一种可以消除火电厂法兰泄漏和螺栓松动的螺栓紧固技术

电力企业的承压设备和管道内充满了高温、高压的水和蒸汽及可燃的氢气和润滑油。设备的法兰一旦发生泄漏，可能引发爆炸、火灾、人员伤亡、设备损坏等各类严重后果，给国民经济和人民的生命财产带来极大的危害。为了安装和检修的需要，在电力企业的设备上有无数的法兰使用了螺栓连接方式。

一种可以消除火电厂法兰泄漏和螺栓松动的螺栓紧固技术

中国电力设备管理协会高级专家、教授级高级工程师 宓正源

众所周知，电力企业的承压设备和管道内充满了高温、高压的水和蒸汽及可燃的氢气和润滑油。设备的法兰一旦发生泄漏，可能引发爆炸、火灾、人员伤亡、设备损坏等各类严重后果，给国民经济和人民的生命财产带来极大的危害。相信每个从事电力设备运行和维护的工作人员，都有切身的体会。

据英国UKOOA（英国海洋作业者协会，U.K.Offshore Operators' Association)统计，100起法兰泄漏的事故中有81%的泄漏是由于不正确的螺栓载荷即预紧力不当造成的。为了安装和检修的需要，在电力企业的设备上有无数的法兰使用了螺栓连接方式。

螺栓连接的法兰两侧有些是价格高昂的设备。国家和企业对法兰两侧的焊缝质量是非常重视的，往往要花费大量的投入来培训焊工，重要设备的焊缝要由经过培训的高级焊工，持证上岗进行焊接，还要进行热处理，并对焊缝进行100%探伤检查，对不合格的焊缝要进行挖补处理。

可是，在我国的电力行业乃至全国的工业界，人们对螺栓的认识，就没有像对焊缝那样重视，只知道把螺母紧到紧不动就好了。殊不知，传统的紧固方法就是造成法兰泄漏的根本原因。

为什么传统的紧固方法就是造成法兰泄漏的根本原因？

传统紧固螺栓的方法是：对小的螺栓，可用活扳手、套筒扳手紧固。对大尺寸螺栓，要用加长力臂的套筒扳手紧固，有人干脆用大锤敲击套筒扳手来紧固螺栓。后来用气动、电动、液压扳手、液压拉伸器来紧固螺栓。

对一些特别大的汽缸法兰螺栓，则只有通过螺栓的中心孔加热，使螺栓伸长后再紧固螺母，等螺栓冷却后收缩，来达到紧固目的。

用手动方法紧固时，只能以扳手转不动螺母、大锤敲不动扳手为止，和施工者的力气有关，紧固后谁也不知道螺栓的预紧力是多少。气动、电动工具紧固后也一样。

用传统液压扳手紧固螺栓时，虽然可以设定转动螺栓的扭矩，但必须要有一个反作用力臂来平衡驱动力，否则机具就原地打转了。根据力矩平移定律，此时液压扳手的效果等效于一个力偶加上一个与此力偶垂直的侧向力。由于螺栓和螺母之间的螺纹为面接触，有间隙，此侧向力将螺纹之间的面接触改变成线接触，大大增加了螺纹之间的摩擦系数，随着正压力的增加，摩擦阻力也在增加。而随着反作用力臂支点的变化，一方面会使螺纹之间线接触的角度发生变化，从而引起摩擦系数发生变化。另一方面会使侧向力的大小相差很大，导致每条螺栓在紧固时产生的实际摩擦阻力会相差很大。

虽然传统液压扳手给每条螺栓都提供了相似的紧固力矩，但是在克服了未知、而且不同的摩擦阻力后，剩余的力矩才能转化成预紧力，所以每条螺栓的预紧力数值也不同，而且还是个未知数。当然，如果要做试验，在螺母下面安装了测量元件，还是可以测量到该螺栓的预紧力的。

图为带反作用力臂液压扳手

至于液压螺栓拉伸器，不但要对螺栓产生过度拉伸，而且拉伸器紧固后的螺栓预紧力的精度更低。据BASF（德国巴斯夫实验室）对用液压扳手和液压拉伸器紧固后的螺栓的预紧力进行检测，预紧力精度分别为±15%和±51%。

目前电厂普遍使用加热的方法让大直径的螺栓伸长，达到预定的温度后，转动螺母一个角度，等温度降低后获得预紧力。当然，这种方法也无法得知实际的预紧力值，而且每次加热螺栓都很费时间。

