合，也不會發生轉動。在螺母沿著螺栓桿的螺紋向下轉動的同時，螺栓桿就被拉伸。

反作用力墊圈完成緊固示意圖見圖6。

圖6 反作用力墊圈完成緊固示圖

相比傳統的扭矩緊固法，帶反作用力墊圈的扭矩拉伸緊固法同樣需要控制緊固螺母的扭矩，但卻沒有外部的反作用力支點，因此緊固時不會有額外的偏載力施加在螺栓桿末端，也不會產生多余的彎曲力和摩擦力。同時，反作用力墊圈上表面最高達38 HRC的表面硬度也使得螺母的轉動摩擦力大幅減小。

相比傳統的拉伸緊固法，帶反作用力墊圈的扭矩拉伸緊固法在拉伸螺栓時不需要對螺栓進行超拉，不需要人為撥動螺母。將原來螺母下面使用的平墊更換成反作用力墊圈，通過簡單改變緊固的方式，即可對傳統的螺栓緊固進行優化。優化后的法蘭螺栓不會再因為偏載而有咬牙的風險，緊固過程中的施工方式與以前相差無幾，但不需要再費力尋找額外的反作用支點，不需要液壓扳手的反作用力臂，不需要超拉螺栓，不需要人為干預緊固過程。更加重要的是，螺栓緊固過程中克服的摩擦力由不確定變成了可控，通過控制轉動的摩擦力，就可以精確預測緊固完成后的螺栓預緊力。該緊固方式緊固完成后的螺栓預緊力精度可達±(5%～10%)，既能快速實施、保證載荷精度又能提升施工安全，是目前先進的緊固方法[8-9]。

2.2.2 帶機械式拉伸螺母

機械式拉伸螺母分為內外兩層結構(圖7)，內層螺紋套與螺栓桿相連接，外層轉動套向下旋轉時，反作用力支點通過特殊的驅動器被轉移到內層螺紋套的頂部，使作用力矩與反作用力矩沿著螺栓的同一個軸線，達到不需要任何側向反作用力支點直接拉伸螺栓的目的。機械式拉伸螺母結構和裝配示意見圖7。

圖7 機械式拉伸螺母結構及裝配實物

機械式拉伸螺母在緊固過程中自身形成一個完整的力循環，無需借助外部的反作用力支點，不需要超拉。由于沒有偏載，不同的螺栓緊固時所克服的摩擦力幾乎一致。與傳統的扭矩緊固方式相比，在相同的施力情況下可以得到更大的預緊力，并且精確度高于±4%[8]。同時由于轉動只發生在內外套之間，內螺紋套與螺栓桿的螺紋之間沒有相對運動，因此螺栓桿的螺牙可以受到保護。外層轉動套向下轉動時底面與機械式拉伸螺母的另一個部件——花鍵墊圈發生相對轉動，而花鍵墊圈是一個整體硬化的部件，表面摩擦力很小，從而保證機械式拉伸螺母整體與法蘭面之間也不存在任何轉動，保護設備的法蘭面不受損壞。機械式拉伸螺母的外套轉動時，雖然作用力矩同樣采樣扭矩作為控制值，但螺栓不受任何的扭轉力，只會發生軸向的拉伸變形，從而達到拉伸螺栓的目的。

3 法蘭緊固方法選擇要點

法蘭緊固的方法多種多樣，每種方法各有優缺點，在提供便利的緊固手段時也伴生一些潛在的不可控因素[4]。但最終的控制目標都應該是螺栓通過夾緊法蘭的方式施加在密封墊上的壓緊力，即螺栓的存留預緊力，正是這個螺栓預緊力作用在密封墊片上使密封墊片產生密封的效果。因此對于緊固方法的選擇，應考慮如何能快速、精確地獲得更高的螺栓存留預緊力精度。

根據設備的重要程度、介質的危害程度、設備失效可能產生的影響程度等將設備法蘭分成不同的風險等級，對不同風險等級法蘭采取不同的緊固方法：①對于高溫、高壓、臨氫、熱油、有毒害介質等高風險的裝置法蘭，應采用能直接控制螺栓存留預緊力的緊固方法，最大限度控制螺栓的載荷精度誤差。②對于危險程度不高，但又相對重要的中風險裝置法蘭，可以采取間接控制螺栓預緊力的緊固方法，比如扭矩法或拉伸法。③除以上2類以外的其它低風險法蘭，則可以采用普通的手動緊固方法。

4 案例分析

4.1 泄漏概況

某石化廠150萬t/a連續重整裝置反應器封頭(2個反應器封頭法蘭，編號分別為DC203201和DC203203)實物見圖8。設計之初為了預防法蘭泄漏，在法蘭的每個螺栓兩端均安裝了1個碟簧，預期碟簧儲存一定的彈性勢能，以備在溫度變化及密封墊片受壓后對螺栓的預緊力給予一定的補償。

