螺栓法蘭緊固的結構優化

范志浩，張麗，房偉，鄭大智，孫鐵，多依麗

（1.遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中油國際管道有限公司，北京 100029；3.中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000；4.遼寧石油化工大學 環境與安全工程學院，遼寧 撫順 113001）

我國石油化工行業發展迅速，而且每年有許多石化裝置和設備需要檢修，因此國家對石化裝置的安全運行及密封泄漏提出了更高的要求[1]。螺栓法蘭是化工行業中重要的連接與密封部件，在安裝和維修過程中螺栓螺母的拆卸和緊固是必不可少的。如果螺栓螺母的安裝不規范，則會導致裝置和設備的泄漏，進而造成重大事故。2015年，瑞典Lemnhult風場的某機組因采用不正確的螺栓緊固方式發生倒塔事故；2012年，某集氣站的管法蘭連接處發生刺漏事故，經現場檢查發現法蘭連接處有3根螺栓斷裂；1999年，某石化廠內酰胺裝置6臺球閥中有2臺發生螺栓法蘭斷裂，導致管道內介質泄漏，造成巨大的經濟損失。據不完全統計，60%以上的設備運行故障是由螺栓問題引起的。因此，提高壓力容器螺栓法蘭的預緊效果，提升裝置和設備的密封性迫在眉睫，而且具有深遠的研究意義。

莊法坤等[2]考慮墊片寬度、高溫、高壓等三種情況，對螺栓法蘭接頭密封性能進行了分析。結果表明，改變墊片寬度對密封性能影響顯著；伴隨著溫度和壓力的升高，螺栓和墊片所受應力均出現不同程度的變化。郭秭君等[3]建立螺栓法蘭墊片接頭整體結構有限元模型并進行了研究。結果表明，接頭泄漏率受法蘭偏轉的影響，但并非正相關。應道宴等[4]詳細分析了在預緊過程中影響螺栓最大載荷的因素，提出了提高螺栓安裝載荷的措施。范登帥等[5]運用算例分析了螺栓法蘭連接的可靠性。馬文暉[6]對螺栓法蘭緊固力矩進行了分析研究。宋海洋[7]、M.C.Pat[8]為了減少泄漏，采取了用液壓扳手緊固螺栓的方法。王超眾等[9]針對工程建造中螺栓緊固順序進行了探討。S.P.Jeong等[10]利用結構振動信號和機器學習算法準確預測了螺栓的緊固狀態。

本文針對螺栓緊固的工具結構進行分析，優化了握持套筒的結構；運用ANSYS結構靜力學設計了新型固定扳手并進行了結構分析。研究結果對提高壓力容器螺栓法蘭緊固效果具有深遠的意義。

1 螺栓緊固的方法

目前，在石油化工領域常用的螺栓螺母緊固方式主要為拉伸法、帶反作用力臂扭矩拉伸法和無反作用力臂扭矩拉伸法[11]。拉伸法運用拉力直接拉伸螺栓，螺栓桿只受拉力作用而不受扭轉力和側向偏載力；帶反作用力臂扭矩拉伸法是給螺母的側面施加一個轉動力，使螺母不停地向下旋轉直至停止，從而達到螺栓桿向上拉伸的方法；無反作用力臂扭矩拉伸法是在帶反作用力臂扭矩拉伸法和拉伸法的基礎上，擇其優點去其缺點優化得到的新型緊固方法，近年來使用比較廣泛，是一種非常先進的螺栓緊固方法[12]。

1.1 帶反作用力臂扭矩拉伸法

帶反作用力臂扭矩拉伸法通常使用帶反作用力臂液壓扳手（見圖1）來緊固螺栓，此液壓扳手在工作時需要通過一個反作用力臂來平衡驅動力，否則液壓扳手容易打轉，影響螺栓的緊固效果；此外，還會導致螺母和支撐面上的力集中于一點，損傷法蘭面，影響螺母和法蘭面之間的摩擦系數，同時造成每條螺栓上所受的摩擦阻力不同，而且每條螺栓上的預緊力是未知的。因此，液壓扳手輸出扭矩的精度雖然非常高，但其預緊力的精度只能達到30%左右。同時，也可能因為施工人員的操作不當，存在一定的危險性，并造成夾手等一系列事故。

