法蘭螺栓定力矩緊固技術要點簡述

藺新瑩

中石化第十建設有限公司 山東青島 266555

石油化工行業產能逐步增加的同時，易燃易爆、有毒有害介質管道和設備的工作壓力及溫度越來越高，對法蘭螺栓規格要求也越來越大，螺栓緊固難度增加，傳統的手動扳手、人工敲擊緊固螺栓已經無法滿足現場安裝需求。因螺栓緊固不到位，導致泄露甚至火災爆炸等事故時有發生，為此，必須在施工過程中以科學的方法進行力矩緊固。

螺栓定力矩緊固為鋼制法蘭密封緊固工作提供了一個新的發展方向，也是煉化企業精細化管理的重要體現。通過對螺栓定力矩緊固施工的全周期管理，實現法蘭螺栓標準化管理，是螺栓定力矩緊固的發展趨勢。就目前來看，力矩緊固人員投入少、回報率較高、工作危險性低、機具損耗量低，市場前景非常可觀。

1 現場力矩緊固前準備

力矩緊固在檢修、新建、改擴建裝置都有涉及，不受裝置限制。小螺栓可使用手動力矩扳手、中等螺栓可使用液壓扳手、較大螺栓可使用液壓扳手或液壓拉伸器進行緊固，力矩緊固覆蓋范圍較廣。其中液壓扭矩扳手一般是指能夠輸出和設定扭矩的一種螺栓緊固工具，屬于高壓液壓工具，廣泛應用于石油化工領域的設備檢修和安裝。它主要是以電驅動液壓為動力來幫助大扭矩的輸出。就是用液壓頂升油頂來驅動扳手的齒輪執行機構，以緊固和拆卸螺栓為主，液壓扭矩扳手有驅動軸和中空式二種。液壓螺栓拉伸器的施工工作原理是通過拉伸螺栓，使螺母在液壓拉伸器內可以旋轉擰緊螺母達到螺栓所需緊固力矩。由于液壓拉伸器不受螺栓潤滑效果和摩擦的影響，所以可以得到更為精確的螺栓載荷，在工業化施工中對于高壓和超高壓的設備和管道具有合理的使用性。

力矩緊固方法適用于原手工扳手緊固或者風動類緊固設備緊固的各類石油、化工裝置的塔器、容器類、反應器、換熱器、機泵、閥門、壓縮機及鋼結構聯接等設備的力矩要求嚴格或者密封面容易泄漏的設備的連結處緊固；發電廠的蒸汽機、天然氣管道及其他需要力矩值測算、力矩要求嚴格的機械設備施工緊固；工民建需要的密封面緊固和架設機構的螺栓連接處的緊固。

1.1 力矩值的計算

根據中國特種設備檢測研究院發布實施的《法蘭密封結構安裝技術規范》和GB 38343- 2019- T《法蘭接頭安裝技術規定》的要求，進行力矩值計算。擰緊螺栓時的擰緊力矩（M）計算見式（1）。

