管道法蘭螺栓“熱緊”必要性探討

(中國(guó)石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川 成都 610051)

在化工裝置原始開(kāi)車或裝置大檢修后的開(kāi)車過(guò)程中，當(dāng)高溫工藝管道升溫到一定程度后，生產(chǎn)單位往往會(huì)組織檢修、維修作業(yè)人員對(duì)管道法蘭螺栓進(jìn)行“熱緊”工作，其目的在于消除管道法蘭連接在受熱狀態(tài)下的松弛，以保證其靜密封效果。但“熱緊”是否有必要，是否能防止法蘭密封面泄漏的發(fā)生，未有定論。筆者將結(jié)合規(guī)范中的要求對(duì)“熱緊”原理和作用效果進(jìn)行探討。

1 規(guī)范中對(duì)“熱緊”的定義和操作規(guī)定

在施工規(guī)范SH 3501—2002《石油化工劇毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和國(guó)標(biāo)GB 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》中，對(duì)熱態(tài)緊固的定義如下：為防止管道在工作溫度下，因受熱膨脹導(dǎo)致可拆連接處泄漏而進(jìn)行的緊固操作。規(guī)范還對(duì)管道法蘭螺栓“熱緊”做了以下4條具體要求。

(1)熱態(tài)緊固溫度要求。“熱緊”溫度應(yīng)符合表1的規(guī)定。

(2)熱態(tài)緊固時(shí)間要求。“熱緊”應(yīng)在達(dá)到工作溫度2 h后進(jìn)行。

表1 鋼制管道“熱緊”溫度

(3)“熱緊”時(shí)管道內(nèi)部壓力要求。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力≤6 MPa時(shí)，熱緊最大內(nèi)壓應(yīng)為0.3 MPa；當(dāng)設(shè)計(jì)壓力大于6 MPa時(shí)，熱緊最大內(nèi)壓應(yīng)為0.5 MPa。

(4)“熱緊”時(shí)安全要求。應(yīng)制定有保證操作人員安全的技術(shù)措施。

2 管道法蘭螺栓“熱緊”理由

2.1 螺栓在高溫狀態(tài)下應(yīng)力松弛

金屬材料在高溫和應(yīng)力的同時(shí)作用下，其塑性變形會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，這種現(xiàn)象稱為金屬材料的蠕變。由于蠕變的作用，螺栓在常溫狀態(tài)下緊固時(shí)產(chǎn)生的彈性變形會(huì)變成塑性變形，螺栓的彈性應(yīng)力隨時(shí)間的增加而減小，從而使其對(duì)法蘭的緊固力減小，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，影響法蘭密封性能。

2.2 螺栓在受熱狀態(tài)下膨脹

根據(jù)熱脹冷縮原理，裝置開(kāi)車過(guò)程中，隨著工藝管道的升溫升壓，螺栓會(huì)由于受熱膨脹伸長(zhǎng)，從而減小對(duì)法蘭的緊固力，可能會(huì)導(dǎo)致法蘭密封面發(fā)生泄漏。

3 高溫對(duì)法蘭密封性能的影響

3.1 法蘭螺栓應(yīng)力松弛[1]

法蘭螺栓的應(yīng)力松弛程度，取決于螺栓材質(zhì)所具有的蠕變強(qiáng)度和速度。高溫管道法蘭螺栓的常用材質(zhì)為鉻鉬合金鋼，在高溫狀態(tài)下具有很好的抗蠕變性能，其蠕變速度非常緩慢。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其蠕變速度在幾年內(nèi)都不會(huì)有大的變化，在工藝管道升至正常溫度2 h后則更微不足道。