1.2 無反作用力臂扭矩拉伸法

無反作用力臂的扭矩拉伸法在螺母的下方添加一個反作用力墊圈，將液壓扳手在緊固螺栓過程中產生的反作用力通過專用套筒轉移到螺母的下方，使緊固螺栓的作用力矩和反作用力矩位于同一條軸線上，有效降低反作用力的影響。通過消除反作用力臂作用的方法，可以較好地控制螺栓緊固過程中產生的摩擦力，從而進一步提升液壓扳手的扭矩轉化為螺栓預緊力的轉換率，大大降低螺栓預緊力的誤差。實踐證明，通過帶反作用力墊圈的無反作用力臂扭矩拉伸法來緊固螺栓，可以更有效地緊固螺栓，明顯改善法蘭的密封性。無反作用力臂液壓扳手如圖2所示。

圖2 無反作用力臂液壓扳手

1.3 帶反作用力臂/無反作用力臂液壓扳手的優缺點

帶反作用力臂液壓扳手的優點：使用帶反作用力臂液壓扳手在給螺栓施加扭矩時，液壓扳手不需要過大的操作空間；液壓扳手能夠準確地控制螺栓預緊的力矩；對螺柱伸出的長度無硬性要求，適用范圍廣，操作簡單，節省人工。

帶反作用力臂液壓扳手的缺點：帶反作用力臂液壓扳手在螺栓緊固時會刮傷法蘭表面，影響法蘭表面的摩擦系數；在緊固螺栓時會產生反作用力，且反作用力無法消除，影響螺栓法蘭的緊固效果。

無反作用力臂液壓扳手的優點：無反作用力臂的液壓扳手能提供更大的扭矩，實現螺栓精確預緊，有效降低反作用力帶來的影響。

無反作用力臂液壓扳手的缺點：使用無反作用力臂的液壓扳手進行螺栓法蘭緊固時，無法精確判斷螺栓緊固程度，會導致每個螺栓受力不均。

根據實驗所得數據，運用origin軟件，對帶反作用力臂液壓扳手和無反作用力臂液壓扳手實驗數據進行了對比，結果如圖3所示。

圖3 帶反作用力臂/無反作用力臂液壓扳手的實驗數據對比

由圖3可以看出，使用無反作用力臂液壓扳手緊固螺栓的效果優于使用帶反作用力臂的液壓扳手緊固螺栓的效果，無反作用力臂的液壓扳手提升了將扭矩轉化為螺栓預緊力的效率。由此可知，對壓力容器法蘭螺栓緊固的結構進行優化具有必要性。

2 握持套筒實驗中存在的問題

在螺栓緊固實驗中，對所用的20個螺栓分別采用四同步和兩同步的緊固方式。同時，對添加旋緊墊圈和不添加旋緊墊圈的工況進行了對比。結果表明，在同一種實驗環境下，添加旋緊墊圈工況的堅固效果好于沒有添加旋緊墊圈的工況；采用四同步緊固方法的緊固效果好于兩同步的緊固方法；與兩同步的緊固方法相比，四同步的緊固方法可節省預緊時間。

在預緊過程中，當每次緊固螺栓實驗完成后卸下液壓扳手時，液壓扳手與握持套筒和旋轉套筒脫離；同時，握持套筒也與旋緊墊片的外卡環相脫離。但是，在下次緊固其他螺栓時，旋轉套筒和握持套筒又需要一一對應安裝，同時握持套筒和旋緊墊圈的外卡環也要一一對應地裝配。這種操作為每次緊固螺栓增加很大的工作量，延長工作時間，使螺栓緊固的工作效率大大降低。而且，當預緊次數達到一定時，無法進一步觀測旋轉套筒是否仍然可以帶動螺母轉動，很有可能在螺母還有微小轉動時就卸載液壓扳手，造成螺栓預緊力加載不足的情況出現，影響螺栓的緊固效果，為實驗增加很大的不確定性，從而影響法蘭的密封性能，造成裝置或設備的泄漏。由此可見，對握持套筒進行結構優化很有必要。

