在炼油、石化、化学、核电等电力装置中, 压力容器和压力管道大量应用螺栓法兰连接。由于螺栓法兰连接数量庞大且工况复杂, 法兰连接系统的泄漏事故也不断增多, 法兰连接泄漏造成的直接经济损失每年都达数亿元!
法兰连接系统主要由法兰, 垫片和螺栓螺母组成, 法兰提供了连接容器或管道两个组成部分, 并提供了垫片的安装位置, 而螺栓作为一弹性体将法兰及垫片连接在一起, 从而产生并留存在垫片上的预紧力, 施加在螺栓上的载荷必须满足垫片密封所需的比压力。施加在螺栓上的载荷过小, 密封不严密, 法兰连接系统会造成泄露;而载荷过大, 会使垫片乃至螺栓产生塑性变形, 失效, 法兰连接系统也会泄露。故该系统内任一组成部分出现问题, 都会影响到整个系统的使用。
为了能确保法兰连接系统零泄露, 能安全可靠地长周期运行, 必须保证整个法兰系统有足够且精确的预紧力。那么如何实现预紧力的加载及如何准确控制加载到螺栓上的预紧力呢?针对不同的工况, 不同条件的法兰连接紧固, 该选用什么样的工具和紧固步骤来实现零泄露的紧固呢?我国的GB150-1998、美国ASME Section VIII Div.1, 德国DIN2505标准、ASME在2010更新版ASME PCC-1-2010中都有关描述, 在本文中也会做详细阐述。
在现代的螺栓紧固方式中, 人们已经不再单纯使用大锤来紧固螺栓, 尤其是大尺寸螺栓 (M36以上) , 越来越多的紧固工具可供选择, 如手动扭矩扳手, 液压扳手、电动扳手, 风动扳手、液压拉伸器等。而在加氢反应器、LDPE或EO/EG等压力容器的螺栓紧固中, 由于其工作的压力高, 为了准确控制螺栓预紧力, 大尺寸螺栓 (M36以上) 只允许使用液压拉伸器作为紧固工具。
关键连接是根据以下操作介质/或条件下的法兰连接:
(1) 极端易燃:介质及准备工作在常温常压下和空气接触是易燃的。
(2) 强毒性:介质及准备工作, 当吸入, 吞入, 或由皮肤吸收少量就会导致死亡或极慢性伤害。
(3) 曾经有泄漏历史记录
(4) 热瞬间温度超过38oC/小时5
() 循环应用 (温度或压力) 6300oC
(6) 操作温度从300oC及以上7-50oC
(7) 操作温度从-50oC及以下
(8) LDPE装置的高压设备
(9) 目前以拉伸器紧固的法兰
(10) 在运转温度下结冰的法兰
关键连接、LDPE等高压设备、螺栓尺寸超过M36以上的连接, 都要求使用液压拉伸器紧固。同时, 结合专业致力于螺栓紧固公司如北京科路工业装备有限公司多年服务于LDPE、加氢反应器等压力容器的法兰紧固实践经验, 及权威的专业工程数据计算, 一致认为, 使用液压拉伸器作为压力容器的法兰螺栓紧固, 是最严谨最安全的紧固工具。
那么, 液压拉伸器与其他传统紧固工具相比, 都有些什么优点呢?
