作者：楊林 (中國石油西南油氣田川東北作業分公司,四川成都　６１００５１)

出處：《化肥設計》2019年8月

摘要：針對化工裝置原始開工和檢修后開車過程中對高溫管道法蘭螺栓進行的“熱緊”維護工作,從“熱緊”的定義出發,在材質、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論。

    在化工裝置原始開車或裝置大檢修后的開車過程中,當高溫工藝管道升溫到一定程度后,生產單位往往會組織檢修、維修作業人員對管道法蘭螺栓進行“熱緊”工作,其目的在于消除管道法蘭連接在受熱狀態下的松弛,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生,未有定論.筆者將結合規范中的要求對“熱緊”原理和作用效果進行探討.

1　規范中對“熱緊”的定義和操作規定

    在施工規范SH３５０１—２００２«石油化工劇毒、可燃介質管道工程施工及驗收規范»和國標GB５０２３５—２０１０«工業金屬管道工程施工規范»中,對熱態緊固的定義如下:為防止管道在工作溫度下,因受熱膨脹導致可拆連接處泄漏而進行的緊固操作.規范還對管道法蘭螺栓“熱緊”做了以下４條具體要求.

(１)熱態緊固溫度要求.“熱緊”溫度應符合表１的規定.

(２)熱態緊固時間要求.“熱緊”應在達到工作溫度２h后進行.

(３)“熱緊”時管道內部壓力要求.當設計壓力≤６MPa時,熱緊內壓應為０．３ MPa;當設計壓力大于６MPa時,熱緊內壓應為０．５MPa.

(４)“熱緊”時安全要求.應制定有保證操作人員安全的技術措施.

2　管道法蘭螺栓“熱緊”理由

２．１　螺栓在高溫狀態下應力松弛

    金屬材料在高溫和應力的同時作用下,其塑性變形會隨著時間的增加而增加,這種現象稱為金屬材料的蠕變.由于蠕變的作用,螺栓在常溫狀態下緊固時產生的彈性變形會變成塑性變形,螺栓的彈性應力隨時間的增加而減小,從而使其對法蘭的緊固力減小,產生松弛現象,影響法蘭密封性能.

２．２　螺栓在受熱狀態下膨脹

    根據熱脹冷縮原理,裝置開車過程中,隨著工藝管道的升溫升壓,螺栓會由于受熱膨脹伸長,從而減小對法蘭的緊固力,可能會導致法蘭密封面發生泄漏.

3　高溫對法蘭密封性能的影響

３．１　法蘭螺栓應力松弛[１]

    法蘭螺栓的應力松弛程度,取決于螺栓材質所具有的蠕變強度和速度.高溫管道法蘭螺栓的常用材質為鉻鉬合金鋼,在高溫狀態下具有很好的抗蠕變性能,其蠕變速度非常緩慢.根據相關試驗數據表明,其蠕變速度在幾年內都不會有大的變化,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,管道專業設計人員應該考慮到在整個操作周期內,法蘭螺栓應力松弛后的剩余緊力仍能夠保證法蘭的密封.只要設計人員正確選用了螺栓材質,法蘭螺栓的應力松弛在相當長一段時間是可以忽略不計的.如果設計選材不當,螺栓蠕變強度不夠,在工藝管道升溫期間就會發生明顯蠕變,那么“熱緊”法蘭螺栓也起不了任何作用.因為螺栓“熱緊”后,其還會以同樣的速度繼續蠕變,不能持續保證其“熱緊”后所產生的預緊載荷.

３．２　螺栓受熱膨脹伸長[２]

    高溫管道法蘭螺栓溫度上升主要來源于兩個方面:螺母與法蘭接觸部位的熱傳導、螺栓孔封閉區域的法蘭對螺栓的對流熱傳導.由于法蘭緊固螺栓的比表面積遠大于法蘭的比表面積,散熱更快,因此螺栓溫度會低于法蘭溫度.而從熱膨脹角度分析,法蘭膨脹量會大于螺栓膨脹量.密封墊片在受熱后,也會發生軸向膨脹,綜合結果就是:法蘭和墊片的軸向膨脹總量應大于螺栓的膨脹量.因此,熱態環境下,作用在墊片上的密封比壓相對于冷態更高,從受熱膨脹方面分析,高溫管道法蘭緊固螺栓不用進行熱緊.

