开展扭矩化管理，实现法兰无泄漏

蒋利强

中石化宁波工程公司 浙江宁波 315103

根据美国圣哲环境咨询公司的统计，约有95%的石油化工装置的泄漏来源于法兰泄漏。英国UKOOA针对失效的法兰开展了一项调查，统计造成泄漏的原因，发现其中81%的法兰泄漏是由于不正确的螺栓预紧力造成的[1]。随着国内环保标准日趋严格，借鉴国外的先进经验，开展扭矩化管理，保持均匀、持续、有效的螺栓预紧力，实现法兰零泄漏，成为十分现实和紧迫的任务。

1 开展法兰扭矩化管理的必要性

1.1 法兰泄漏原因分析

导致法兰泄漏的因素有很多，主要取决于以下几个方面：（1）法兰的运行操作工况；（2）法兰及紧固件的准确选择与适配性；

（3）密封面的形式及精度（光洁度和平整度）；

（4）密封件的正确选择与合格率；

（5）螺栓预紧力的准确性、均匀性及持续有效性。

因为81%的法兰泄漏是由于不正确的螺栓预紧力造成的[2]。所以，螺栓预紧力是影响法兰严密性的最核心、最重要的因素，也是把控的重点和难点。

1.2 影响螺栓预紧力的因素

1.2.1 螺栓预紧力与有效扭矩的关系

螺栓预紧力与有效扭矩的关系可以由式（1）表达：

有效扭矩（Nm）=预紧力(kN)×螺栓直径（mm）×K （1）

由式（1）可以推出：

预紧力(kN)=有效扭矩（Nm）/[螺栓直径（mm）×K] （2）

式中：K——扭矩系数（一般推荐值为 0.08～0.16）

从式（2）可以发现，影响螺栓预紧力的因素主要为有效扭矩和扭矩系数K值，而且，扭矩系数的取值范围比较宽泛，导致预紧力将随之发生很大波动。所以，要想使所有螺栓副均获得精准、均匀的预紧力，绝非易事。

1.2.2 影响有效扭矩的主要因素

影响有效扭矩的主要因素包括：

（1）预紧工具输出的扭矩精度；

（2）预紧工具输出的重复精度；

（3）螺栓副有效力矩精度；

（4）扭矩获取的方式。

预紧工具输出的扭矩精度、重复精度以及螺栓副有效力矩精度，均与选择的扭矩获取方式（紧固方式）紧密相关。传统的扭矩获取方式及其特点如下：

1.2.2.1 同心拧紧法

拧到螺栓副上的扭矩，相对于工具提供的扭矩来说损耗小。工具输出的所有扭矩都施加到螺栓副上，可获得较高的有效力矩精度。但是，工具本身输出的扭矩精度低、重复性差。

以典型的液压螺栓拉伸器为例，其存在可控性不理想的缺陷，表现在：

（1）虽然待拧紧螺杆上的拉伸力相同，但各螺栓副上的最终预紧力大小取决于锁紧螺母的锁紧扭矩。液压螺栓拉伸器的锁紧扭矩可控性低，导致了预紧力偏差大（可以达到几倍的偏差）。

（2）螺栓副处的螺纹和螺母底平面与法兰表面均未被载荷挤压过，接触面的粗糙度较大，当载荷施加到这些面上时会产生塑性变形，导致螺栓副预紧力下降，且不可控制。

（3）操作不当时，还有过拉伸的可能，使螺杆产生塑性变形，强度下降，并使密封件过压缩，发生塑性变形，失去回弹力，导致密封失效。

1.2.2.2 偏载拧紧法

工具本身输出的扭矩精度高，重复精度高。由于存在偏载力矩，当工具输出扭矩作用到螺栓副上时，使得螺栓副预紧力偏载很大，从而降低有效力矩。

以典型的液压扭矩扳手为例，存在可操作性方面的缺陷，包括：

（1）由于液压扭矩扳手本体体积小、重量轻，无法支撑其旋转螺栓副产生的反作用力，必须把反作用力支撑到其他可靠的支点上，从而产生偏载，且偏载力的大小无法计算和控制。即使液压扭矩扳手可保证±3%的重复精度，但作用到螺栓副上的扭矩会有高达20%以上的偏差。