在高溫條件下，管道專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮到在整個(gè)操作周期內(nèi)，法蘭螺栓應(yīng)力松弛后的剩余緊力仍能夠保證法蘭的密封。只要設(shè)計(jì)人員正確選用了螺栓材質(zhì)，法蘭螺栓的應(yīng)力松弛在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間是可以忽略不計(jì)的。如果設(shè)計(jì)選材不當(dāng)，螺栓蠕變強(qiáng)度不夠，在工藝管道升溫期間就會(huì)發(fā)生明顯蠕變，那么“熱緊”法蘭螺栓也起不了任何作用。因?yàn)槁菟ā盁峋o”后，其還會(huì)以同樣的速度繼續(xù)蠕變，不能持續(xù)保證其“熱緊”后所產(chǎn)生的預(yù)緊載荷。

3.2 螺栓受熱膨脹伸長(zhǎng)[2]

高溫管道法蘭螺栓溫度上升主要來(lái)源于兩個(gè)方面：螺母與法蘭接觸部位的熱傳導(dǎo)、螺栓孔封閉區(qū)域的法蘭對(duì)螺栓的對(duì)流熱傳導(dǎo)。由于法蘭緊固螺栓的比表面積遠(yuǎn)大于法蘭的比表面積，散熱更快，因此螺栓溫度會(huì)低于法蘭溫度。而從熱膨脹角度分析，法蘭膨脹量會(huì)大于螺栓膨脹量。密封墊片在受熱后，也會(huì)發(fā)生軸向膨脹，綜合結(jié)果就是：法蘭和墊片的軸向膨脹總量應(yīng)大于螺栓的膨脹量。因此，熱態(tài)環(huán)境下，作用在墊片上的密封比壓相對(duì)于冷態(tài)更高，從受熱膨脹方面分析，高溫管道法蘭緊固螺栓不用進(jìn)行熱緊。

4 管道法蘭螺栓“熱緊”的危害性[3-5]

4.1 螺栓強(qiáng)度和使用壽命減少

“熱緊”提高了螺栓預(yù)緊力，可以通過(guò)增大墊片的密封比壓而增強(qiáng)密封性能，但過(guò)大的螺栓預(yù)緊力會(huì)使螺栓產(chǎn)生較大的塑性變形，從而使螺栓的強(qiáng)度和使用壽命降低。例如，生產(chǎn)中會(huì)碰到的高溫螺栓帶壓緊固消漏，通過(guò)扳手、大錘強(qiáng)力緊固螺栓，有可能會(huì)消除漏點(diǎn)。但在裝置停車、管道降溫后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象；更有甚者，螺栓完全失去了彈性變形能力，無(wú)法繼續(xù)使用。

4.2 高溫管線法蘭密封墊片損壞

高溫管線法蘭墊片采用的多為內(nèi)外環(huán)金屬纏繞墊，其密封性能靠墊片的回彈性來(lái)保證。法蘭螺栓的“熱緊”操作只會(huì)減少甚至使墊片徹底失去彈性，造成其塑性變形而失效，一旦溫度降低后就會(huì)因墊片不能回彈而產(chǎn)生泄漏，甚至直接把墊片壓壞或者擠出；壓力等級(jí)較高時(shí)采用的是金屬八角墊，其墊片本身就具有受熱膨脹的自密封性能。因此，法蘭墊片密封力的作用不是要求越大越好，而是在滿足基本密封比壓后強(qiáng)調(diào)均勻性。“熱緊”不能解決泄漏，有時(shí)還會(huì)因破壞已經(jīng)均勻的螺栓力而起到負(fù)面作用。

4.3 螺栓的緊固操作

由于人力緊固螺栓，或者是加長(zhǎng)套管和錘擊等傳統(tǒng)工具，會(huì)造成螺栓預(yù)緊力過(guò)大或過(guò)小，同一法蘭螺栓預(yù)緊力不均勻而易產(chǎn)生泄漏。因此，定力矩緊固在各類化工裝置中得到越來(lái)越多的推廣應(yīng)用。

4.3.1擰緊螺母的力矩計(jì)算

對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要確定操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，其數(shù)值按下式計(jì)算：

