优化法兰螺栓紧固方法促进挥发性有机物减排

张绍良， 王剑波

(1.中海油惠州石化有限公司， 广东 惠州 516086； 2.凯特克集团有限公司， 上海 200063)

随着石化装置的大型化，泄漏问题越来越引起人们的重视。泄漏不仅造成物料的损失、环境的污染，还可能导致人身和装置安全事故。由腐蚀引发的挥发性有机化合物( VOCs)泄漏多为偶发，主要发生在石化装置设备、管阀件及法兰等部位。VOCs作为石化企业生产过程的特征污染物，其主要的排放源为无组织排放。自2014-12环保部发布《石化企业挥发性有机物综合整治方案》(环发[2014]117号)[1]以来，如何减少VOCs的排放达到减排目标，成为企业普遍关注的问题[2]。

针对石化企业的无规律泄漏现状，国外通常采取的措施是从排放源入手减少泄漏，即对设备可能的泄漏排放点进行直接检测然后实施修复，即泄漏检测修复(LDAR, Leak Detection And Repair)技术[2-3]。此技术的实施效果与采用的泄漏修复方法关系极大。文中主要讨论泄漏修复过程中法兰紧固应注意的问题以及如何采用先进的、正确的紧固方法达到降低VOCs排放的目的。

1 法兰密封影响因素

压力边界条件下的法兰连接是由法兰、密封垫片和紧固件3部分构成的一个有机整体，法兰的密封性能受多种因素的影响，因此对于泄漏原因的分析也应该从这些因素入手。

1.1 主要因素

法兰的密封管理是一个系统的工程，包括了设备法兰及螺栓的力学性能、密封面的精度和形式、垫片的质量和性能以及设备在操作运行条件下的螺栓预紧力等因素，任何一个环节的疏忽都可能成为设备可靠运行的潜在风险[4]。设备法兰及螺栓的力学性能主要考虑材料的选择、法兰结构设计的刚度及密封面的表面精度要求。密封垫片的选择主要在设计阶段考虑，现场施工需要严格监管，确保实际情况与设计一致。

设备操作运行条件下螺栓预紧力是影响法兰密封的最重要因素，螺栓通过不同的紧固手段被拉长后产生的回弹力将法兰面以及其中的密封垫片夹紧。如果螺栓预紧力不够均匀或不够精确就会造成密封面在整个圆周上受到的压紧力不均匀，从而形成潜在的泄漏风险。为了保证在法兰紧固完成之后尽可能地消除潜在的泄漏风险，就应该从大修拆开法兰的那一刻开始到大修完成试压为止，从以上各个方面进行质量管控，在实施法兰紧固的过程中对每个环节进行精细化管理，否则就有可能埋下泄漏的隐患。

1.2 关键因素

密封垫片在组成法兰连接的3个重要部件(法兰、紧固件和密封垫片)中强度最弱，因此在确认法兰连接的强度是否足以保证被其封闭在装置内部的介质不会泄漏的过程中，考证密封垫片是否在正常的工作范围至关重要。

密封垫片有2个重要的参数，即垫片比压力y和垫片系数m，分别代表了密封垫片在预紧工况下形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，以及在工作条件下承受一定内压力时垫片的有效紧固力必须超过管系操作压力的m倍[5]。因此保证装置能长期稳定运行的关键就在于在整个运行期间内作用在密封垫上整个圆周上的压紧应力均匀、持续、有效。

螺栓预紧力、密封效果、垫片应力之间存在一定逻辑关系。作用在螺栓上的预紧力通过法兰压紧密封垫片，在密封垫片表面形成的垫片压应力大于垫片所需的最小密封压力时，垫片才能产生密封效果。当垫片压应力小于该值时密封垫片表面与所接触的法兰表面之间一些微观不平整仍然存在，当设备运行时自然就会发生泄漏。而当密封垫片表面承受的压应力大于密封垫片所能承受的最大压溃应力，或者螺栓紧固产生的螺栓预紧力超过螺栓的屈服强度或法兰的刚度时，就会造成密封垫片的压溃，或螺栓失效、法兰变形，这些因素也会造成法兰泄漏。

因此，保证法兰连接正常工作的压应力存在一个区间值，只有随时保证密封垫片的压应力始终处于该区间，才能保证法兰连接正常工作。值得注意的是当介质温度变化或环境变化时，实际螺栓预紧力也随着变化，螺栓预紧力在密封垫片上形成的压紧应力要保证在无泄漏范围。

