法兰螺栓定力矩紧固技术要点简述

蔺新莹

中石化第十建设有限公司 山东青岛 266555

石油化工行业产能逐步增加的同时，易燃易爆、有毒有害介质管道和设备的工作压力及温度越来越高，对法兰螺栓规格要求也越来越大，螺栓紧固难度增加，传统的手动扳手、人工敲击紧固螺栓已经无法满足现场安装需求。因螺栓紧固不到位，导致泄露甚至火灾爆炸等事故时有发生，为此，必须在施工过程中以科学的方法进行力矩紧固。

螺栓定力矩紧固为钢制法兰密封紧固工作提供了一个新的发展方向，也是炼化企业精细化管理的重要体现。通过对螺栓定力矩紧固施工的全周期管理，实现法兰螺栓标准化管理，是螺栓定力矩紧固的发展趋势。就目前来看，力矩紧固人员投入少、回报率较高、工作危险性低、机具损耗量低，市场前景非常可观。

1 现场力矩紧固前准备

力矩紧固在检修、新建、改扩建装置都有涉及，不受装置限制。小螺栓可使用手动力矩扳手、中等螺栓可使用液压扳手、较大螺栓可使用液压扳手或液压拉伸器进行紧固，力矩紧固覆盖范围较广。其中液压扭矩扳手一般是指能够输出和设定扭矩的一种螺栓紧固工具，属于高压液压工具，广泛应用于石油化工领域的设备检修和安装。它主要是以电驱动液压为动力来帮助大扭矩的输出。就是用液压顶升油顶来驱动扳手的齿轮执行机构，以紧固和拆卸螺栓为主，液压扭矩扳手有驱动轴和中空式二种。液压螺栓拉伸器的施工工作原理是通过拉伸螺栓，使螺母在液压拉伸器内可以旋转拧紧螺母达到螺栓所需紧固力矩。由于液压拉伸器不受螺栓润滑效果和摩擦的影响，所以可以得到更为精确的螺栓载荷，在工业化施工中对于高压和超高压的设备和管道具有合理的使用性。

力矩紧固方法适用于原手工扳手紧固或者风动类紧固设备紧固的各类石油、化工装置的塔器、容器类、反应器、换热器、机泵、阀门、压缩机及钢结构联接等设备的力矩要求严格或者密封面容易泄漏的设备的连结处紧固；发电厂的蒸汽机、天然气管道及其他需要力矩值测算、力矩要求严格的机械设备施工紧固；工民建需要的密封面紧固和架设机构的螺栓连接处的紧固。

1.1 力矩值的计算

根据中国特种设备检测研究院发布实施的《法兰密封结构安装技术规范》和GB 38343- 2019- T《法兰接头安装技术规定》的要求，进行力矩值计算。拧紧螺栓时的拧紧力矩（M）计算见式（1）。

式中：M——拧紧力矩，N·m；

K——拧紧力系数；

P——预紧力，kN；

D——螺栓公称螺纹直径，mm。

其中，P=σo×As

式中：As——螺栓在螺纹的有效横截面积，mm；

ds——螺纹部分危险剖面的计算直径，mm；

d1——外螺纹小径，mm；

d2——外螺纹中径，mm；

H——螺纹牙的公称工作高度，mm；

σs——螺纹材料的屈服极限，MPa。

系数K 与螺纹表面及法兰的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具，以及反复拧紧时的温度变化等有关，通常在0.1～0.3 之间变化（见表1）。

表1 K值参考参考表

例如M10 的螺栓，为8.8 级，在一般加工表面、无润滑的情况下，则：

K 取0.2，σs取900MPa，系数取0.6。

1.2 液压板手使用准备

使用液压设备时，应穿戴好劳保用品护目镜、安全鞋、手套、安全帽和工作装；确保工作电源接地良好及适当电压；使用前检查液压油泵和快速接头是否完好；泵的操作手柄和扳手操作者不要相距太远；在使用中如果必须用手来固定板手，应优先确保手扶者操作安全；不要通过拖拽液压油管、旋转接头、液压泵的电源线等方式来移动扳手和泵，移动过程中避免磕碰，保护设备安全。任何情况下不要折弯或缠绕高压油管、不要让重物砸到或压到油管上，否则可能会造成油管内部损坏，从而在使用过程中发生泄漏或爆管，导致油管过早报废。高压接头在使用过程中发生卡死现象时，切务使用板手、大力钳等工具拆紧螺纹套，否则会引起螺纹变形，应拆卸接头后部螺纹连接处。液压扳手使用完成后，要对设备做运转记录，并且应每月对使用的设备做全面检查并做月检记录。液压板手使用前检查见图1。