Fp=2πDGbmP

(1)

式中，F(xiàn)p為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N；DG為墊片有效密封面直徑；b為墊片有效密封寬度；m為墊片系數(shù)(由查GB 150—89第7章表7-2可得)；P為介質(zhì)工作壓力(計(jì)算壓力)。

墊片緊固力F計(jì)算公式如下：

(2)

式中，F(xiàn)為墊片緊固力，N；DG為墊片有效密封面直徑；P為介質(zhì)工作壓力；Fp為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力；單個(gè)螺栓預(yù)緊力為F/n，n為法蘭螺栓個(gè)數(shù)。

螺栓緊固力矩計(jì)算：

T=KFd

(3)

式中，T為擰緊螺母的力矩；K為扭矩系數(shù)(近似取0.2)；F為單個(gè)螺栓預(yù)緊力；d為螺栓大徑。

4.3.2螺栓緊固流程

(1)法蘭螺栓緊固原則為“多步緊固”和“順序緊固”。

(2)螺栓緊固分3遍進(jìn)行，每遍起點(diǎn)相互分開(kāi)120°。

(3)第1遍緊固采用50%的擰緊螺母力矩，用十字交叉法緊固螺栓并保證密封面平行。

(4)第2遍緊固采用100%的擰緊螺母力矩，用十字交叉法緊固螺栓并保證密封面平行。

(5)第3遍緊固采用100%的擰緊螺母力矩，再次對(duì)螺栓按第1遍緊固順序進(jìn)行均勻緊固。

從法蘭螺栓定力矩緊固的擰緊力矩計(jì)算和螺栓緊固流程可知，螺栓安裝緊固如果采用的是定力矩緊固，其螺栓預(yù)緊力的大小是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算得出，再次“熱緊”只會(huì)破壞其原有的平衡。如果螺栓安裝緊固時(shí)采用的是扳手、大錘等傳統(tǒng)工具，那么就會(huì)存在螺栓緊固不均勻，無(wú)法保證每條螺栓具有相同的預(yù)緊力，還會(huì)存在預(yù)緊力過(guò)大或不足的情況，都有可能導(dǎo)致法蘭密封發(fā)生泄漏，與是否“熱緊”沒(méi)有關(guān)系。

4.4 安全角度

帶壓“熱緊”法蘭螺栓作業(yè)與安全生產(chǎn)是相矛盾的，其危險(xiǎn)性和事故發(fā)生的可能性非常大。很多情況下，在裝置升溫、升壓過(guò)程中，首先考慮的是生產(chǎn)的有序進(jìn)行，安排的螺栓“熱緊”工作條件與規(guī)范中要求的管道溫度、內(nèi)壓力是存在偏差的。在螺栓受熱時(shí)對(duì)其施加載荷，很容易發(fā)生變形、斷裂等危險(xiǎn)，或?qū)|片擠壓變形破壞，且還是在帶壓狀態(tài)下，會(huì)造成墊片損壞而失去密封作用，導(dǎo)致法蘭面發(fā)生泄漏，有時(shí)甚至?xí)鹬卸尽⒈ǖ葹?zāi)害性事故。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，化工裝置中的高溫工藝管道法蘭螺栓，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的緊固力矩和緊固流程，采用專用的緊固工具進(jìn)行操作。除非在設(shè)計(jì)說(shuō)明中明確要求對(duì)其進(jìn)行“熱緊”作業(yè)，一般情況下，高溫壓力管道法蘭螺栓在升溫升壓過(guò)程的“熱緊”是不必要的，甚至對(duì)法蘭密封性能和安生生產(chǎn)是有危害的。只要采用了正確的螺栓緊固方式、做好開(kāi)車前的氣密查漏工作，隨著管道法蘭螺栓定力矩緊固方式的不斷推廣，“熱緊”必將成為一種被淘汰的設(shè)備維護(hù)方法。