式中：M——擰緊力矩，N·m；

K——擰緊力系數；

P——預緊力，kN；

D——螺栓公稱螺紋直徑，mm。

其中，P=σo×As

式中：As——螺栓在螺紋的有效橫截面積，mm；

ds——螺紋部分危險剖面的計算直徑，mm；

d1——外螺紋小徑，mm；

d2——外螺紋中徑，mm；

H——螺紋牙的公稱工作高度，mm；

σs——螺紋材料的屈服極限，MPa。

系數K 與螺紋表面及法蘭的光潔度、潤滑狀況、擰緊速度、所用擰緊工具，以及反復擰緊時的溫度變化等有關，通常在0.1～0.3 之間變化（見表1）。

表1 K值參考參考表

例如M10 的螺栓，為8.8 級，在一般加工表面、無潤滑的情況下，則：

K 取0.2，σs取900MPa，系數取0.6。

1.2 液壓板手使用準備

使用液壓設備時，應穿戴好勞保用品護目鏡、安全鞋、手套、安全帽和工作裝；確保工作電源接地良好及適當電壓；使用前檢查液壓油泵和快速接頭是否完好；泵的操作手柄和扳手操作者不要相距太遠；在使用中如果必須用手來固定板手，應優先確保手扶者操作安全；不要通過拖拽液壓油管、旋轉接頭、液壓泵的電源線等方式來移動扳手和泵，移動過程中避免磕碰，保護設備安全。任何情況下不要折彎或纏繞高壓油管、不要讓重物砸到或壓到油管上，否則可能會造成油管內部損壞，從而在使用過程中發生泄漏或爆管，導致油管過早報廢。高壓接頭在使用過程中發生卡死現象時，切務使用板手、大力鉗等工具拆緊螺紋套，否則會引起螺紋變形，應拆卸接頭后部螺紋連接處。液壓扳手使用完成后，要對設備做運轉記錄，并且應每月對使用的設備做全面檢查并做月檢記錄。液壓板手使用前檢查見圖1。

圖1 液壓板手使用前檢查

2 現場力矩緊固流程與驗收

圖2 為現場力矩緊固流程示意圖。

圖2 現場力矩緊固流程示意圖

2.1 現場力矩緊固前檢查

為了讓法蘭達到不泄露的安全使用效果，應在法蘭閉合前對法蘭密封面、墊片安裝質量進行三方共檢驗收，避免二次拆裝。

（1）對平面法蘭，首先要檢查法蘭面的清潔度和是否有機械性的損傷、徑向刻痕、嚴重銹蝕等缺陷，如有銹蝕要噴涂除銹劑之后用砂紙和細絲銅刷或者清潔布處理，且在清理過程中不得使用鋒利器具對法蘭密封面及水波紋造成新的損傷。

（2）對有銹蝕、毛刺的法蘭承載面須進行除銹、拋光作業，拋光后做防銹處理；且承載面須保持平整，在回裝前需對法蘭進行潤滑處理。

（3）高壓凹凸面法蘭在閉合前要用紅丹粉對墊片和凹凸槽進行密封檢查。紅丹粉用油稀釋后均勻涂抹在八角墊或者橢圓墊的表面上平行旋轉，然后取出墊片檢查凹凸面與紅單粉的貼合度。如有紅丹粉接觸不到的地方，要對進行研磨處理，或者機械加工。

（4）在法蘭閉合前對墊片進行檢查，檢查墊片的磅級和材質規格是否與管線圖紙相符，墊片的密封面是否有機械損傷、徑向刻劃、嚴重銹蝕及石墨脫落等缺陷。若有缺陷要及時清理或者更換。

（5）管線安裝完成后，管線應與法蘭平行和同心。兩法蘭的允許偏斜值在使用非金屬墊片時應小于1mm，使用金屬墊片、八角墊片、橢圓墊片時允許偏斜值不應大于0.8mm。法蘭中心高偏差不得超過1.5mm。

（6）檢查螺栓與螺母的材質、形式、尺寸是否符合管線圖紙要求；螺母在螺桿上面應能靈活轉動但不能來回晃動，螺紋不能有短缺現象，螺桿不應有彎曲；螺栓露頭要統一按要求，不得低于3 絲牙，使用拉伸器緊固的螺栓露頭不得少于螺桿公稱直徑的1.2 倍；兩法蘭螺栓孔需對中，保證螺栓可自由穿過，孔錯最大不得超過3mm。

（7）螺栓緊固前須涂抹潤滑脂，以設備及管道運行溫度250℃為界限（對溫度不確定的法蘭須與相關人員確認），50℃以下需涂抹潤滑脂，250℃以上須涂抹高溫抗咬合劑；對已完成緊固的螺栓螺母做好防銹工作，提高螺栓重復使用率。

2.2 現場力矩緊固操作

2.2.1 選擇使用工具、檢查液壓施工設備和施工環境

根據法蘭螺栓規格、螺母大小來選擇所使用的液壓扳手，檢查液壓扳手是否完好、是否符合規定。檢查液壓油位、施工電源、高壓油管和機頭，保證能正常施工。查看施工環境是否安全，相關作業人員是否已培訓，監護人是否到位。領取與所需螺母配套的套筒扳手或者中空扳手。

2.2.2 螺栓扭力矩設置

根據緊固法蘭螺栓數據庫，進行力矩計算，精確計算螺栓在運行中法蘭穩定工作所必需的最小螺栓載荷；確定法蘭穩定運行所需的螺栓預緊力安全區間、緊固所需的螺栓力矩，經雙方確認，設定施工目標力矩值。根據法蘭螺栓數據庫和法蘭螺栓力矩計算表到現場進行復核，確定最終的數據庫資料；制作現場標識牌，并在對應的位置進行掛牌。