2 法兰紧固方法[4，6-7]

2.1 传统方法

目前常用的紧固方法有扭矩法和拉伸法2种，扭矩法通常是使用液压扳手在螺母上施加一个转动力，将螺母不断向下旋，让螺栓杆向上被拉伸。拉伸法又分为直接拉伸法和间接拉伸法2种。

直接拉伸法通常是使用液压螺栓拉伸器，将油缸通过螺纹套与螺栓杆结合，当液压油缸活塞在高压液压力作用下向上顶升的时候直接拉伸螺栓杆,然后通过拨动螺母转动一定的角度使螺栓的拉伸量保持住。间接拉伸法是一种使用超级螺母的紧固方法，超级螺母实物和紧固图见图1。通常是使用超级螺母将大螺栓的紧固转化为小螺钉的紧固，超级螺母中间的螺纹与螺栓杆螺纹相互配合，通过手动力矩扳手不断向下旋转周围一圈的小螺栓，从而达到拉伸大螺栓的目的。

图1 超级螺母实物及其紧固图

从经济实用性性、技术精确性、简单便捷性、辅助工具的使用及其影响等方面对比扭矩法、直接拉伸法和间接拉伸法3种法兰紧固方法的特点，其优缺点见表1。

表1 不同法兰紧固方法优缺点对照

图2 液压扳手工作示图

图3 螺纹在液压扳手反作用力支点引起的偏载下形成螺纹咬牙现象

2.2 扭矩拉伸紧固法

扭矩拉伸紧固法是在扭矩紧固法和拉伸紧固法的基础上，择其优点去其缺点优化得到的新型紧固方法。扭矩紧固法最大的缺点在于外部反作用力支点导致偏载，产生一些额外的不可预测的摩擦力。拉伸紧固法最大的缺点在于超拉和人工拨动螺母。扭矩拉伸紧固法使用时需结合反作用力垫圈或机械式拉伸螺母。

2.2.1 带反作用力垫圈

反作用力垫圈实物见图4。在紧固时，使用这种六角形垫圈替换普通螺母下面的平垫，其呈滚花状的粗糙表面与法兰配合，另一侧硬度较高的光滑表面与螺母接触，中间的两牙压配螺纹环可保证该垫圈的六角与其上方的普通螺母的六角保持在同一中心上。

图4 反作用力垫圈

紧固时还需要一个专用的双层驱动套筒，见图5。外层套筒与紧固的扭力工具相配合，将扭矩工具在施加作用力时产生的反作用力通过该外层套筒传递到螺母下方的反作用力垫圈上，这样就不需要额外寻找其他反作用力支点。内层六角套筒与传统扭力工具的作用方式相同，上部与扭矩工具的方头驱动相配合，下部内六角的中心孔罩在螺母上，内层六角套筒在扭矩工具、方头驱动的作用下带动螺母向下旋转。

图5 反作用垫圈双层驱动紧固结构示图

此时，作用力在内层套筒上不断将螺母转动，使其沿着螺栓杆的螺旋线向下移动，反作用力作用在螺母下方的六角垫圈上。因为垫圈底部粗糙结合面的摩擦力远大于在作用力带动下螺母与垫圈上部光滑结合面的摩擦力，因此在紧固过程中转动只会发生在螺母与垫圈的结合处，而反作用力垫圈与法兰面则一直保持着紧密的结合，也不会发生转动。在螺母沿着螺栓杆的螺纹向下转动的同时，螺栓杆就被拉伸。

反作用力垫圈完成紧固示意图见图6。

图6 反作用力垫圈完成紧固示图

相比传统的扭矩紧固法，带反作用力垫圈的扭矩拉伸紧固法同样需要控制紧固螺母的扭矩，但却没有外部的反作用力支点，因此紧固时不会有额外的偏载力施加在螺栓杆末端，也不会产生多余的弯曲力和摩擦力。同时，反作用力垫圈上表面最高达38 HRC的表面硬度也使得螺母的转动摩擦力大幅减小。

