海洋石油工程建造中螺栓紧固顺序分析

王超众，魏玉垒，高凤龙，袁林峰，董济水

（海洋石油工程（青岛）有限公司， 山东 青岛 266520）

越来越多的海洋石油工程项目要求在建造过程中进行法兰管理。据统计，由于法兰泄漏造成的经济损失每年达上亿美元。国际上专门的机构如ECITB对操作人员进行培训和认证，也有专门的标准如ASME PCC-1对法兰管理工作进行规范，目前笔者从事的涉外项目中全部要求进行法兰管理。

法兰管理工作是一项系统工程，它涉及到操作人员、技术人员、检验人员、安全人员、管理人员等，并对人员分工、培训取证、工具选择、材料检验、螺栓紧固、挂牌记录等环节提出了具体要求，每个环节都是必不可少的工序，但其中螺栓紧固的环节尤其关键，直接关系到连接点的可靠性。

本文对法兰管理以及螺栓紧固做一简要介绍，并针对螺栓紧固顺序的多种方式进行探讨，其中的经验可供同行参考。

1 法兰管理简介

法兰管理从法兰、螺栓、垫片等材料到货时开始进行，它是对材料保护、搬运、装配（拆卸）、检验、挂牌、记录等活动的总称，施工方开展工作前需编制详细的施工程序报批，施工程序一般包含以下内容：

(1)人员分工：用于定义参与本项目人员的职责分工；(2)工作流程：用于定义法兰管理工作的工作流程；(3)培训和资质要求：用于定义培训内容和人员认证要求；(4)工具设备：用于定义本项目用到的工具及适用范围；(5)安全要求：用于规定本操作需要注意的安全事项；(6)材料保存和倒运：用于规定法兰、螺栓、垫片等材料的保存和倒运要求；(7)装配（拆卸）：用于规定本项目螺栓紧固的装配过程和拆卸过程；(8)挂牌：用于规范法兰管理工作完成后的挂牌要求；(9)检验和记录：用于规定法兰管理工作完成后的检验和记录要求。

2 螺栓紧固简介

螺栓紧固的最终目标是要确保法兰连接在测试和运行期间始终无泄漏。可控的螺栓紧固方式一般有力矩紧固和拉伸紧固两种模式。力矩紧固是指采用手动力矩扳手或液压力矩扳手，以目标力矩为基础进行的一系列操作。拉伸紧固是指采用液压拉伸器以目标拉伸力为基础进行的操作。两种方式除需要提前准备好工具外，还需要事先计算目标力矩或目标拉伸力。

一般来讲，液压拉伸由于其施压过程平稳、垫片受力均匀等原因，连接点可以获得更精确的残余应力，故而其效果优于力矩方式，但限于设备昂贵、危险系数高、占用空间大等多方面原因，它无法完全取代力矩方式。在笔者从事的项目中，一般以螺栓直径为依据，对紧固方式进行区分。对于直径在1.25”及以下的螺栓，采用力矩方式紧固，对于直径超过1.25”的螺栓，采用液压拉伸方式紧固。对于力矩值超过1000N·m的螺栓，考虑采用液压力矩扳手。

图1 螺栓紧固工具

3 螺栓紧固顺序分析

3.1 力矩紧固模式

ASME PCC-1章节11.1描述了当使用单一工具时可采用的螺栓紧固顺序，目前海洋石油平台通用的力矩紧固模式一般遵循ASME PCC-1中描述的传统模式，即多步骤十字交叉法。这种方法要求首先对螺栓进行编号，然后按照一定的增量平稳施加力矩，最后达到目标力矩。图2为一幅12组螺栓的编号示意图。

图2 螺栓编号（12组螺栓）

以图2为例，由于螺栓已经按十字交叉法编号，故紧固螺栓时只需按照数字顺序从1到12依次进行紧固即可。

传统模式的螺栓紧固至少需要进行五轮。在进行第一轮紧固前，先手动拧紧所有螺栓，并检查法兰面公差是否符合要求，法兰面间隙是否均匀一致，待无问题后开始第一轮螺栓紧固。

仍以图2的12组螺栓为例，第一轮紧固以目标力矩的20%-30%依次紧固1-12组螺栓，完毕后用塞尺检查法兰面间隙是否均匀一致；第二轮以目标力矩的50%-70%依次紧固1-12组螺栓，完毕后用塞尺检查法兰面间隙是否均匀一致；第三轮以目标力矩的100%依次紧固1-12组螺栓，完毕后用塞尺检查法兰面间隙是否均匀一致；第四轮以目标力矩的100%以顺时针或逆时针方向依次紧固螺栓，直到所有螺母在该力矩下不再旋转为止。

