作者：楊林 (中國(guó)石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司,四川成都　６１００５１)

出處：《化肥設(shè)計(jì)》2019年8月

摘要：針對(duì)化工裝置原始開(kāi)工和檢修后開(kāi)車過(guò)程中對(duì)高溫管道法蘭螺栓進(jìn)行的“熱緊”維護(hù)工作,從“熱緊”的定義出發(fā),在材質(zhì)、工藝、操作、安全等多方面剖析“熱緊”的必要性和弊端,得出了在一般情況下“熱緊”是不必要的,反而具有一定危害性的結(jié)論。

    在化工裝置原始開(kāi)車或裝置大檢修后的開(kāi)車過(guò)程中,當(dāng)高溫工藝管道升溫到一定程度后,生產(chǎn)單位往往會(huì)組織檢修、維修作業(yè)人員對(duì)管道法蘭螺栓進(jìn)行“熱緊”工作,其目的在于消除管道法蘭連接在受熱狀態(tài)下的松弛,以保證其靜密封效果.但“熱緊”是否有必要,是否能防止法蘭密封面泄漏的發(fā)生,未有定論.筆者將結(jié)合規(guī)范中的要求對(duì)“熱緊”原理和作用效果進(jìn)行探討.

1　規(guī)范中對(duì)“熱緊”的定義和操作規(guī)定

    在施工規(guī)范SH３５０１—２００２?石油化工劇毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范?和國(guó)標(biāo)GB５０２３５—２０１０?工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范?中,對(duì)熱態(tài)緊固的定義如下:為防止管道在工作溫度下,因受熱膨脹導(dǎo)致可拆連接處泄漏而進(jìn)行的緊固操作.規(guī)范還對(duì)管道法蘭螺栓“熱緊”做了以下４條具體要求.

(１)熱態(tài)緊固溫度要求.“熱緊”溫度應(yīng)符合表１的規(guī)定.

(２)熱態(tài)緊固時(shí)間要求.“熱緊”應(yīng)在達(dá)到工作溫度２h后進(jìn)行.

(３)“熱緊”時(shí)管道內(nèi)部壓力要求.當(dāng)設(shè)計(jì)壓力≤６MPa時(shí),熱緊最大內(nèi)壓應(yīng)為０．３ MPa;當(dāng)設(shè)計(jì)壓力大于６MPa時(shí),熱緊最大內(nèi)壓應(yīng)為０．５MPa.

(４)“熱緊”時(shí)安全要求.應(yīng)制定有保證操作人員安全的技術(shù)措施.

2　管道法蘭螺栓“熱緊”理由

２．１　螺栓在高溫狀態(tài)下應(yīng)力松弛

    金屬材料在高溫和應(yīng)力的同時(shí)作用下,其塑性變形會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加,這種現(xiàn)象稱為金屬材料的蠕變.由于蠕變的作用,螺栓在常溫狀態(tài)下緊固時(shí)產(chǎn)生的彈性變形會(huì)變成塑性變形,螺栓的彈性應(yīng)力隨時(shí)間的增加而減小,從而使其對(duì)法蘭的緊固力減小,產(chǎn)生松弛現(xiàn)象,影響法蘭密封性能.

２．２　螺栓在受熱狀態(tài)下膨脹

    根據(jù)熱脹冷縮原理,裝置開(kāi)車過(guò)程中,隨著工藝管道的升溫升壓,螺栓會(huì)由于受熱膨脹伸長(zhǎng),從而減小對(duì)法蘭的緊固力,可能會(huì)導(dǎo)致法蘭密封面發(fā)生泄漏.

3　高溫對(duì)法蘭密封性能的影響

３．１　法蘭螺栓應(yīng)力松弛[１]

    法蘭螺栓的應(yīng)力松弛程度,取決于螺栓材質(zhì)所具有的蠕變強(qiáng)度和速度.高溫管道法蘭螺栓的常用材質(zhì)為鉻鉬合金鋼,在高溫狀態(tài)下具有很好的抗蠕變性能,其蠕變速度非常緩慢.根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,其蠕變速度在幾年內(nèi)都不會(huì)有大的變化,在工藝管道升至正常溫度２h后則更微不足道.