相比传统的拉伸紧固法，带反作用力垫圈的扭矩拉伸紧固法在拉伸螺栓时不需要对螺栓进行超拉，不需要人为拨动螺母。将原来螺母下面使用的平垫更换成反作用力垫圈，通过简单改变紧固的方式，即可对传统的螺栓紧固进行优化。优化后的法兰螺栓不会再因为偏载而有咬牙的风险，紧固过程中的施工方式与以前相差无几，但不需要再费力寻找额外的反作用支点，不需要液压扳手的反作用力臂，不需要超拉螺栓，不需要人为干预紧固过程。更加重要的是，螺栓紧固过程中克服的摩擦力由不确定变成了可控，通过控制转动的摩擦力，就可以精确预测紧固完成后的螺栓预紧力。该紧固方式紧固完成后的螺栓预紧力精度可达±(5%～10%)，既能快速实施、保证载荷精度又能提升施工安全，是目前先进的紧固方法[8-9]。

2.2.2 带机械式拉伸螺母

机械式拉伸螺母分为内外两层结构(图7)，内层螺纹套与螺栓杆相连接，外层转动套向下旋转时，反作用力支点通过特殊的驱动器被转移到内层螺纹套的顶部，使作用力矩与反作用力矩沿着螺栓的同一个轴线，达到不需要任何侧向反作用力支点直接拉伸螺栓的目的。机械式拉伸螺母结构和装配示意见图7。

图7 机械式拉伸螺母结构及装配实物

机械式拉伸螺母在紧固过程中自身形成一个完整的力循环，无需借助外部的反作用力支点，不需要超拉。由于没有偏载，不同的螺栓紧固时所克服的摩擦力几乎一致。与传统的扭矩紧固方式相比，在相同的施力情况下可以得到更大的预紧力，并且精确度高于±4%[8]。同时由于转动只发生在内外套之间，内螺纹套与螺栓杆的螺纹之间没有相对运动，因此螺栓杆的螺牙可以受到保护。外层转动套向下转动时底面与机械式拉伸螺母的另一个部件——花键垫圈发生相对转动，而花键垫圈是一个整体硬化的部件，表面摩擦力很小，从而保证机械式拉伸螺母整体与法兰面之间也不存在任何转动，保护设备的法兰面不受损坏。机械式拉伸螺母的外套转动时，虽然作用力矩同样采样扭矩作为控制值，但螺栓不受任何的扭转力，只会发生轴向的拉伸变形，从而达到拉伸螺栓的目的。

3 法兰紧固方法选择要点

法兰紧固的方法多种多样，每种方法各有优缺点，在提供便利的紧固手段时也伴生一些潜在的不可控因素[4]。但最终的控制目标都应该是螺栓通过夹紧法兰的方式施加在密封垫上的压紧力，即螺栓的存留预紧力，正是这个螺栓预紧力作用在密封垫片上使密封垫片产生密封的效果。因此对于紧固方法的选择，应考虑如何能快速、精确地获得更高的螺栓存留预紧力精度。

根据设备的重要程度、介质的危害程度、设备失效可能产生的影响程度等将设备法兰分成不同的风险等级，对不同风险等级法兰采取不同的紧固方法：①对于高温、高压、临氢、热油、有毒害介质等高风险的装置法兰，应采用能直接控制螺栓存留预紧力的紧固方法，最大限度控制螺栓的载荷精度误差。②对于危险程度不高，但又相对重要的中风险装置法兰，可以采取间接控制螺栓预紧力的紧固方法，比如扭矩法或拉伸法。③除以上2类以外的其它低风险法兰，则可以采用普通的手动紧固方法。

4 案例分析

4.1 泄漏概况

某石化厂150万t/a连续重整装置反应器封头(2个反应器封头法兰，编号分别为DC203201和DC203203)实物见图8。设计之初为了预防法兰泄漏，在法兰的每个螺栓两端均安装了1个碟簧，预期碟簧储存一定的弹性势能，以备在温度变化及密封垫片受压后对螺栓的预紧力给予一定的补偿。

该反应器工作介质为易燃、易爆的氢气和油气，最高工作温度550/400 ℃，设计温度550/400 ℃，最高工作压力0.59/-0.1 MPa，设计压力0.77/-0.1 MPa，实际操作温度523 ℃，实际操作压力0.3 MPa。法兰规格DN2 000 mm，材料12CrMo(IV)。双头螺杆规格 M42×3×470，材质SA-193 B16(材料性能相当于42CrMoV)，数量72个。六角螺母M42×3，材料SA-194Cr.3，数量144个。