該反應器工作介質為易燃、易爆的氫氣和油氣，最高工作溫度550/400 ℃，設計溫度550/400 ℃，最高工作壓力0.59/-0.1 MPa，設計壓力0.77/-0.1 MPa，實際操作溫度523 ℃，實際操作壓力0.3 MPa。法蘭規格DN2 000 mm，材料12CrMo(IV)。雙頭螺桿規格 M42×3×470，材質SA-193 B16(材料性能相當于42CrMoV)，數量72個。六角螺母M42×3，材料SA-194Cr.3，數量144個。

裝置投產半年左右，在一次下大雨時反應器頂封頭法蘭發生泄漏著火，經拆去保溫層并將螺栓熱緊后，明顯的泄漏得到有效控制，但反應器頂封頭法蘭附近油氣味仍然很重，說明泄漏現象并沒有完全消除。為了保證生產，一方面在生產中用隋性氣體對反應器法蘭附近的空氣進行稀釋，另一方面配備2臺消防車隨時待命，以防萬一。

圖8 連續重整裝置反應器封頭

4.2 泄漏分析[6，10]

對拆下來的雙金屬自密封波齒石墨復合墊片及法蘭面的檢測結果進行分析，泄漏的原因主要在于：① 長期的溫度變化引起螺栓載荷的損失。②長期處于500 ℃左右的高溫環境加速了石墨復合墊片中的密封填料氧化燒失，導致墊密封性能變差。③法蘭緊固方法無法精確控制螺栓的緊固力，施加的緊固力不足，為密封墊片留下的可運行空間太小，造成密封墊片壓應力不足以維持長周期的可靠運行。④下雨時法蘭的溫度降低，而螺栓孔內的螺栓溫度卻幾乎不變，形成法蘭降溫發生收縮而螺栓仍然保持受熱膨脹狀態，螺栓在彈性力作用下就會發生回縮，螺栓伸長量減小，因而造成螺栓載荷逐漸降低，低至該波齒密封墊片在這種操作壓力情況下所必須的最小螺栓壓緊力時，法蘭就發生泄漏。

通常，受溫度影響的法蘭會在裝置正常運行一段時間以后才會發生泄漏，主要存在兩方面原因，①密封墊片本身的應力松弛現象需要一定的時間才會表現出來。當施加螺栓載荷時，作用在密封墊片的壓緊力會使墊片變薄，運行一段時間以后，墊片的厚度會繼續減小，墊片的應力也會逐漸減小，這種現象稱為應力松弛。②裝置在長期運行中，溫度引起的金屬材料熱脹冷縮在法蘭和螺栓上產生不同的膨脹結果，溫度的交替變化對于螺栓載荷的影響不斷累加，只有當螺栓載荷低于密封墊片所需的最小密封比壓時，法蘭才會發生泄漏。隨著溫度的變化，螺栓預緊力在不斷發生變化，如果預留給密封墊片的安全運行應力區間越大，則裝置正常運行的時間越長，反之則可能很快發生泄漏。可見，溫度變化引起的螺栓載荷變化，對于裝置安全長周期運行的影響至關重要。

4.3 泄漏處理

通過調研，將原來的雙金屬自密封波齒石墨復合墊片更換為由美國進口的纏革(CHANGE)墊片，對2個系列反應器封頭法蘭分別采用2種不同的緊固方式。

對DC203201法蘭采用間接拉伸法進行緊固，將所有螺母更換為超級螺母，采用手動力矩扳手進行緊固，見圖9。

圖9 使用超級螺母緊固的法蘭

對DC203203法蘭采用扭矩拉伸法進行緊固，在每個普通六角螺母下面安裝一個反作用力墊圈，采用液壓機具對螺栓進行扭矩拉伸緊固，見圖10。

圖10 使用反作用力墊圈緊固的法蘭

2臺反應器法蘭緊固完成后均試壓合格，開始投料生產。設備運行半年以后分別對2臺反應器法蘭進行VOCs檢測，結果是采用超級螺母緊固的DC203201法蘭泄漏量為1 140×10-6，不符合標準規定小于500×10-6的要求。而采用反作用墊圈緊固的DC203203法蘭泄漏量為70.7×10-6，符合標準要求[11]。由此可見，扭矩拉伸緊固法實施的風險比較低，只需要將原來安裝平墊片的位置用反作用力墊圈替換即可，但取得的泄漏治理效果卻相對明顯。

5 結語

石油化工企業設備管理，不僅要對裝置進行分類，還要對不同位置的法蘭進行分級管理，按照裝置法蘭的關鍵程度選用不同的緊固方法。LDAR檢測修復技術結合扭矩拉抻法密封面法蘭螺栓緊固方式，可有效降低石化企業的VOCs排放。扭矩拉抻緊固法消除了普通扭矩緊固因為反作用力臂而產生的偏載力，以及由此引起的不可控摩擦力，同時消除了人為影響和其它不確定因素，具有更高的螺栓載荷均勻度。采用扭矩拉伸緊因法明確設備升溫后螺栓載荷會降低到何程度，可以在緊固時就預留更大的空間，保證設備在運行期間密封墊片上的壓緊力不會降低到最小密封比壓以下，使設備能長期無泄漏穩定運行。