顶推螺母组件在气化炉上的应用

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(1.内蒙古汇能煤化工有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.江苏格纳特连接系统有限公司， 江苏 南京 211505)

顶推螺母组件在气化炉上的应用

祁晓辉1，张林2

(1.内蒙古汇能煤化工有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.江苏格纳特连接系统有限公司， 江苏 南京 211505)

气化炉是煤气化装置的核心设备之一，其顶部安装的工艺烧嘴因使用寿命短，需要定期进行检修更换，而经常拆装连接法兰容易发生泄漏，给生产及环境带来严重的安全隐患。对江苏格纳特公司专利产品——顶推螺母组件应用在气化炉与工艺烧嘴连接的法兰上进行了简单介绍，并依据GB 150.1～150.4—2011《压力容器》计算了螺栓预紧力及顶推螺钉的预紧扭矩。在与普通六角螺母预紧方法进行对比的基础上，详述了此螺母组件的安装、拆卸过程。经过一年多的现场试用，效果比较显著，泄漏问题得到了有效解决。

煤气化装置； 顶推螺母组件； 预紧力； 工艺烧嘴法兰； 泄漏； 应用

气化炉工艺烧嘴是水煤浆加压气化工艺中的重要部件之一，其主要作用是将高压水煤浆和氧气进行混合雾化后送入气化炉，在6.5 MPa、1 300 ℃下进行燃烧反应[1]。工艺烧嘴由于受到煤桨的冲刷和高温的炙烤，使用寿命比较短，一般2～3月就需要进行维修或更换，如装置遇到异常跳车，更换频率也会由此增加。

工艺烧嘴频繁的更换则要求烧嘴与气化炉的法兰连接接头便于拆装，而气化炉内的易燃、易爆、有毒气体及高温、高压环境对烧嘴法兰的密封性又提出了较高的要求[2]。因此，在安装此连接法兰时，必须保证螺栓具有足够的、精准的以及分布均匀的预紧力，才能防止此螺栓在高温和载荷波动情况下尽可能不发生松动。然而，对于大规格螺栓，常用的预紧方法如锤击、加热、液压扳手及液压拉伸等，不但费时、费力且预紧力难以精确控制[3, 4]。此外，螺栓在螺纹牙根处的几何不连续性而形成的应力阶差、上螺纹牙根部圆角较小易造成螺纹根部应力集中，这些因素都会降低螺纹紧固件的使用寿命，也易使螺纹紧固件发生咬死导致其拆卸困难，增加运行维护成本[5, 6]。江苏格纳特公司的专利产品——顶推螺母组件为解决上述问题提出了新的思路，文中对此进行了简单介绍[7]。

1 顶推螺母组件简介

顶推螺母组件主要是由圆螺母、若干个均布于圆螺母上的顶推螺钉以及硬质平垫组成，见图1。

1.上法兰 2.顶推螺钉 3.圆螺母 4.硬质垫片 5.下法兰 6.螺母 7.双头螺柱(主螺栓) 8.密封垫片图1 顶推螺母组件结构及工作原理示图

圆螺母与主螺栓或双头螺柱通过螺纹连接，顶推螺钉施加在圆螺母上的扭矩转化为顶推力直接作用于硬质平垫上。硬质平垫将顶推力传递到工件表面，达到紧固作用，同时硬质平垫还对连接件表面起保护作用。

由力的合成与分解原理可知，顶推螺母组件把拧紧主螺栓所需的合力分解成多个顶推螺钉上的分力，产生多个顶推力来达到预紧效果。使用时，顶推螺钉通过圆螺母传递力并拉紧主螺栓，多个顶推螺钉的推力与主螺栓产生的反作用力相互作用，产生巨大的夹紧力，使上、下法兰被牢牢紧固。

2 气化炉烧嘴法兰连接螺栓预紧力计算

2.1已知参数

气化炉烧嘴法兰(简称烧嘴法兰)设计压力6.5 MPa，设计温度1 350 ℃，选用ASME B16.5—2013《Pipe Flanges and Flanged Fittings(管法兰和法兰管件)》[8]中规格为DN450、Class 900的带颈平焊法兰，材质SA387，密封面形式为环连接面(RJ)。

椭圆垫片的材质为304不锈钢，环号R70。查GB 150.3—2011《压力容器 第3部分：设计》[9]可知，椭圆垫节径P=533.4 mm，环宽w=19.05 mm，垫片系数m=6.5，垫片初始密封比压y=179.3 MPa。椭圆垫基本密封宽度b0=w/8=2.38 mm，因b0≤6.4 mm，可知垫片压紧力作用中心圆直径DG=P=533.4 mm，有效密封宽度b=b0=2.38 mm。