图1 液压板手使用前检查

2 现场力矩紧固流程与验收

图2 为现场力矩紧固流程示意图。

图2 现场力矩紧固流程示意图

2.1 现场力矩紧固前检查

为了让法兰达到不泄露的安全使用效果，应在法兰闭合前对法兰密封面、垫片安装质量进行三方共检验收，避免二次拆装。

（1）对平面法兰，首先要检查法兰面的清洁度和是否有机械性的损伤、径向刻痕、严重锈蚀等缺陷，如有锈蚀要喷涂除锈剂之后用砂纸和细丝铜刷或者清洁布处理，且在清理过程中不得使用锋利器具对法兰密封面及水波纹造成新的损伤。

（2）对有锈蚀、毛刺的法兰承载面须进行除锈、抛光作业，抛光后做防锈处理；且承载面须保持平整，在回装前需对法兰进行润滑处理。

（3）高压凹凸面法兰在闭合前要用红丹粉对垫片和凹凸槽进行密封检查。红丹粉用油稀释后均匀涂抹在八角垫或者椭圆垫的表面上平行旋转，然后取出垫片检查凹凸面与红单粉的贴合度。如有红丹粉接触不到的地方，要对进行研磨处理，或者机械加工。

（4）在法兰闭合前对垫片进行检查，检查垫片的磅级和材质规格是否与管线图纸相符，垫片的密封面是否有机械损伤、径向刻划、严重锈蚀及石墨脱落等缺陷。若有缺陷要及时清理或者更换。

（5）管线安装完成后，管线应与法兰平行和同心。两法兰的允许偏斜值在使用非金属垫片时应小于1mm，使用金属垫片、八角垫片、椭圆垫片时允许偏斜值不应大于0.8mm。法兰中心高偏差不得超过1.5mm。

（6）检查螺栓与螺母的材质、形式、尺寸是否符合管线图纸要求；螺母在螺杆上面应能灵活转动但不能来回晃动，螺纹不能有短缺现象，螺杆不应有弯曲；螺栓露头要统一按要求，不得低于3 丝牙，使用拉伸器紧固的螺栓露头不得少于螺杆公称直径的1.2 倍；两法兰螺栓孔需对中，保证螺栓可自由穿过，孔错最大不得超过3mm。

（7）螺栓紧固前须涂抹润滑脂，以设备及管道运行温度250℃为界限（对温度不确定的法兰须与相关人员确认），50℃以下需涂抹润滑脂，250℃以上须涂抹高温抗咬合剂；对已完成紧固的螺栓螺母做好防锈工作，提高螺栓重复使用率。

2.2 现场力矩紧固操作

2.2.1 选择使用工具、检查液压施工设备和施工环境

根据法兰螺栓规格、螺母大小来选择所使用的液压扳手，检查液压扳手是否完好、是否符合规定。检查液压油位、施工电源、高压油管和机头，保证能正常施工。查看施工环境是否安全，相关作业人员是否已培训，监护人是否到位。领取与所需螺母配套的套筒扳手或者中空扳手。

2.2.2 螺栓扭力矩设置

根据紧固法兰螺栓数据库，进行力矩计算，精确计算螺栓在运行中法兰稳定工作所必需的最小螺栓载荷；确定法兰稳定运行所需的螺栓预紧力安全区间、紧固所需的螺栓力矩，经双方确认，设定施工目标力矩值。根据法兰螺栓数据库和法兰螺栓力矩计算表到现场进行复核，确定最终的数据库资料；制作现场标识牌，并在对应的位置进行挂牌。

