石化企业如何防止法兰泄漏——确保法兰零泄漏的螺栓紧固技术浅析

特约撰稿人：中设协无泄漏无松动螺栓施工技术中心主任宓正源

石化企业如何防止法兰泄漏
——确保法兰零泄漏的螺栓紧固技术浅析

特约撰稿人：中设协无泄漏无松动螺栓施工技术中心主任宓正源

石化企业法兰泄漏事故频发，螺栓预紧力控制不当是主因

英国UKOOA统计表明：每100起法兰泄漏事故，有81起是因为不正确的螺栓载荷，即预紧力不当造成的。

石化企业的承压设备和管道内充满了有毒易燃的各种化工产品。设备的法兰一旦发生泄漏，可能引发爆炸、火灾、人员伤亡、环境污染等严重后果，给国民经济和人民的生命财产带来极大的危害。

英国UKOOA统计表明：每100起法兰泄漏事故，有81起是因为不正确的螺栓载荷，即预紧力不当造成的。

为了安装和检修的需要，在石化企业的设备上有无数的法兰使用了螺栓连接方式。相对于国家和企业对法兰两侧焊缝质量的高度关注，法兰上的螺栓紧固却毫无地位可言，常常被忽视。于是，传统的紧固方法成了法兰泄漏的罪魁祸首。

传统螺栓紧固方法的不足

小螺栓通常用活扳手及套筒（死）扳手紧固；大螺栓用加长力臂的套筒扳手紧固，有人干脆用大锤敲击套筒扳手来紧固螺栓。后来用气动、电动、液压扳手、液压拉伸器来紧固螺栓。对一些特别大的螺栓，则只有通过螺栓的中心孔加热，使螺栓伸长后再紧固螺母，等螺栓冷却收缩，达到紧固目的。

手动紧固时，只能以扳手转不动螺母为止，紧固后螺栓的预紧力无法控制，仅取决于施工者的力气和习惯。

气动、电动工具紧固时，预紧力同样无法控制。

传统液压板手紧固时，虽然可以设定转动螺栓的扭矩，但为防止螺栓跟转，需以反作用力臂平衡驱动力，根据力矩平移定律，会产生一定的偏载力，且因螺栓和螺母间的接触螺纹存在间隙，紧固时螺纹间的面接触会转为线接触，大大增加螺纹间的摩擦力，此外，反作用力臂支点的变化也会导致螺栓摩擦力和正压力的改变，所以，虽然传统液压板手给每条螺栓都提供了相似的紧固力矩，但每条螺栓实际的螺栓预紧力却并不相同。

液压螺栓拉伸器紧固时，不但要对螺栓产生过度拉伸，而且拉伸器紧固后的螺栓预紧力的精度更低。BASF对液压扳手和液压拉伸器紧固螺栓的检测结果显示，预紧力精度分别为±15%和±51%。

至于对直径较大的螺栓用加热伸长法，在达到预定温度后转动螺母，冷却后获得预紧力的做法，显然也无法获知实际的预紧力值。

可见，用传统的方法紧固螺栓，预紧力大小无法保证。然而，在法兰和密封垫质量过关的前提下，螺栓预紧力及偏差的大小却是决定法兰是否会发生泄漏的重要因素。

因此，做好螺栓预紧力控制，选用正确的螺栓紧固技术至关重要。

如何控制螺栓紧固预紧力大小

如果在紧固螺栓时没有附加的力偶作用到螺母上，就像用手指拧动螺母，摩擦副的螺纹之间是面接触，只要控制好螺纹之间、螺母和垫圈之间接触面的加工精度以及保持摩擦副的润滑条件一致，在紧固螺栓时就可以获得大致相同的摩擦力，同样的驱动力减去大致相同的摩擦力，就可获得较为精准的螺栓预紧力。

美国HYTORC公司自1968年发明世界上第一部带反作用力臂的液压扳手以来，作为螺栓坚固领域的引领者，不断创新技术，1990年推出的专利技术——CLAMP拉伸螺母（自带反作用力臂螺母），开启了无反作用力臂紧固螺栓技术之门。该技术通过螺母外套筒巧妙地自平衡了反作用力，首次取消了传统的反作用力臂。