为消除短时蠕变松弛作用，ASME PCC-1要求至少4小时后，重复第四轮的步骤，即进行第五轮操作。可见按照传统模式，一对法兰面的螺栓至少需要进行五轮操作才能完成螺栓紧固工作，如果在操作过程中发现法兰面间隙没有达到均匀一致的要求，则需额外增加操作次数。

图3 法兰面间隙检查

由于传统模式方法繁复，ASME PCC-1附件F描述了多种替代方案，当采用单一工具时，可视情况采用替代模式，替代模式也是至少五轮操作，但每轮操作的螺栓数量大为不同。传统模式要求每轮都要对所有螺栓进行紧固，以12组螺栓为例，五轮下来一共对螺栓紧固了60次。1#替代模式首轮只需对4组螺栓进行紧固（图2中1-2-3-4），第二轮紧固接下来的4组（图2中5-6-7-8），第三轮紧固剩余螺栓（图2中9-10-11-12），第四轮以十字交叉法紧固所有螺栓（图2中1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12），第五轮与传统模式一致（图2中1-8-10-4-6-12-2-7-9-3-5-11）。整个流程走下来一共对螺栓紧固了36次。

2#替代模式与1#替代模式类似，只是无需对螺栓进行编号，使得现场操作更加简洁。首轮选4组对角螺栓进行紧固，第二轮选取第一轮紧固过的螺栓的相邻螺栓进行紧固，第三轮紧固剩余螺栓，第四轮以十字交叉顺序或圆周顺序紧固所有螺栓，第五轮与传统模式一致。

3#替代模式最为简单，无论螺栓总量多少，它前三轮只紧固12点钟、6点钟、3点钟、9点钟方向4组螺栓，第四轮按照顺时针或逆时针方向紧固所有螺栓，没有第五轮。

尽管传统模式操作最为繁琐，但由于其安全系数较高，且有的替代模式只适用于部分场合，故海洋石油工程类项目依然重视传统模式。

3.2 拉伸紧固模式

与力矩紧固模式相比，拉伸紧固操作起来相对简单。一般来讲，拉伸紧固采用50%覆盖法，即每隔一个螺栓将其标记为A，另一半螺栓标记为B，一次拉伸一半数量的螺栓。

拉伸紧固可一步到位也可采用增量法。一步到位分为两轮操作，首轮以目标拉伸力紧固A螺栓，第二轮以目标拉伸力紧固B螺栓。增量法拉伸可采用如下步骤：

(1)首轮紧固以30%目标拉伸力拉伸A螺栓；(2)第二轮紧固以60%目标拉伸力拉伸B螺栓；(3)第三轮紧固以100%目标拉伸力拉伸A螺栓，然后拉伸B螺栓；(4)为消除短时蠕变松弛作用，一段时间后以100%目标拉伸力拉伸A螺栓和B螺栓。

一步到位的方法由于其没有渐变的过程，容易产生较大的应力松弛，故常用于要求不高的场合或临时紧固，要求严格的法兰节点建议使用增量法。

4 总结

法兰管理工作在海洋石油工程类项目中的重要性日益凸显，而其中最基本的环节就是螺栓紧固，本文根据实际工作经验，介绍了法兰管理和螺栓紧固工作，并针对螺栓紧固顺序的多种方式进行了分析探讨，其中的经验可供同行参考。

◆参考文献

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[2] 张翼. 金属与金属接触式垫片法兰接头预紧方法的研究[D].上海：华东理工大学，2014.

[3] 王凤超.浅析密封与螺栓紧固顺序和紧固扭矩的关系[J].石油化工设备技术，2014，(3)：50-52.

[4] ASME PCC-1，压力边界螺栓法兰连接安装指南[S].