2.2.3 螺栓力矩紧固

由力矩紧固现场指导人员对法兰螺栓进行编号。空负荷试运转液压泵。第一步要对螺栓扭力矩值的30%来紧固；第二步要对螺栓扭力矩值的70%来紧固；第三步要对螺栓扭力矩值的100%紧固；第四步分别从1 号和2 号开始顺时针对螺栓扭力矩值的100%紧固3 圈。坚固次序见图3，现场力矩紧固操作见图4。

图3 螺栓力矩紧固次序

图4 现场力矩紧固操作

2.3 现场力矩紧固验收

2.3.1 螺栓抽验方式

对安装螺栓数量的20%进行抽检，至少抽检2—4 套螺栓。

（1）第一步：90%装配扭矩，螺母转动则该螺栓紧固不合格，需重新紧固直至验收合格；

（2）第二步：100%装配扭矩，螺母转动则判定合格，不转动则过度紧固，需重新紧固。

2.3.2 捶击测试

螺栓紧固完成后，由质检员对法兰螺栓进行全覆盖式合格测试。进行锤击测试，即通过捶击已经紧固的螺栓，从声音上判断螺栓是否紧固到位。如果发出和沉闷的声音，表明螺栓没有紧固到位；如果发出铛和清脆的声音，表明螺栓已紧固到位。

为防止密封垫片受力不均匀，螺栓紧固过程及和紧固完成后，应用卡尺沿圆周方向检查两片法兰之间的间距尺寸。要求尺寸偏差一般不大于10μm。法兰检查完成后挂牌。法兰检查次序以顺时针检测4 处，检测数值不得大于0.8mm。

为确保相关螺栓按照要求进行定力矩紧固，可联合对施工单位定力矩紧固的法兰进行抽检，如发现力矩值不符或出现不均匀的问题，要组织进行整改。

螺栓紧固完毕后，应与装置系统一起对法兰连接进行严密性或耐压试验。如达不到要求时，要分析原因，在确保不超过螺柱屈服极限70%的情况下，适当增加最大扭矩值。必要时需拆除法兰，重新检查密封面及垫片。

3 现场力矩紧固效果

3.1 使用效果

通过对某项目高压法兰螺栓定力矩紧固的追踪检查，发现高压管线进行力矩紧固后，管道试压过程中实现了零泄露。法兰螺栓经力矩紧固后，在试压、气密、热态考核和开车时都未出现泄露或渗漏情况，实现一次开车成功。对于一些空间受限的螺栓位置，无法使用人工敲击方式进行紧固，而液压力矩坚固扳手足以胜任，改善了传统方式“不好紧、紧不住”的情况。

3.2 经济效果

对于一些规格较大、压力高、扭矩值大的法兰大大提升了施工效率。经力矩紧固后，不再进行热紧、冷紧等工作，高压法兰紧固一次到位，紧固效率较熟练人工敲击提高20%～30%，降低了施工成本和施工人员劳动强度，并且能更准确保证力矩要求。根据表2 工效对比粗略分析，针对M27 以上螺栓，人工敲击扳手紧固每套螺栓需要5～6min，液压力矩扳手（不含液压拉伸器）紧固每套螺栓需要3～5min。螺栓数量越多、需力矩紧固的螺栓越集中、规格越大，液压扳手工效越明显。

表2 螺栓紧固人工和机械施工时间对比

4 结语

通过法兰螺栓定力矩紧固技术的实施，可大幅降低装置运行的泄露率，减少返工消漏次数及物料损失，降低维修费用，使法兰安装管理更加标准化、数据化、精细化。同时实现节能减排，保障了石化装置安全、长、满、优运行。法兰螺栓定力矩紧固技术，有紧固均匀，密封可靠，操作简单效率高，劳动强度低等突出优点。机械化作业带来的益处越来越显著，通过不断实践，总结经验，吸取不足，相信不久的将来，定力矩紧固技术必定在装置的检修中全面推广普及，从而助力石化装置的安稳长运行。