这一技术特别适合对火电、核电、水电的大直径螺栓进行冷紧、冷松施工，不但能保证预紧力的值和精度，还缩短了施工时间和消除了工伤隐患。

这项技术因为要使用一款全新的套筒螺母代替原螺母，成本较高，除了对预紧力有严格要求的设备以外，不适宜在普通企业全面推广。

2003年，HYTORC公司利用同样的原理，推出了一款新的专利产品——DISC拉伸垫圈螺栓紧固技术：以六角形特殊拉伸垫圈代替普通垫圈，在很大程度上解决了CLAMP拉伸螺母的高成本问题，使无反作用力臂紧固螺栓技术的广泛应用成为可能。

应用该技术紧固螺栓，其预紧力的精度经BASF测试，为±4%，实际应用时为±5%～10%。这一技术解决了长期困扰石化企业的设备法兰泄漏问题，在石化企业获得了广泛认可。

2014年，HYTORC公司的Z-Washer“自反作用力垫圈”专利技术的问世再一次降低了螺栓紧固成本，使无反作用力臂紧固螺栓技术的性价比得以大幅提升。该垫圈和常规的平垫圈具有相同的尺寸和材质，只是周边带一圈外齿，垫圈和螺母的接触面很光滑，并且为了增加和法兰接触面的摩擦力，该面压有“滚花”。为了防止螺栓在紧固时发生螺栓跟转，同时推出了“防跟转垫圈”，该垫圈的尺寸和普通平垫圈一样，只是为了增加摩擦力，两面都压有“滚花”。

将“防跟转垫圈”放在螺栓头和对侧法兰之间，将“自反作用力垫圈”放到原配螺母下，用手拧紧螺母后，就可将专用驱动器外套筒的底部和“自反作用力垫圈”的外齿啮合，并将驱动器与其固定，操作人员无须手扶机具。机具转动螺母时，反作用力就通过驱动器的外套筒，传递到垫圈的外齿上，并自相平衡。没有偏载，螺栓就被垂直拉伸，直接达到设定的预紧力。

新的Z-Washer无反作用力臂螺栓紧固技术同样可以将螺栓的预紧力控制在±5%～10%之间，低廉的价格更易被应用企业所接受。

CLAMP拉伸螺母及专用机具

DISC拉伸垫圈及专用机具

Z-Washer“自反作用力垫圈”及专用机具

企业应该重视螺栓紧固技术

对石化企业而言，采用凯特克Z-Washer无反作用力臂紧固技术紧固弹性法兰螺栓时，应一次性同步紧固至少4条螺栓，使法兰平行闭合，并选用质量合格的螺栓副、高质量的密封垫圈、合格的螺纹润滑剂、合格的法兰面、合格的法兰对中、按设计要求设定预紧力值、由经过培训的人员按规定的工艺实施紧固，即可消除法兰泄漏问题。

应用该技术紧固刚性法兰螺栓时，只要选用质量合格的螺栓副、合格的螺纹润滑剂、合格的法兰面、按设计要求设定预紧力值、由经过培训的人员按规定的工艺实施紧固，即可解决螺栓松动问题。

到目前为止，这一无反作用力臂螺栓紧固技术已经在中国的石油、化工、钢铁、风电、火电、核电、水电、高铁、大型工程机械、造船业得到广泛的应用。彻底消除了有关单位设备的法兰泄漏和螺栓松动事故。大大减少了宝贵资源的浪费和停工维修的时间。

中国设备管理协会无泄漏无松动螺栓施工技术中心将这项无反作用力臂紧固螺栓的新技术郑重向全国石化行业加以介绍。并呼吁石化行业的相关领导，能够高度重视这一世界领先的螺栓紧固技术，认识到这项技术背后巨大的经济价值和社会效益，齐心协力推动和应用这项新技术，促进我国石化企业装备制造业的转型升级，彻底消除因法兰泄漏和螺栓松动引发的灾难性事故。

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