    在高溫條件下,管道專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮到在整個(gè)操作周期內(nèi),法蘭螺栓應(yīng)力松弛后的剩余緊力仍能夠保證法蘭的密封.只要設(shè)計(jì)人員正確選用了螺栓材質(zhì),法蘭螺栓的應(yīng)力松弛在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間是可以忽略不計(jì)的.如果設(shè)計(jì)選材不當(dāng),螺栓蠕變強(qiáng)度不夠,在工藝管道升溫期間就會(huì)發(fā)生明顯蠕變,那么“熱緊”法蘭螺栓也起不了任何作用.因?yàn)槁菟ā盁峋o”后,其還會(huì)以同樣的速度繼續(xù)蠕變,不能持續(xù)保證其“熱緊”后所產(chǎn)生的預(yù)緊載荷.

３．２　螺栓受熱膨脹伸長(zhǎng)[２]

    高溫管道法蘭螺栓溫度上升主要來(lái)源于兩個(gè)方面:螺母與法蘭接觸部位的熱傳導(dǎo)、螺栓孔封閉區(qū)域的法蘭對(duì)螺栓的對(duì)流熱傳導(dǎo).由于法蘭緊固螺栓的比表面積遠(yuǎn)大于法蘭的比表面積,散熱更快,因此螺栓溫度會(huì)低于法蘭溫度.而從熱膨脹角度分析,法蘭膨脹量會(huì)大于螺栓膨脹量.密封墊片在受熱后,也會(huì)發(fā)生軸向膨脹,綜合結(jié)果就是:法蘭和墊片的軸向膨脹總量應(yīng)大于螺栓的膨脹量.因此,熱態(tài)環(huán)境下,作用在墊片上的密封比壓相對(duì)于冷態(tài)更高,從受熱膨脹方面分析,高溫管道法蘭緊固螺栓不用進(jìn)行熱緊.

4　管道法蘭螺栓“熱緊”的危害性[3-5]

４．１　螺栓強(qiáng)度和使用壽命減少

    “熱緊”提高了螺栓預(yù)緊力,可以通過(guò)增大墊片的密封比壓而增強(qiáng)密封性能,但過(guò)大的螺栓預(yù)緊力會(huì)使螺栓產(chǎn)生較大的塑性變形,從而使螺栓的強(qiáng)度和使用壽命降低.例如,生產(chǎn)中會(huì)碰到的高溫螺栓帶壓緊固消漏,通過(guò)扳手、大錘強(qiáng)力緊固螺栓,有可能會(huì)消除漏點(diǎn).但在裝置停車、管道降溫后,就會(huì)發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象;更有甚者,螺栓完全失去了彈性變形能力,無(wú)法繼續(xù)使用.

４．２　高溫管線法蘭密封墊片損壞

    高溫管線法蘭墊片采用的多為內(nèi)外環(huán)金屬纏繞墊,其密封性能靠墊片的回彈性來(lái)保證.法蘭螺栓的“熱緊”操作只會(huì)減少甚至使墊片徹底失去彈性,造成其塑性變形而失效,一旦溫度降低后就會(huì)因墊片不能回彈而產(chǎn)生泄漏,甚至直接把墊片壓壞或者擠出;壓力等級(jí)較高時(shí)采用的是金屬八角墊,其墊片本身就具有受熱膨脹的自密封性能.因此,法蘭墊片密封力的作用不是要求越大越好,而是在滿足基本密封比壓后強(qiáng)調(diào)均勻性.“熱緊”不能解決泄漏,有時(shí)還會(huì)因破壞已經(jīng)均勻的螺栓力而起到負(fù)面作用.

４．３　螺栓的緊固操作

    由于人力緊固螺栓,或者是加長(zhǎng)套管和錘擊等傳統(tǒng)工具,會(huì)造成螺栓預(yù)緊力過(guò)大或過(guò)小,同一法蘭螺栓預(yù)緊力不均勻而易產(chǎn)生泄漏.因此,定力矩緊固在各類化工裝置中得到越來(lái)越多的推廣應(yīng)用.