可见，用传统的方法紧固螺栓后，螺栓的预紧力大小是个未知数，而螺栓预紧力的大小以及偏差的大小，决定了法兰是否会发生泄露。

对发电厂的法兰而言，有些是弹性法兰（法兰间带弹性密封垫圈），如果螺栓的初始预紧力不够高，在温度升高时，由于螺栓的温度低于法兰，所以螺栓被拉伸，预紧力会比初始值要增大，弹性密封垫被进一步压缩。当螺栓的温度也随之升高接近法兰温度时，由于密封垫不能回弹到初始位置，螺栓的预紧力会丢失一点。当法兰的温度跟随内部工质下降时，虽然螺栓的温度也下降，但是要高于法兰的温度，此时螺栓的预紧力又要丢失一点。对于温度、压力频繁变化的法兰而言，螺栓的预紧力是不断减少的。因为法兰上螺栓的初始预紧力值偏差较大，只要当法兰上某条螺栓的预紧力低于法兰内部的压力时，内部的工质就会冲破密封垫的约束，向外泄漏。一旦泄漏的介质破坏了密封垫和法兰，即使再紧固螺栓也无济于事了。只能采用带压堵漏，或用氮气将可燃气体稀释，以防止火灾，等待下一次检修时，停机处理。当然，初始预紧力也不能过大，否则，压溃了弹性密封垫圈，开机就泄漏了。

发电设备上的法兰不发生泄漏的条件：

首先，紧固前要保证两个法兰面平行、无位差，密封面、密封垫和螺栓的质量合格。其中，密封垫的质量至关重要，据调查，国内有300多家密封垫圈生产厂家，但是，真正能够经得起质量检测的厂家寥寥无几，这也是为什么法兰运行一段时间就漏了，检修时打开法兰，发现缠绕垫圈都散架了。这是由于制造垫圈的技术太专业了，容易被非专业的技术人员所忽视，看似不错的垫圈由于制造工艺和材料的质量不好而成为泄漏的原因之一。现在，苏州有一家专门生产垫圈的外资厂家：福来西密封技术（苏州）有限公司，该公司100多年前发明了世上第一片缠绕垫圈，一直以生产全球最高质量的垫圈为主要产品，以前生产的产品90%出口到美国、加拿大、澳大利亚，现在新建了厂房，扩大了产能，可以向国内供货。他们的专业人员可根据设备不同的工况和部位，帮助用户选择合适的量产系列垫圈或量身定做垫圈，配合正确的螺栓紧固技术，就可保证火电厂的高温、高压法兰达到不泄漏的要求。

其次，正确的螺栓紧固技术，就是要加大法兰上这一圈螺栓的预紧力，要保证预紧力接近但要小于密封垫的压溃值（好的垫圈这个值越高，回弹性也越高），并控制每一条螺栓的预紧力的偏差要小于±10%以下。

第三，为使法兰平行闭合，最少要同时紧固4条螺栓。

还有一点需要注意，要由经过培训的专业人员操纵机具，按规定的工艺进行紧固工作。要认真检查、清洁和润滑拆下来的螺栓和螺母，如果发现有螺牙损坏，或螺栓有裂纹，就要用同一厂家、同一批号新的螺栓和螺母更换此法兰上的所有螺栓，不能新旧螺栓混合使用。

如何才能控制螺栓的预紧力？

如果在紧固螺栓时没有附加的力偶（侧向力）作用到螺母上，就像用两个手指拧动螺母，此时摩擦副的螺纹之间是面接触，只要控制好螺纹之间、螺母和垫圈之间接触面的加工精度，以及保持摩擦副的润滑条件一致，在紧固螺栓时就可以获得大致相同的摩擦力，相同的驱动力减去大致相同的摩擦力，就可获得较为精确的螺栓预紧力。

美国HYTORC公司在1968年发明了世界上第一部带反作用力臂的液压扳手，因为这一发明，为世人提供了能够紧固大尺寸螺栓的机具，帮助工人扔掉了大锤。现在工业界使用的液压扳手都是这种技术的翻版。

但是，这个反作用力臂也带来了巨大的负面的影响，如：谁也不知道，紧固后的螺栓实际的预紧力是多少？由于反作用力臂在紧固螺栓时，给螺栓施加了一个巨大的侧向力，这个侧向力和反作用力臂的长度有关，往往在几吨的数量级。这么大的力作用到一个小小的螺拴上，一方面会产生巨大的摩擦力，会大量消耗液压扳手的驱动力，使螺栓的预紧力达不到预定的值；另一方面容易夹伤操作人员的手指，还会损坏液压扳手的外壳和螺栓的螺牙，使螺栓在检修时很难拆卸，不得已时要动用气割破拆。

为取消反作用力臂，HYTORC公司在1990年首次推出了一项无反作用力臂紧固螺栓的专利技术：用一个自带反作用力臂的CLAMP拉伸螺母（见下图:由内套筒1、外套筒2和垫圈3组成）代替常规螺母。