（2）由于扭矩系数K值变化大，有时偏差甚至达几倍，用液压扭矩扳手很难保证螺栓预紧力的精确性、一致性。

可见，两种传统方法各有特色，也各有局限。有效扭矩的获取并持续保持的难度较大。

1.2.3 影响扭矩系数的主要因素

影响扭矩系数K值的主要因素包括：

（1）螺纹副的摩擦系数；

（2）螺母下表面与法兰安装孔表面的摩擦系数；

（3）螺栓的回弹系数；

（4）螺栓的拧紧速度。

扭矩系数K值理论推荐范围为0.08～0.16，即在给定有效扭矩的情况下，K值的理论变化也可达到近2倍的偏差，实际应用中甚至会有5倍以上偏差。其中，螺母下表面与法兰安装孔表面的摩擦系数占整个影响因素的70%以上，对扭矩系数有绝对影响力。

综上所述，导致法兰泄漏的关键因素是螺栓预紧力，而又以有效扭矩及扭矩系数K值最为核心。因此，开展法兰扭矩化管理十分必要。

2 开展法兰扭矩化管理的紧迫性

随着新一轮特大型石化一体化项目的陆续上马，尤其是浙江石化、大连恒力、烟台裕龙、连云港盛虹等巨无霸的急速扩张，将使高参数、大尺寸法兰使用数量大幅增加，其工期之紧、要求之高、难度之大超乎想象。例如，仅浙江石化一期的乙烯和芳烃联合装置就有105000对法兰；镇海炼化一套260万t/a沸腾床渣油加氢装置也有29000对法兰，其中还有不少特殊法兰，对装配要求极为苛刻，稍有不慎就无法达到密封要求。由于许多法兰是美国进口的新型法兰，紧固工艺包括密封面质量评定、螺栓扭矩值设定、装配紧固流程等都没有现成的标准规范，也没有可供借鉴的装配经验，这对法兰装配的能力和水平提出了前所未有的考验。

对大型化、一体化、智能化的特大型联合石化企业而言，因系统庞大复杂，上下游耦合紧密，往往触一发动全身。一旦泄漏，因连锁反应，会导致风险叠加，后患无穷。另一方面，随着原油加工种类的不断增多，高硫高酸原油的比例不断上升，使装置（设施）检修周期不断缩短。特别是随着国家环保标准日趋严厉、民众环保期望日益高涨，对年代久远老旧装置的安、稳、长、满运行提出了苛刻的要求。这些，都对法兰无泄漏提出了迫切需要。

因此，开展法兰扭矩化管理已十分紧迫。

3 开展法兰扭矩化管理面临的困难及挑战

3.1 理念意识的更新

为实现无泄漏目标，需要按照ASME PCC-1-2013《压力边界螺栓法兰连接装配指南》(以下简称PCC-1指南)指导法兰装配，使法兰连接具有与焊接连接同样的可靠性。显然，旧有的装配理念亟待转变。

3.2 专业队伍的配备

PCC-1指南将合格装配人员分为三级，分别是螺栓紧固专家、高级螺栓紧固专家和螺栓紧固指导者。目前，绝大部分工程建设企业配备的紧固专业管理人员和作业人员尚有不少差距，特别是装配工存在人员流动性大、技能培训少、技能素质不相匹配等突出问题。

3.3 专业研究的提升

法兰扭矩化管理涉及摩擦系数的准确测算、目标扭矩的精确确定、扭矩获取方式的合理选择，以及装配紧固的精准把控等，均需要丰富的专业知识和工程实践，方能获得适中的有效扭矩。