3 握持套筒的結構優化

3.1 握持套筒的側面開孔

為了在螺栓螺母的安裝和拆卸過程中便于觀察，將握持套筒的側面位置開兩個大小相等的圓形小孔。兩個小孔的位置應沿著旋轉套筒的旋轉軸呈中心對稱；在旋轉套筒的外表面，與握持套筒開孔等高的位置刻上刻度條。為了便于觀察螺栓預緊程度，應盡量提高刻度條的精密度。在螺栓緊固的過程中，若刻度條的刻度不再變化，則說明螺母已經停止旋進，液壓扳手的預緊力已經全部加載在螺母上，此時螺栓緊固工作完成。此結構設計可以有效地避免因人為因素造成的安裝精度不夠的問題；可節省預緊時間，在保證精準安裝的前提下，可節約一部分人工成本，在保質保量的前提下更快地完成螺栓緊固工作。

3.2 握持套筒的底部優化

為了在螺栓緊固過程中握持套筒和旋緊墊圈的外卡環能夠快速完成嚙合工作，對握持套筒底部進行了結構改進。在握持套筒的外表面底部設計了簡單符號，該簡單符號與旋緊墊圈外卡環的突出部分相對應。這種結構優化設計可使握持套筒和旋緊墊圈的外卡環快速完成嚙合，不僅節省時間，而且提高螺栓緊固工作的效率。

4 新型固定扳手

由壓力容器法蘭設計計算標準可知，無論是預緊狀態還是操作狀態，螺栓的應力不應大于其許用應力。在螺栓法蘭的緊固過程中，通常用一個長扳手來固定法蘭下表面螺母，而長扳手的力臂端卡在相鄰的螺母上，在緊固過程中長扳手對緊固螺母周圍的其他螺母產生影響。為降低長扳手在螺栓法蘭緊固過程中對其他螺母的影響，設計了一款對其他螺母沒有影響的新型螺栓法蘭緊固可伸縮扳手。

4.1 新型固定扳手的結構

新型固定扳手主要由底座、端蓋和銷釘三部分組成。新型固定扳手底座的側面位置開孔，并且端蓋相對應底座側面開孔的位置也可開孔，通過將銷釘插入孔中，實現底座和端蓋的固定；新型固定扳手底座前端設計成半圓柱體結構，可提高新型固定扳手的可旋轉性，便于安裝和使用。新型固定扳手材料性能見表1，新型固定扳手結構圖如圖4所示。

圖4 新型固定扳手結構圖

表1 新型固定扳手材料性能

4.2 新型固定扳手的ANSYS分析

根據中國和美國化工行業標準可知，對螺栓施加的扭矩最大值不能超過700 N·m。因此，扭矩取值700 N·m，對法蘭取固定支撐，網格尺寸劃分為3 mm，將新型固定扳手作為一個整體進行了ANSYS靜力學結構分析，并對新型固定扳手的整體變形和等效應力進行了分析，結果如圖5—7所示。

圖5 新型固定扳手底座等效應力圖

通過ANSYS靜力學分析結果可知，新型固定扳手所受到的最大應力位于端蓋與底座接觸之處，最大應力為116.33 MPa，材料的彈性屈服強度為480.00 MPa。當安全系數取值2.7時，最大應力遠小于材料的彈性屈服強度。同時，新型固定扳手的整體變形符合預期及設計標準。

4.3 新型固定扳手的優點

與平時安裝和拆卸螺柱螺母過程中使用的普通長扳手相比，新型固定扳手能有效地降低對緊固螺母周圍其他螺母的影響，安全性更高，而且操作便捷，結構簡單。新型固定扳手可伸縮，適用于多種環境、多種工況，螺栓緊固效果更好，可增強法蘭的密封性能，并大幅度提高化工生產的效率，降低安全隱患，非常值得推廣。

圖6 新型固定扳手等效應力圖

圖7 新型固定扳手整體變形圖

5 結論

基于握持套筒的結構優化，解決了無法精確觀測螺栓預緊程度的問題，提高了壓力容器螺栓法蘭緊固效果；設計新型固定扳手，用于固定法蘭下表面螺母，有效地降低了在緊固過程中對緊固螺母周圍其他螺母的影響。研究結果為壓力容器螺栓法蘭緊固提供了新思路，非常值得推廣。