其工作原理是：内套筒1的内壁有细牙阴螺纹，和螺栓的螺纹啮合，其外壁有梯形的阳螺纹和外套筒2的阴螺纹啮合。当机具顺时针转动外套筒2时，使内套筒1得到一个向上的力，在提升套筒1时，因为内套筒的细螺纹和螺栓的细螺纹啮合，就把提升力传递到螺栓，于是螺栓也被提升，这个力垂直向上，没有偏载，同时对外套筒2有一个垂直向下的力，该力作用到垫圈3上，并通过该垫圈作用到法兰面。转动外套筒2产生的反作用力矩，通过外套筒2传递到机具上，机具的外壳和内套筒1 上部的键槽啮合，而内套筒1下端外侧有齿形键插入垫圈3内壁的齿形键槽中，是可以垂直移动而不能转动的，从而巧妙地平衡了反作用力矩。

CLAMP拉伸螺母就这样取消了传统的反作用力臂。

由于在拉伸螺母内部控制了所有相对运动部件的摩擦力，使各条螺栓产生的摩擦阻力相对一致。由液压机具产生（相对一致）的扭矩，减去了螺栓（相对一致）的摩擦力后，所剩的扭矩也相对一致，所剩扭矩转变成螺栓的预紧力也相对一致了。用这种方法紧固的螺栓，其预紧力的精度经BASF（德国巴斯夫实验室）测试，为±4%，在实际应用时，取±5%。

这一技术可以精确控制螺栓预紧力的大小和偏差，可以满足电力企业的特殊工况需求。如：

一、可以对火电、核电（汽机内、外缸法兰）、水电（水轮机对轮）的大直径螺栓进行冷紧、冷松施工，不但能保证预紧力的值和精度，还因为取消了加热螺栓的过程，可缩短1-2天检修工期。这1-2天发电量的价值差不多可抵消购买拉伸螺母的费用。

图为液压拉伸器

拉伸螺栓时

拉力卸载后

因为内套筒的细牙纹和螺栓的细牙纹连接，且没有相对位移，螺栓的每一圈细牙纹都分担了内套筒巨大的提升力，所以螺栓的每一圈细牙纹都是安全的。外套筒和内套筒之间是通过梯形螺牙纹啮合，通过梯形螺牙纹可以产生巨大的提升力提升内套筒，因此，在常温下转动外套筒就可提升内套筒，内套筒的螺纹和螺栓螺纹连接，随着内套筒的提升，将螺栓拉伸到需要的预紧力。

CLAMP拉伸螺母和驱动机具照片

CLAMP拉伸螺母结构图

二、高压缸主蒸汽调速导管法兰、中压缸再热汽进导管法兰、主汽门、调速汽门、高压旁路阀盖通常采用耐高温的合金钢双头螺栓连接，采用拉伸螺母代替常规的螺帽后，由于CLAMP拉伸螺母的内套筒和螺栓的细螺牙在紧固时没有相对位移，螺栓的细螺牙没受损伤，只要按规定涂抹合格的螺纹润滑剂及控制好螺纹副之间的间隙，在大修时就可轻松拆下。而用传统液压扳手紧固时，靠近螺母底部的3-4圈螺牙受力最大，尤其是用大锤敲击的方式紧固调主汽门的合金钢螺栓后，由于巨大的侧向力，有些螺栓的螺牙已经变形损坏。所以，拆卸时再用大锤敲下去，有的螺栓就齐根断了。需要在断的螺栓上钻孔，用火把切割，取出断的螺栓后再用丝锥套扣，还要配新的螺栓，过程非常费时、费力又费钱。干过这项工作的人员一定深有体会。

三、低压缸导汽管法兰，低压内、外缸法兰，发电机端盖，高压给水泵端盖，高压加热器端盖、人孔门，高排逆止阀，高压给水截止阀、调节阀、逆止阀盖，中-低压、低压-发电机转子联轴节的螺栓及各种转动机械容易发生松动的地脚螺栓，采用拉伸螺母紧固可保证每条螺栓有足够精确的预紧力，可防止泄漏和松动。

四、高压抗燃液系统的法兰泄漏，会污染设备并粘上灰尘，另外也污染车间的空气，而润滑油系统法兰的泄漏可能会引起火灾。消除这类泄漏，除了注意螺栓紧固的顺序及预紧力的大小、预紧力的精度以外，还要注意密封垫片及涂料的质量和选型。可以咨询凯特克和福来西的专业人员，采用正确的紧固方法和选用合适的垫片来解决。

用新的CLAMP拉伸螺母和福来西高质量的垫圈，就可以解决电厂的泄漏问题。有需要特殊密封垫圈的单位可联系福来西密封技术（苏州）有限公司，项目和市场经理黄娟电话：18550367202，也可以到福来西的工厂参观，亲自见证世界顶级垫圈制造的过程和试验装置。