作者：杨林 (中国石油西南油气田川东北作业分公司,四川成都　６１００５１)

出处：《化肥设计》2019年8月

 

摘要：针对化工装置原始开工和检修后开车过程中对高温管道法兰螺栓进行的“热紧”维护工作,从“热紧”的定义出发,在材质、工艺、操作、安全等多方面剖析“热紧”的必要性和弊端,得出了在一般情况下“热紧”是不必要的,反而具有一定危害性的结论。

 

    在化工装置原始开车或装置大检修后的开车过程中,当高温工艺管道升温到一定程度后,生产单位往往会组织检修、维修作业人员对管道法兰螺栓进行“热紧”工作,其目的在于消除管道法兰连接在受热状态下的松弛,以保证其静密封效果.但“热紧”是否有必要,是否能防止法兰密封面泄漏的发生,未有定论.笔者将结合规范中的要求对“热紧”原理和作用效果进行探讨.

1　规范中对“热紧”的定义和操作规定

    在施工规范SH３５０１—２００２«石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范»和国标GB５０２３５—２０１０«工业金属管道工程施工规范»中,对热态紧固的定义如下:为防止管道在工作温度下,因受热膨胀导致可拆连接处泄漏而进行的紧固操作.规范还对管道法兰螺栓“热紧”做了以下４条具体要求.

(１)热态紧固温度要求.“热紧”温度应符合表１的规定.

(２)热态紧固时间要求.“热紧”应在达到工作温度２h后进行.

(３)“热紧”时管道内部压力要求.当设计压力≤６MPa时,热紧最大内压应为０．３ MPa;当设计压力大于６MPa时,热紧最大内压应为０．５MPa.

(４)“热紧”时安全要求.应制定有保证操作人员安全的技术措施.

2　管道法兰螺栓“热紧”理由

２．１　螺栓在高温状态下应力松弛

    金属材料在高温和应力的同时作用下,其塑性变形会随着时间的增加而增加,这种现象称为金属材料的蠕变.由于蠕变的作用,螺栓在常温状态下紧固时产生的弹性变形会变成塑性变形,螺栓的弹性应力随时间的增加而减小,从而使其对法兰的紧固力减小,产生松弛现象,影响法兰密封性能.

２．２　螺栓在受热状态下膨胀

    根据热胀冷缩原理,装置开车过程中,随着工艺管道的升温升压,螺栓会由于受热膨胀伸长,从而减小对法兰的紧固力,可能会导致法兰密封面发生泄漏.

3　高温对法兰密封性能的影响

３．１　法兰螺栓应力松弛[１]

    法兰螺栓的应力松弛程度,取决于螺栓材质所具有的蠕变强度和速度.高温管道法兰螺栓的常用材质为铬钼合金钢,在高温状态下具有很好的抗蠕变性能,其蠕变速度非常缓慢.根据相关试验数据表明,其蠕变速度在几年内都不会有大的变化,在工艺管道升至正常温度２h后则更微不足道.

    在高温条件下,管道专业设计人员应该考虑到在整个操作周期内,法兰螺栓应力松弛后的剩余紧力仍能够保证法兰的密封.只要设计人员正确选用了螺栓材质,法兰螺栓的应力松弛在相当长一段时间是可以忽略不计的.如果设计选材不当,螺栓蠕变强度不够,在工艺管道升温期间就会发生明显蠕变,那么“热紧”法兰螺栓也起不了任何作用.因为螺栓“热紧”后,其还会以同样的速度继续蠕变,不能持续保证其“热紧”后所产生的预紧载荷.

３．２　螺栓受热膨胀伸长[２]

    高温管道法兰螺栓温度上升主要来源于两个方面:螺母与法兰接触部位的热传导、螺栓孔封闭区域的法兰对螺栓的对流热传导.由于法兰紧固螺栓的比表面积远大于法兰的比表面积,散热更快,因此螺栓温度会低于法兰温度.而从热膨胀角度分析,法兰膨胀量会大于螺栓膨胀量.密封垫片在受热后,也会发生轴向膨胀,综合结果就是:法兰和垫片的轴向膨胀总量应大于螺栓的膨胀量.因此,热态环境下,作用在垫片上的密封比压相对于冷态更高,从受热膨胀方面分析,高温管道法兰紧固螺栓不用进行热紧.

4　管道法兰螺栓“热紧”的危害性[3-5]

４．１　螺栓强度和使用寿命减少

    “热紧”提高了螺栓预紧力,可以通过增大垫片的密封比压而增强密封性能,但过大的螺栓预紧力会使螺栓产生较大的塑性变形,从而使螺栓的强度和使用寿命降低.例如,生产中会碰到的高温螺栓带压紧固消漏,通过扳手、大锤强力紧固螺栓,有可能会消除漏点.但在装置停车、管道降温后,就会发现螺栓出现松动现象;更有甚者,螺栓完全失去了弹性变形能力,无法继续使用.

