扭力拉伸技术在高压温变法兰螺栓紧固中的应用

潘从锦，张兴明，侯丹丹，木合塔尔·买买提

中国石油克拉玛依石化分公司，新疆 克拉玛依 834003

某石化公司0.8Mt/a丙烷脱沥青装置采用了先进的导热油炉加热方式为装置提供热源。工艺介质和被加热的导热油热载体换热，获取热量后进行生产。沥青闪蒸罐进料加热器E107/AB是U型管换热器。由于温度和压力的波动，E107/AB管箱法兰频繁出现渗漏，经多次紧固不能解决泄漏问题。不仅容易造成人员烫伤，还可能引起火灾等事故，严重影响装置的安全、平稳、长周期运行。

一、换热器工况及管箱法兰泄漏分析

沥青闪蒸罐进料加热器实际操作中温变情况出现较多。其换热器的相关参数明细见表1。

表1 换热器相关参数

管箱法兰通过螺栓的预紧力，使垫片和法兰密封面之间产生足够的压力，垫片表面产生的变形足以填补法兰密封面的微观不平，达到密封的目的。校核法兰的强度，测量平直度、粗糙度等均符合要求。校核波齿复合垫的强度和回弹性也符合要求。螺栓螺母的材质、强度、刚度、回弹性符合要求。但现场观察发现法兰泄漏处的部分螺母有松动迹象，说明预紧力不均匀。

螺栓在螺孔中，其温度变化会滞后于法兰。在加热的时候螺栓不会像法兰面一样膨胀的那么快，法兰面将在短期内发生载荷增大，这有可能导致螺栓屈服。在冷却阶段螺栓冷却滞后于法兰，会引起短期内载荷丢失。螺栓的预紧力在实际工况中随着温度压力变化而处于动态变化的，适度均匀的预紧力，是防止泄漏发生的关键。为此，装置在2009年停工检修时使用了扭力拉伸控制技术。

二、扭力拉伸控制技术的工作原理

扭力拉伸控制技术的核心部件是带螺纹的螺母垫圈（图1）和液压驱动套筒，通过螺母垫圈和液压驱动套筒来实现扭矩和拉伸预紧力的转换。六角螺母垫圈顶部为环形平面，底部的六角面上机械加工有径向发散沟槽，下方的六角螺母体内是螺纹圈。转动螺母垫圈直到垫圈底部和法兰表面贴合，将螺母拧到螺母垫圈上，液压驱动头将套筒扣在螺栓螺母和垫圈上，套筒握住垫圈下方六角体使其不转动，同时转动螺栓螺母，螺栓不转动，进一步转动螺母时，螺栓就能直接被拉伸。同时垫圈内部的螺纹牙随之沿轴向上移，从而扭矩能转换为拉伸力。紧固完成后，就如同双并螺母，具有一定的防止松动效果。扭力拉伸技术工作原理如图2。液压扭力扳手是由工作头、液压泵以及高压油管组成。通过高压油管，液压泵将动力传输到工作头，驱动工作头旋转螺母的拧紧或松开。液压泵可以由电力或压缩空气驱动。液压扳手的工作头主要由三部分组成，框架（壳体）、油缸和传动部件，液压扭力扳手工作原理示意见图3。和扭矩液压扳手做对比，液压扳手上的反作用力臂被一个驱动套筒所替代了，螺栓不存在任何扭转，轴向拉伸没有弯曲力。

图1 螺母垫圈

图2 液压套筒扳手工作示意

图2 液压扭力扳手工作示意

三、紧固流程

（1）通过工况调研了解每个应用的参数。

（2）清洗前检查法兰、螺栓螺母及密封垫状况，测量法兰尺寸，检查密封垫压痕，检查法兰外观。检查螺栓螺母精度及螺纹咬合情况。

（3）清洗后，检查法兰及密封垫接触外观；用激光平行仪检查密封垫接触平整度，法兰上取8个点，任何两个高度差不超过0.25mm。检查密封垫接触粗糙度。如不合格应更新或修复。

（4）计算螺栓预紧力。

（5）制定详细的紧固流程。

对所有螺母进行顺序编号标注。第一遍分三步进行螺栓预紧，第一步按30%目标扭矩依照序号进行“十”字对角全部螺母紧固。第二步按70%目标扭矩紧固。第三步按100%目标扭矩紧固。第二遍按照100%目标扭矩进行对角错位方式紧固，第三遍进行顺时针方向100%目标扭矩紧固。

单部工具紧固耗时较长，还可以用同步紧固技术对同一法兰上的多个螺栓同时进行紧固。可以选择四部机具同步紧固，也可以选择50%或100%机具覆盖紧固，100%工具覆盖可以消除人为误差，螺栓紧固更加精确、安全。同步紧固保证法兰平行闭合，确保密封垫均匀受力，同时减少工具移动的次数，节省检修时间。

（6）螺栓预紧力检查。测量螺栓伸长量并确认螺栓载荷，不合格时应重复紧固，直至合格。结合规范对法兰对中进行检查，检查紧固后的法兰间隙是否均匀，检查紧固后法兰的平行度。

四、结语

通过扭力拉伸技术紧固，螺栓载荷精度可达4%～10%。2009年装置换热器E107/AB使用扭力拉伸技术紧固，管箱法兰在3年的运行周期内没有发生泄漏现象。基于成功经验，2012年停工大检修期间，装置又在E104/AB，E105/AB，E106/AB换热器上应该了该项技术，目前运行情况良好。