通过超高液压系统拉伸螺栓, 拉伸螺母通过油缸直接对螺栓施加外力, 使被施加力的螺栓在其弹性变形区内被拉长, 从而使螺母以零扭矩紧固;液压拉伸器通过液压系统提供高压动力源, 通过液压螺母直接作用于螺栓上, 利用材料的弹性形变, 在弹性范围内拉伸螺栓, 使螺母以零扭矩紧固;液压拉伸器在弹性范围内螺栓的加载, 伸长量与所受载荷之间的关系可用胡克定律来精确描述。
胡克定律如下:
式中:∆l——变形量 (m) ;FN
FN——拉伸力 (N) ;
l——长度 (m) ;
E——材料弹性模量 (Pa) ;
A——截面积 (m2) 。
对于某一确定直径的螺栓有:
式中:A0——螺栓受力面积 (m2) ;
d1——螺栓小径 (m) ;
Fmax——螺栓屈服极限内所能承受的最大拉力 (N) ;
σs——螺栓屈服极限 (Pa) 。
因此, 对于此被拉伸螺栓, 可直接计算出最终由液压拉伸器直接作用的载荷为:
式中:FN——被拉伸螺栓留存载荷 (N) ;
P——最大可施加液压拉伸器压力 (Pa) ;
A——承压面积 (m2) 。
使用力矩扳手、液压扳手、电动扳手等方式紧固时, 工具直接作用在螺母上, 通过产生扭矩来紧固螺栓。
安装扭矩分为三个部分:螺栓与螺母间的扭转摩擦, 螺母与法兰平面之间的平面摩擦, 转化紧固轴力的安装扭矩。
在安装时, 大部分安装扭矩都在前两个摩擦中损耗, 而直接转化为预紧力的, 只占紧固扭矩的10%左右。
使用力矩扳手, 液压扳手, 电动/风动扳手紧固螺栓时, 需要计算紧固螺栓的扭矩值, 此时需要将扳手、螺母、螺栓及法兰面之间的磨擦系数考虑在内。根据材料的不同及表面光洁度不同, 该摩擦系数的差异会很大, 通常会在0.08到0.35之间, 差距高达400%, 这就意味着, 同样规格的螺栓, 因为计算扭矩时选用磨擦系数的不确定性, 将使计算的扭矩值误差高达400%, 影响正确选用合适的工具来紧固螺栓, 大大增加整个法兰系统的泄露可能性。
在实际的螺栓紧固操作时, 工具与螺栓数量之比往往无法做到1:1, 例如一个法兰共有16条螺栓需要紧固时, 一般不会配置16台扳手或液压拉伸器同时紧固螺栓。而当工具数量/螺栓数量无法做到100%同步紧固, 需要进行分步分阶段紧固, 分步紧固时会出现相临螺栓影响效应, 即在完成下一组螺栓紧固后, 前一组的螺栓已经松弛, 预紧力损失率最高可达95%, 所以同步紧固显得尤为重要!
液压拉伸器工作时纯轴向作用力, 无需找相邻螺栓做支点, 且可以串联使用, 能够真正实现100%同步紧固, 使紧固一步到位, 准确控制留存预紧力。
使用一个液压扳手紧固、使用50%液压拉伸器紧固及使用100%液压拉伸器同步紧固三种不同方式紧固后, 各个螺栓留存预预紧紧力力分分布布情情况况见见图图11。。
由图1可知, 若想使法兰连接系的每条螺栓能达到设计载荷, 且且平平均均分分布布, , 从从而而保保证证垫垫片片的的平平行行密密封封, , 系系统统的的零零泄泄露露运运行, 使用同步液压拉伸器是最佳选择!
*以上数据由惠炼一期拉伸器制造厂家北京科路工业装备有限公司提供。
在紧固螺栓的工作完成之后, 留存在法兰连接系统中的载荷是看不见摸不着, 非常难以测量及量化的一个参数。那么紧固后的每条螺栓是否能达到额定载荷, 法兰连接系统能否在气密性测试中一次性通过, 能否在日后的生产运营中零泄露运行呢?紧固螺栓之后的螺栓留存载荷检测就变得非常重要。
因为液压拉伸器的工作原理, 是利用纯粹轴向拉伸力拉伸螺栓, 在弹性范围内对螺栓进行加载, 所以利用液压拉伸器对紧固后的螺栓进行反向拆松, 可通过液压系统的压力值, 计算出螺栓留存载荷, 这是其他紧固工具无法做到的。
计算公式:
式中:FN——单个螺栓留存栽荷 (N) ;
P——液压系统压力值 (Pa) ;
A——所使用液压拉伸器截面积 (mm2) 。
在完成紧固的螺栓上, 按照标准作业流程中的规范中, 选定需检测螺栓, 安装液压拉伸器系统。
液压泵缓慢升压, 同时另一操作者用手拨动拉伸器拨盘。
当拉伸器拨盘拨松螺母的时候, 停止液压泵升压, 并记录下此刻压力值。
根据上述计算公式, 可直接计算出螺栓留存载荷。
压力容器的法兰系统螺栓紧固, 是一个复杂且精细的工作, 选择一个好的工具进行紧固, 是保证压力容器正常运行的第一步, 也是最基础的一步。液压拉伸器, 尤其是多个拉伸器同步紧固的使用, 是压力容器的法兰系统紧固的最佳选择。
摘要：本文从ASME及DIN标准和规范入手, 列举了压力容器法兰紧固的不同紧固方式, 分析了各种紧固方式的优劣势。期望压力容器的管理者及施工者能正确对待压力容器法兰紧固工程, 进一步提高压力容器关键连接紧固质量, 提高设备关键连接的使用寿命和安全性。
关键词：法兰,螺栓,压力容器,关键连接,液压拉伸器,同步紧固
[1] 沈铁, 陆晓峰.高温法兰连接系统的失效分析[J].润滑与密封, 2006, 176 (4) :163-166.
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