2.2.3 螺栓力矩緊固

由力矩緊固現場指導人員對法蘭螺栓進行編號。空負荷試運轉液壓泵。第一步要對螺栓扭力矩值的30%來緊固；第二步要對螺栓扭力矩值的70%來緊固；第三步要對螺栓扭力矩值的100%緊固；第四步分別從1 號和2 號開始順時針對螺栓扭力矩值的100%緊固3 圈。堅固次序見圖3，現場力矩緊固操作見圖4。

圖3 螺栓力矩緊固次序

圖4 現場力矩緊固操作

2.3 現場力矩緊固驗收

2.3.1 螺栓抽驗方式

對安裝螺栓數量的20%進行抽檢，至少抽檢2—4 套螺栓。

（1）第一步：90%裝配扭矩，螺母轉動則該螺栓緊固不合格，需重新緊固直至驗收合格；

（2）第二步：100%裝配扭矩，螺母轉動則判定合格，不轉動則過度緊固，需重新緊固。

2.3.2 捶擊測試

螺栓緊固完成后，由質檢員對法蘭螺栓進行全覆蓋式合格測試。進行錘擊測試，即通過捶擊已經緊固的螺栓，從聲音上判斷螺栓是否緊固到位。如果發出和沉悶的聲音，表明螺栓沒有緊固到位；如果發出鐺和清脆的聲音，表明螺栓已緊固到位。

為防止密封墊片受力不均勻，螺栓緊固過程及和緊固完成后，應用卡尺沿圓周方向檢查兩片法蘭之間的間距尺寸。要求尺寸偏差一般不大于10μm。法蘭檢查完成后掛牌。法蘭檢查次序以順時針檢測4 處，檢測數值不得大于0.8mm。

為確保相關螺栓按照要求進行定力矩緊固，可聯合對施工單位定力矩緊固的法蘭進行抽檢，如發現力矩值不符或出現不均勻的問題，要組織進行整改。

螺栓緊固完畢后，應與裝置系統一起對法蘭連接進行嚴密性或耐壓試驗。如達不到要求時，要分析原因，在確保不超過螺柱屈服極限70%的情況下，適當增加最大扭矩值。必要時需拆除法蘭，重新檢查密封面及墊片。

3 現場力矩緊固效果

3.1 使用效果

通過對某項目高壓法蘭螺栓定力矩緊固的追蹤檢查，發現高壓管線進行力矩緊固后，管道試壓過程中實現了零泄露。法蘭螺栓經力矩緊固后，在試壓、氣密、熱態考核和開車時都未出現泄露或滲漏情況，實現一次開車成功。對于一些空間受限的螺栓位置，無法使用人工敲擊方式進行緊固，而液壓力矩堅固扳手足以勝任，改善了傳統方式“不好緊、緊不住”的情況。

3.2 經濟效果

對于一些規格較大、壓力高、扭矩值大的法蘭大大提升了施工效率。經力矩緊固后，不再進行熱緊、冷緊等工作，高壓法蘭緊固一次到位，緊固效率較熟練人工敲擊提高20%～30%，降低了施工成本和施工人員勞動強度，并且能更準確保證力矩要求。根據表2 工效對比粗略分析，針對M27 以上螺栓，人工敲擊扳手緊固每套螺栓需要5～6min，液壓力矩扳手（不含液壓拉伸器）緊固每套螺栓需要3～5min。螺栓數量越多、需力矩緊固的螺栓越集中、規格越大，液壓扳手工效越明顯。

表2 螺栓緊固人工和機械施工時間對比

4 結語

通過法蘭螺栓定力矩緊固技術的實施，可大幅降低裝置運行的泄露率，減少返工消漏次數及物料損失，降低維修費用，使法蘭安裝管理更加標準化、數據化、精細化。同時實現節能減排，保障了石化裝置安全、長、滿、優運行。法蘭螺栓定力矩緊固技術，有緊固均勻，密封可靠，操作簡單效率高，勞動強度低等突出優點。機械化作業帶來的益處越來越顯著，通過不斷實踐，總結經驗，吸取不足，相信不久的將來，定力矩緊固技術必定在裝置的檢修中全面推廣普及，從而助力石化裝置的安穩長運行。