無力臂扭矩拉伸法在重整裝置的應用

蘇同君，高 偉，蔡 學

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

0 引言

中石化石家莊煉化公司重整反應器的部分介質溫度高達500 ℃，屬于高溫承壓設備，該裝置的法蘭發生泄漏很難在線處理，只能蒸汽保護，不僅影響安全生產，甚至還會造成非計劃停工[1]。螺栓法蘭接頭廣泛應用于石化企業的設備連接，也是易泄漏點之一。

1 目前重整裝置反應器的關鍵法蘭緊固方案

當前，煉化公司常用傳統的液壓板手對螺栓進行緊固（圖1），該方法雖然可以設定轉動螺栓的扭矩，但必須要有一個反作用力臂來平衡驅動力，否則機具容易原地打轉。根據力矩平移定律，液壓板手的緊固效果等效于在螺栓上施加一個與此力偶垂直的側向力（又稱偏載力）。此側向力將螺紋副的面接觸變成了線接觸甚至點接觸，這不僅會增大螺紋之間的摩擦系數，甚至還會導致螺栓咬牙；此外，此方法還會導致螺母與支撐面之間的受力集中到一側，劃傷支撐面，使得螺母與支撐面之間的摩擦系數增大。液壓板手緊固法對每條螺栓實際產生的摩擦系數以及正壓力的大小是無法計算和測量的，因此無法知道對每條螺栓緊固時實際施加的摩擦阻力。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化成螺栓的預緊力。每條螺栓的摩擦阻力不同，其預緊力數值自然也是個未知數。所以，液壓扳手扭矩輸出的精度很高，但是預緊力的精度只能達到±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用為例，對其應用過程及應用效果進行研究。經過調研其他單位重整裝置反應器的情況，2016 年石家莊煉化公司在重整裝置反應器的13 對關鍵法蘭上，使用凱特克的法蘭密封結構安裝過程管理方案，并且應用帶六角形反作用墊圈的無力臂扭矩拉伸法對螺栓進行緊固，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，將動力工具緊固螺栓時產生的反作用力通過專用的驅動套筒轉移到螺母的下方，讓緊固螺栓的作用力矩和反作用力矩沿著螺栓的同一個軸線，消除普通扭矩緊固時所必需的側向反作用力支點的緊固方式。通過消除反作用力臂，即可控制扭矩緊固過程中的摩擦力，進而提升扭矩轉化成螺栓預緊力的轉化率，螺栓預緊力誤差<±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備中的應用過程

3.1 密封計算基礎數據

無力臂扭矩拉伸法力矩計算所需數據較多，為了保證計算的準確性，根據法蘭實際工況進行了調研，并建立了法蘭基礎數據表，如表1 所示，統計密封形式、法蘭尺寸、介質、溫度、壓力、螺栓材質、螺栓尺寸等信息，為安裝方案的制定做好準備。

3.2 螺栓預緊力計算

根據工況調研的數據，計算法蘭密封所需要的螺栓預緊力。計算預緊力時需要考慮4 個方面：補償溫差所需的預緊力、克服內壓所需的預緊力、克服管道應力等外力所需的預緊力、保證工作密封比壓所需的預緊力。將這4 個方面的預緊力值相加，除以法蘭上螺栓的個數，可得到每條螺栓所需要的預緊力。計算出預緊力后，需要對螺栓強度與密封墊的強度進行校核，使其處于合適的屈服極限強度之內，計算結果如表2 所示。

表1 無力臂扭矩拉伸法力矩計算基礎數據

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

法蘭密封面對整個密封系統影響很大。安裝法蘭前要按照表3 步驟對法蘭的密封面進行檢查。

3.3.2 法蘭密封墊檢查與安放

檢查確認密封墊片的完好性，安裝時將密封墊保持到位，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不兼容或容易造成應力腐蝕或密封面點蝕的粘合劑，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，以更低的扭矩達到給定的預緊力，并改善接頭內螺栓與螺栓之間載荷的一致性，同時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，如有問題應查找原因并進行必要的更換。其次，在螺栓穿過法蘭螺栓孔后涂抹潤滑劑，避免螺栓孔內的顆粒物污染。最后在螺母與設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ASME PCC-1—2013（壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南）[1]對法蘭中心線高/低找正：在法蘭周圍選4 個點，相互之間大約間隔90°，任何一點的公差均<1.5 mm。

首先對法蘭的平行度進行找正，主要通過測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，其次對法蘭的螺栓孔進行找正，按照90°的角度測量公差；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。最后隨兩片法蘭間的間隙進行調整，當法蘭處于靜止狀態時，兩個法蘭之間的間距超過墊片厚度的兩倍，若間隙過大/過小時均需要調整。

3.3.5 螺栓緊固的順序步驟

采用四同步的緊固方式對法蘭進行緊固，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 法蘭密封面檢查項目

根據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法蘭螺栓進行緊固，緊固方法如圖4所示。緊固步驟如下：

第一步：在位置①上放置用機具擰緊，設定力矩輸出為50%，將法蘭面對中拉緊，測量并調整法蘭間隙。

第二步：在位置②上放置用機具擰緊，設定力矩輸出為50%，將法蘭面對中拉緊，測量并調整法蘭間隙。

圖3 四同步緊固法實例圖

圖4 四同步緊固法原理圖

第三步：位置③⑥同步方式依次進行鎖緊，設定力矩輸出為100%，測量并調整法蘭間隙。

第四步：最后用100%的力矩順時針檢查所有螺栓，確定所有螺栓無法轉動為止；確定所有螺栓無法轉動為止，法蘭間隙均勻。

注：螺栓組的編號要保證工具的擺放是相對的，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，分開角度是為了使墊圈和薄法蘭的“起皺”降到最小。

4 結果與討論

通過在石家莊煉化重整裝置反應器法蘭安裝過程中對每個關鍵質量控制點進行系統管控，并使用無力臂扭矩拉伸法緊固螺栓，緊固后法蘭密封點的泄漏情況如表4 所示。

表4 煉化重整裝置反應器VOCs 數據排放數值

由表4 數據可知，設備法蘭密封點的VOCs（Volatile Organic Compounds，揮發性有機物）排放值處于（1.3～2.5）1×10-6范圍內，遠遠小于國家環保部門規定的5×10-4限制要求。這不僅提高了螺栓預緊力精度，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 年運行至今，沒有發生法蘭泄漏的問題，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，是一項值得推廣的新技術。

5 結束語

以無力臂扭矩拉伸法在石家莊煉化重整裝置中的應用為例，對其應用過程及其應用效果進行研究。采用該方法應用于設備法蘭密封緊固，緊固后的設備法蘭密封點VOCs 排放值遠遠小于國家環保部門規定的5×10-4限制要求。這不僅提高了螺栓預緊力精度，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。