3.4 专用装备的改进

目前，通常采用液压扭矩扳手和液压螺栓拉伸器来控制螺栓的预紧力[2]。但传统紧固工具存在可操作性不理想、可控性不佳等缺陷。如液压扭矩扳手因需要反作用力臂，存在偏载力矩，导致螺栓副上的扭矩会产生很大的偏差；若采用液压螺栓拉伸器，则拉伸后螺母转动靠手动调节，也就是说螺栓最终的拉伸量是由人工靠螺母转动的角度控制的，精度难以保证。所以，要想精准把控螺栓副有效扭矩，传统装备需要不断完善改进。

4 亟待加强的几个方面

4.1 加大培训力度，补上技能短板

具备足够数量、合格技能的装配人员是螺栓副连接装配的基础，否则，螺栓副装配质量根本无从谈起，开展法兰扭矩化管理也是空中楼阁。所以，必须花大力气加大对技能操作人员的基础理论、实操技能、安全防护等方面的培训，特别要对照ASME PCC-1对合格装配人员的指南[3]，注重从螺栓副检测、法兰组对调整、螺栓副安装、螺栓副润滑、螺栓副紧固和检测检查等环节的最佳实践体验进行培训，使操作人员掌握各种紧固方法/载荷控制技术的操作要领。经过严格培训，逐一考核通过，做到应知应会，技能过硬。彻底改变目前流动频繁、临时组合、心中无数、仓促上岗的现状，补上技能短板。

4.2 加强专业合作，提升专业水平

经过近四十年的高强度投入，石化行业得到迅猛发展，螺栓紧固载荷控制等相关技术，如定力矩紧固新技术[4]也得到了快速提升。作为工程建设企业，必须关注行业前沿，掌握适用先进技术。同时，需要加强与高等院校、科研单位等专业机构及专业厂家的合作，开展专题攻关，提升专业水平。

比如，如何科学合理调整螺栓副作用载荷的分布，克服螺母面摩擦、克服螺纹摩擦、有用的螺栓剩余载荷三方面作用载荷，以提高螺栓有效载荷，实现法兰无泄漏；又如，如何基于法兰、螺栓、垫片组件完整性的有限元计算和弹性封闭计算数据，精准设定目标扭矩；再如，执行老旧装置检修改造时，难免会遇到不同批次、新旧不一的紧固螺栓混用现象，如何准确测算新旧螺栓的摩擦系数就成为十分棘手的问题。另外，对于大尺寸法兰，如何定量分析螺栓紧固过程的交互效应，使残余的交互作用降至最低，确保螺栓预紧力保持一致，使离散度最低等。以上种种，均迫切需要专业机构的指导和帮助。

4.3 注重数据积累，加大经验共享

开展法兰扭矩化管理严重依赖基础数据，涉及法兰、螺栓、螺母、垫片、密封面等的几何参数和性能参数，仅螺栓就包括螺栓直径、螺栓数量、螺纹牙距、螺母厚度、螺栓有效长度、螺栓安装温度、螺栓工作温度，以及材料的弹性模量、线膨胀系数和拉伸屈服强度等数据。若基础数据匮乏，扭矩化管理的准确性就会大打折扣，难以保证各螺栓副的预紧力精确一致，离散性会偏大，法兰无泄漏的目标就无法达成。因此，需要从核心生产要素高度，注重基础数据的不断积累、不断丰富、不断完善。

同时，由于法兰扭矩化管理尚处于探索阶段，体会不深，经验不足，难度不小。今后在业内需要加大交流力度，建立共享机制，以期少走弯路，避免低水平徘徊。

4.4 加快装备国产化，提高专业能力

随着螺栓紧固载荷控制等相关技术日趋成熟，紧固装备的研发和制造能力也得到了飞速发展，各种性能优越、操作简便的紧固装备在国际上也相继问世。但价格昂贵，且受制于人。 因此，需要加大开发力度，加快装备国产化，普及操作简便、精确高效、安全可靠的紧固工装。比如，国产自反作用力载荷垫圈的推广应用，为开展法兰扭矩化管理奠定了坚实的基础。

5 结束语

综上所述，针对81%的法兰泄漏是由于不正确的螺栓预紧力造成的现状，开展扭矩化管理，实现法兰零泄漏，具有十分重要的现实意义。