装置投产半年左右，在一次下大雨时反应器顶封头法兰发生泄漏着火，经拆去保温层并将螺栓热紧后，明显的泄漏得到有效控制，但反应器顶封头法兰附近油气味仍然很重，说明泄漏现象并没有完全消除。为了保证生产，一方面在生产中用隋性气体对反应器法兰附近的空气进行稀释，另一方面配备2台消防车随时待命，以防万一。

图8 连续重整装置反应器封头

4.2 泄漏分析[6，10]

对拆下来的双金属自密封波齿石墨复合垫片及法兰面的检测结果进行分析，泄漏的原因主要在于：① 长期的温度变化引起螺栓载荷的损失。②长期处于500 ℃左右的高温环境加速了石墨复合垫片中的密封填料氧化烧失，导致垫密封性能变差。③法兰紧固方法无法精确控制螺栓的紧固力，施加的紧固力不足，为密封垫片留下的可运行空间太小，造成密封垫片压应力不足以维持长周期的可靠运行。④下雨时法兰的温度降低，而螺栓孔内的螺栓温度却几乎不变，形成法兰降温发生收缩而螺栓仍然保持受热膨胀状态，螺栓在弹性力作用下就会发生回缩，螺栓伸长量减小，因而造成螺栓载荷逐渐降低，低至该波齿密封垫片在这种操作压力情况下所必须的最小螺栓压紧力时，法兰就发生泄漏。

通常，受温度影响的法兰会在装置正常运行一段时间以后才会发生泄漏，主要存在两方面原因，①密封垫片本身的应力松弛现象需要一定的时间才会表现出来。当施加螺栓载荷时，作用在密封垫片的压紧力会使垫片变薄，运行一段时间以后，垫片的厚度会继续减小，垫片的应力也会逐渐减小，这种现象称为应力松弛。②装置在长期运行中，温度引起的金属材料热胀冷缩在法兰和螺栓上产生不同的膨胀结果，温度的交替变化对于螺栓载荷的影响不断累加，只有当螺栓载荷低于密封垫片所需的最小密封比压时，法兰才会发生泄漏。随着温度的变化，螺栓预紧力在不断发生变化，如果预留给密封垫片的安全运行应力区间越大，则装置正常运行的时间越长，反之则可能很快发生泄漏。可见，温度变化引起的螺栓载荷变化，对于装置安全长周期运行的影响至关重要。

4.3 泄漏处理

通过调研，将原来的双金属自密封波齿石墨复合垫片更换为由美国进口的缠革(CHANGE)垫片，对2个系列反应器封头法兰分别采用2种不同的紧固方式。

对DC203201法兰采用间接拉伸法进行紧固，将所有螺母更换为超级螺母，采用手动力矩扳手进行紧固，见图9。

图9 使用超级螺母紧固的法兰

对DC203203法兰采用扭矩拉伸法进行紧固，在每个普通六角螺母下面安装一个反作用力垫圈，采用液压机具对螺栓进行扭矩拉伸紧固，见图10。

图10 使用反作用力垫圈紧固的法兰

2台反应器法兰紧固完成后均试压合格，开始投料生产。设备运行半年以后分别对2台反应器法兰进行VOCs检测，结果是采用超级螺母紧固的DC203201法兰泄漏量为1 140×10-6，不符合标准规定小于500×10-6的要求。而采用反作用垫圈紧固的DC203203法兰泄漏量为70.7×10-6，符合标准要求[11]。由此可见，扭矩拉伸紧固法实施的风险比较低，只需要将原来安装平垫片的位置用反作用力垫圈替换即可，但取得的泄漏治理效果却相对明显。

5 结语

石油化工企业设备管理，不仅要对装置进行分类，还要对不同位置的法兰进行分级管理，按照装置法兰的关键程度选用不同的紧固方法。LDAR检测修复技术结合扭矩拉抻法密封面法兰螺栓紧固方式，可有效降低石化企业的VOCs排放。扭矩拉抻紧固法消除了普通扭矩紧固因为反作用力臂而产生的偏载力，以及由此引起的不可控摩擦力，同时消除了人为影响和其它不确定因素，具有更高的螺栓载荷均匀度。采用扭矩拉伸紧因法明确设备升温后螺栓载荷会降低到何程度，可以在紧固时就预留更大的空间，保证设备在运行期间密封垫片上的压紧力不会降低到最小密封比压以下，使设备能长期无泄漏稳定运行。