法兰连接螺栓材质为35CrMo，规格为M48，数量n1=20，公称直径d1=48 mm；顶推螺钉规格为M12，数量n2=8，公称直径d2=12 mm。

烧嘴法兰连接结构及几何尺寸见图2，椭圆垫尺寸参数见图3。

1.主螺栓 2.螺母 3.烧嘴法兰 4.八角垫 5.法兰盖图2 气化炉烧嘴法兰几何尺寸示图

图3 椭圆垫尺寸参数示图

2.2螺栓载荷计算[9]

预紧时，所需最小螺栓载荷Wa为：

Wa=3.14DGby

(1)

式中，DG为密封面平均直径，b为椭圆垫有效密封宽度，mm；y为垫片初始密封比压，MPa。

本例中，将b=2.38 mm、DG=533.4 mm、y=179.3 MPa代入式(1)中可得Wa=714.73 kN。

操作时，所需螺栓最小载荷Wp为：

Wp=0.785DG2pc+6.28DGbmpc

(2)

式中，pc为操作压力，MPa；m为垫片系数。

本例中，将pc=6.5 MPa、m=6.5代入式(2)中可得Wp=1 788.58 kN。

从上述计算可以看出，预紧时，法兰整体所需预紧力Wa=714.73 kN，单个主螺栓所需最小载荷为Wa/20=35.74 kN；操作时，法兰整体所需预紧力Wp=1 788.8 kN，单个主螺栓所需的最小载荷为Wp/20=89.43 kN。为保证法兰接头密封完好，不发生泄漏，取两者中的较大值，即单个主螺栓所需最小预紧载荷为89.43 kN。

上述计算得到的螺栓预紧载荷很小，根据工程实际经验，螺栓的预紧载荷通常以将预紧螺栓所需最小载荷乘以3倍的系数确定[10]，即单个螺栓所需预紧载荷在268.29 kN以上。

2.3扭矩计算

螺栓预紧力Q与扭矩M间的关系：

M=kQd

(3)

式中，k为拧紧力矩系数，一般取0.18～0.21[11]；Q为螺栓预紧力，kN；d为主螺栓公称直径，mm。

本例中，将k=0.18、Q=268.29 kN、d1=48 mm代入式(3)计算，可得所需最小扭矩Mmin=2 318.03 N·m。

3 顶推螺母组件的应用

3.1顶推螺钉的扭矩

对规格为M48的顶推螺母组件，圆螺母一周共有8-M12的顶推螺钉。为满足主螺栓的紧固需要，每个顶推螺钉需承载主螺栓预紧力的1/8，即每个顶推螺钉上的预紧力Q2=Q/8=33.54 kN。

由实验标定的顶推螺钉扭矩系数k2=0.13，将Q2=33.54 kN、d2=12 mm带入式(3)，故单个顶推螺钉所需最小扭矩M2min=52.32 N·m。

顶推螺钉所需最小扭矩仅为主螺栓所需扭矩的1/44，可见使用顶推螺母组件大大减小了螺栓安装所需载荷，降低了紧固操作的难度。顶推螺钉与普通螺母载荷对比见表1。

表1 顶推螺钉与普通螺母载荷对比

考虑到实际使用时，烧嘴法兰工作参数会发生波动。为确保法兰连接紧固可靠，根据现场操作的实际经验，取上述计算载荷的1.6倍并圆整，即扭矩扳手为每个顶推螺钉提供52.32×1.6=85 N·m的扭矩。使用顶推螺母组件预紧提供更高的有效载荷，可确保螺栓法兰密封连接的紧密性和可靠性，保证螺栓接头不发生意外松动[12]。

3.2安装与拆卸

3.2.1安装步骤

安装时，需2～4人成90°或180°同时操作，分4步完成,其安装顺序示意图见图4。

图4 顶推螺母组件安装顺序示图

步骤一：将圆螺母拧到主螺栓上，直至底部接触到硬质平垫，然后回拧1～3 mm预留间隙以便拆卸。人工拧紧所有的顶推螺钉，使主螺栓定中并消除螺纹间隙。

步骤二：使用力矩扳手以规定扭矩(本例中为85 N·m)的50%扭矩拧紧图4a、图4b中的位置1和11、位置6和16处圆螺母上的4个顶推螺钉Ⅰ和Ⅴ、Ⅲ和Ⅶ，接着按十字交叉法使用规定扭矩的100%再次拧紧这4个顶推螺钉。

取适当大小的心肌组织样本,加入适量的细胞裂解液,用匀浆机将组织样本破碎.随后置于冰上裂解样本15 min.接下来,将蛋白样品置于离心机中以12 000 r/min离心30 min后,将蛋白上清液转移至新的离心管中,加入上样缓冲液后100°C使蛋白变性,迅速放入冰中冷却,短时离心.采用标准牛血清白蛋白(albumin from bovine serum,BCA)定量方法对样本进行蛋白含量均一化后待用.细胞裂解液配方(以1 mL为例)如下:1 mL细胞裂解液,10µL磷酸酶抑制剂,10µL苯甲基磺酰氟(phenylmethanesulfonyl fluoride,PMSF).