４．２　高温管线法兰密封垫片损坏

    高温管线法兰垫片采用的多为内外环金属缠绕垫,其密封性能靠垫片的回弹性来保证.法兰螺栓的“热紧”操作只会减少甚至使垫片彻底失去弹性,造成其塑性变形而失效,一旦温度降低后就会因垫片不能回弹而产生泄漏,甚至直接把垫片压坏或者挤出;压力等级较高时采用的是金属八角垫,其垫片本身就具有受热膨胀的自密封性能.因此,法兰垫片密封力的作用不是要求越大越好,而是在满足基本密封比压后强调均匀性.“热紧”不能解决泄漏,有时还会因破坏已经均匀的螺栓力而起到负面作用.

４．３　螺栓的紧固操作

    由于人力紧固螺栓,或者是加长套管和锤击等传统工具,会造成螺栓预紧力过大或过小,同一法兰螺栓预紧力不均匀而易产生泄漏.因此,定力矩紧固在各类化工装置中得到越来越多的推广应用.

４．３．１　拧紧螺母的力矩计算

    对螺栓预紧力进行计算时,首先要确定操作状态下需要的最小垫片压紧力,其数值按下式计算:

Fp ＝２πDGbmP (１)

式中,Fp 为操作状态下需要的最小垫片压紧力,N;DG 为垫片有效密封面直径;b 为垫片有效密封宽度;m 为垫片系数(由查GB１５０—８９第７章表７Ｇ２可得);P 为介质工作压力(计算压力).垫片紧固力F 计算公式如下:

式中,F 为垫片紧固力,N;DG 为垫片有效密封面直径;P 为介质工作压力;Fp 为操作状态下需要的最小垫片压紧力;单个螺栓预紧力为F/n,n 为法兰螺栓个数.

螺栓紧固力矩计算:

T ＝ KFd (３)

式中,T 为拧紧螺母的力矩;K 为扭矩系数(近似取０．２);F 为单个螺栓预紧力;d 为螺栓大径.

４．３．２　螺栓紧固流程

(１)法兰螺栓紧固原则为“多步紧固”和“顺序紧固”.

(２)螺栓紧固分３ 遍进行,每遍起点相互分开１２０°.

(３)第１遍紧固采用５０％的拧紧螺母力矩,用十字交叉法紧固螺栓并保证密封面平行.

(４)第２遍紧固采用１００％的拧紧螺母力矩,用十字交叉法紧固螺栓并保证密封面平行.

(５)第３遍紧固采用１００％的拧紧螺母力矩,再次对螺栓按第１遍紧固顺序进行均匀紧固.从法兰螺栓定力矩紧固的拧紧力矩计算和螺栓紧固流程可知,螺栓安装紧固如果采用的是定力矩紧固,其螺栓预紧力的大小是经过严格计算得出,再次“热紧”只会破坏其原有的平衡.如果螺栓安装紧固时采用的是扳手、大锤等传统工具,那么就会存在螺栓紧固不均匀,无法保证每条螺栓具有相同的预紧力,还会存在预紧力过大或不足的情况,都有可能导致法兰密封发生泄漏,与是否“热

紧”没有关系.

４．４　安全角度

    带压“热紧”法兰螺栓作业与安全生产是相矛盾的,其危险性和事故发生的可能性非常大.很多情况下,在装置升温、升压过程中,首先考虑的是生产的有序进行,安排的螺栓“热紧”工作条件与规范中要求的管道温度、内压力是存在偏差的.在螺栓受热时对其施加载荷,很容易发生变形、断裂等危险,或将垫片挤压变形破坏,且还是在带压状态下,会造成垫片损坏而失去密封作用,导致法兰面发生

泄漏,有时甚至会引起中毒、爆炸等灾害性事故.

5　结语

    综上所述,化工装置中的高温工艺管道法兰螺栓,应严格按照标准要求的紧固力矩和紧固流程,采用专用的紧固工具进行操作.除非在设计说明中明确要求对其进行“热紧”作业,一般情况下,高温压力管道法兰螺栓在升温升压过程的“热紧”是不必要的,甚至对法兰密封性能和安生生产是有危害的.只要采用了正确的螺栓紧固方式、做好开车前的气密查漏工作,随着管道法兰螺栓定力矩紧固方式的不断推广,“热紧”必将成为一种被淘汰的设备维护方法.