4　管道法蘭螺栓“熱緊”的危害性[3-5]

４．１　螺栓強度和使用壽命減少

    “熱緊”提高了螺栓預緊力,可以通過增大墊片的密封比壓而增強密封性能,但過大的螺栓預緊力會使螺栓產生較大的塑性變形,從而使螺栓的強度和使用壽命降低.例如,生產中會碰到的高溫螺栓帶壓緊固消漏,通過扳手、大錘強力緊固螺栓,有可能會消除漏點.但在裝置停車、管道降溫后,就會發現螺栓出現松動現象;更有甚者,螺栓*失去了彈性變形能力,無法繼續使用.

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外環金屬纏繞墊,其密封性能靠墊片的回彈性來保證.法蘭螺栓的“熱緊”操作只會減少甚至使墊片*失去彈性,造成其塑性變形而失效,一旦溫度降低后就會因墊片不能回彈而產生泄漏,甚至直接把墊片壓壞或者擠出;壓力等級較高時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調均勻性.“熱緊”不能解決泄漏,有時還會因破壞已經均勻的螺栓力而起到負面作用.

４．３　螺栓的緊固操作

    由于人力緊固螺栓,或者是加長套管和錘擊等傳統工具,會造成螺栓預緊力過大或過小,同一法蘭螺栓預緊力不均勻而易產生泄漏.因此,定力矩緊固在各類化工裝置中得到越來越多的推廣應用.

４．３．１　擰緊螺母的力矩計算

    對螺栓預緊力進行計算時,首先要確定操作狀態下需要的最小墊片壓緊力,其數值按下式計算:

Fp ＝２πDGbmP (１)

式中,Fp 為操作狀態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(由查GB１５０—８９第７章表７Ｇ２可得);P 為介質工作壓力(計算壓力).墊片緊固力F 計算公式如下:

式中,F 為墊片緊固力,N;DG 為墊片有效密封面直徑;P 為介質工作壓力;Fp 為操作狀態下需要的最小墊片壓緊力;單個螺栓預緊力為F/n,n 為法蘭螺栓個數.

螺栓緊固力矩計算:

T ＝ KFd (３)

式中,T 為擰緊螺母的力矩;K 為扭矩系數(近似取０．２);F 為單個螺栓預緊力;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 遍進行,每遍起點相互分開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,再次對螺栓按第１遍緊固順序進行均勻緊固.從法蘭螺栓定力矩緊固的擰緊力矩計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,其螺栓預緊力的大小是經過嚴格計算得出,再次“熱緊”只會破壞其原有的平衡.如果螺栓安裝緊固時采用的是扳手、大錘等傳統工具,那么就會存在螺栓緊固不均勻,無法保證每條螺栓具有相同的預緊力,還會存在預緊力過大或不足的情況,都有可能導致法蘭密封發生泄漏,與是否“熱

緊”沒有關系.

４．４　安全角度

    帶壓“熱緊”法蘭螺栓作業與安全生產是相矛盾的,其危險性和事故發生的可能性非常大.很多情況下,在裝置升溫、升壓過程中,首先考慮的是生產的有序進行,安排的螺栓“熱緊”工作條件與規范中要求的管道溫度、內壓力是存在偏差的.在螺栓受熱時對其施加載荷,很容易發生變形、斷裂等危險,或將墊片擠壓變形破壞,且還是在帶壓狀態下,會造成墊片損壞而失去密封作用,導致法蘭面發生

泄漏,有時甚至會引起中毒、爆炸等災害性事故.

5　結語

    綜上所述,化工裝置中的高溫工藝管道法蘭螺栓,應嚴格按照標準要求的緊固力矩和緊固流程,采用專用的緊固工具進行操作.除非在設計說明中明確要求對其進行“熱緊”作業,一般情況下,高溫壓力管道法蘭螺栓在升溫升壓過程的“熱緊”是不必要的,甚至對法蘭密封性能和安生生產是有危害的.只要采用了正確的螺栓緊固方式、做好開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備維護方法.