步骤三：用力矩扳手以规定扭矩的100%扭矩依次拧紧所有的顶推螺钉。

步骤四：所有的螺钉拧紧后，需再用力矩扳手以规定预紧扭矩的100%全部检查一遍，以确保每个顶推螺钉的紧固程度达到一致。

3.2.2拆卸步骤

螺栓预紧力是由顶推螺母组件上所有顶推螺钉共同承担的。拆卸时，应避免部分顶推螺钉卸载过多而导致其余顶推螺钉承载过大现象的发生，必须采用逐步卸载法。每次每个顶推螺钉均卸松1/4圈后，才能进行第二次卸载。这一过程需重复2～3次。当顶推螺钉载荷完全卸除后，可用手卸掉圆螺母和硬质平垫即完成拆卸。

上述方法操作方便、安全可靠，预紧和拆卸过程虽然略显繁琐，但各螺钉受力一致，可避免个别顶推螺钉因过载而损坏，有效地降低主螺栓间载荷的离散程度，保证各部件受力均匀是大直径螺栓紧固的最佳方法[13]。

4 与普通螺母对比

采用锤击法预紧，即人工使用大锤敲击扳手不仅费时费力，安全风险高，而且预紧效果差，预紧力误差高达70%[14]。使用顶推螺母组件预紧时，由于顶推螺钉所需力矩较小，凭数显力矩扳手即可准确控制顶推螺钉的预紧力，降低了人工劳动强度，保证了螺栓载荷分布的均匀性，其预紧精度可达98%，增加了烧嘴法兰连接的可靠性和安全性。

顶推螺母组件采用纯张力拧紧的方式，可为螺栓提供大而准确的预紧载荷，减少了相邻紧固件间载荷的不均匀性，保证了法兰接头不会意外松动，避免了开停车过程温度、压力波动导致的法兰连接泄漏，确保气化炉设备一次开车成功。

实际经验表明，使用普通螺母进行人工紧固需要50 min才能紧固到位，人工体力耗费大，且不能完全保证不泄漏。而将顶推螺母组件应用在烧嘴法兰上，仅需20 min左右即可完成紧固，且紧固效果良好，节约了50%的装置开车时间，极大地提高了车间生产效率。

顶推螺母组件采用纯张力紧固，主螺栓第1道螺纹最大应力降低了50%，有效地解决了现场安装与拆卸过程中螺纹咬死的难题，提高了螺栓连接的疲劳寿命[15]。

顶推螺母组件采用力矩扳手，用较小的力矩进行手工预紧，彻底解决了易燃、易爆场所作业的动火安全生产隐患[16-19]。

安装顶推螺母组件后的烧嘴法兰现场示意图见图5。

图5 安装顶推螺母组件后的烧嘴法兰

5 结语

2015-05装置检修期间，将气化车间内气化炉烧嘴法兰上的普通螺母更换为顶推螺母组件，泄漏问题得到根本解决。在几次拆卸、安装、检修气化炉时均一次开车成功。即使在压力、温度发生波动的情况下，烧嘴法兰也未曾发生过泄漏，不再需要二次或多次预紧，密封效果良好，给车间安全、高效生产带来了良好的保障，具有广泛的应用和推广前景。

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(许编)

ApplicationofNutAssemblieswithJackingBoltsintheGasificationFurnace

QIXiao-hui1,ZHANGLin2

(1.Inner Mongolia Huineng Coal Chemical Industry, Ordos 017000, China; 2.Jiangsu G-bolt Co. Ltd., Nanjing 211505, China)

Gasification furnace is the core equipment of coal gasification process unit. Because it often needs to be installed and removed during periodical maintenance of nozzle, nozzle flange joint of gasification furnace is prone to leak, which usually leads to big potential safety hazard. A patented product of nut assemblies with jacking bolts is introduced, designed by Jiangsu G-bolt Co. Ltd., which is applied in the nozzle flange joint of gasification furnace for the first time. The preload and pre-tightening torque of jacking bolts are calculated based on GB 150.1～150.4—2011,PressureVessels. The installation and removal procedures of the nut assemblies are expatiated and compared with ordinary hex nuts. After a year of field trials, the leakage problem of nozzle flange joint has been thoroughly resolved.

gasification furnace; nut assemblies with jacking bolts; preload; nozzle flange; leakage; application

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.011

1000-7466(2017)04-0058-05①

2017-02-26

祁晓辉(1972-)，男，陕西渭南人，副总工程师，学士，主要从事石化设备管理。