４．３．１　擰緊螺母的力矩計(jì)算

    對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算時(shí),首先要確定操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力,其數(shù)值按下式計(jì)算:

Fp ＝２πDGbmP (１)

式中,Fp 為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力,N;DG 為墊片有效密封面直徑;b 為墊片有效密封寬度;m 為墊片系數(shù)(由查GB１５０—８９第７章表７Ｇ２可得);P 為介質(zhì)工作壓力(計(jì)算壓力).墊片緊固力F 計(jì)算公式如下:

式中,F 為墊片緊固力,N;DG 為墊片有效密封面直徑;P 為介質(zhì)工作壓力;Fp 為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力;單個(gè)螺栓預(yù)緊力為F/n,n 為法蘭螺栓個(gè)數(shù).

螺栓緊固力矩計(jì)算:

T ＝ KFd (３)

式中,T 為擰緊螺母的力矩;K 為扭矩系數(shù)(近似?。埃?;F 為單個(gè)螺栓預(yù)緊力;d 為螺栓大徑.

４．３．２　螺栓緊固流程

(１)法蘭螺栓緊固原則為“多步緊固”和“順序緊固”.

(２)螺栓緊固分３ 遍進(jìn)行,每遍起點(diǎn)相互分開(kāi)１２０°.

(３)第１遍緊固采用５０％的擰緊螺母力矩,用十字交叉法緊固螺栓并保證密封面平行.

(４)第２遍緊固采用１００％的擰緊螺母力矩,用十字交叉法緊固螺栓并保證密封面平行.

(５)第３遍緊固采用１００％的擰緊螺母力矩,再次對(duì)螺栓按第１遍緊固順序進(jìn)行均勻緊固.從法蘭螺栓定力矩緊固的擰緊力矩計(jì)算和螺栓緊固流程可知,螺栓安裝緊固如果采用的是定力矩緊固,其螺栓預(yù)緊力的大小是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算得出,再次“熱緊”只會(huì)破壞其原有的平衡.如果螺栓安裝緊固時(shí)采用的是扳手、大錘等傳統(tǒng)工具,那么就會(huì)存在螺栓緊固不均勻,無(wú)法保證每條螺栓具有相同的預(yù)緊力,還會(huì)存在預(yù)緊力過(guò)大或不足的情況,都有可能導(dǎo)致法蘭密封發(fā)生泄漏,與是否“熱

緊”沒(méi)有關(guān)系.

４．４　安全角度

    帶壓“熱緊”法蘭螺栓作業(yè)與安全生產(chǎn)是相矛盾的,其危險(xiǎn)性和事故發(fā)生的可能性非常大.很多情況下,在裝置升溫、升壓過(guò)程中,首先考慮的是生產(chǎn)的有序進(jìn)行,安排的螺栓“熱緊”工作條件與規(guī)范中要求的管道溫度、內(nèi)壓力是存在偏差的.在螺栓受熱時(shí)對(duì)其施加載荷,很容易發(fā)生變形、斷裂等危險(xiǎn),或?qū)|片擠壓變形破壞,且還是在帶壓狀態(tài)下,會(huì)造成墊片損壞而失去密封作用,導(dǎo)致法蘭面發(fā)生

泄漏,有時(shí)甚至?xí)鹬卸?、爆炸等?zāi)害性事故.

5　結(jié)語(yǔ)

    綜上所述,化工裝置中的高溫工藝管道法蘭螺栓,應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的緊固力矩和緊固流程,采用專用的緊固工具進(jìn)行操作.除非在設(shè)計(jì)說(shuō)明中明確要求對(duì)其進(jìn)行“熱緊”作業(yè),一般情況下,高溫壓力管道法蘭螺栓在升溫升壓過(guò)程的“熱緊”是不必要的,甚至對(duì)法蘭密封性能和安生生產(chǎn)是有危害的.只要采用了正確的螺栓緊固方式、做好開(kāi)車前的氣密查漏工作,隨著管道法蘭螺栓定力矩緊固方式的不斷推廣,“熱緊”必將成為一種被淘汰的設(shè)備維護(hù)方法.