小螺栓蘊含大話題

緊固不當：小環(huán)節(jié)疏忽帶來大危害

近年來，因螺栓緊固不當帶來的設(shè)備安全問題屢見不鮮，緊固不足、緊固過量、緊固不均等引起的振動超標、螺栓斷裂、部件脫落等設(shè)備故障、安全事故時有發(fā)生。

2010年1月20日，大唐左云項目的風機維護人員進行“風機葉片主梁加強”工作，直到2010年1月27日工作結(jié)束。1月31日，43號風機發(fā)出多個報警后因振動值高快速停機。經(jīng)維護人員處理后再次就地復(fù)位啟動。次日，43號風機發(fā)生倒塌事件。塔筒中段、上段、風機機艙、輪轂順勢平鋪在地面上，塔筒上段在中間部分發(fā)生扭曲變形。齒輪箱與輪轂主軸軸套連接處斷裂，齒輪箱連軸器破碎，葉片從邊緣破裂，大量填充物散落在地面上。事故發(fā)生后，風電場將二期風機全停，并進行外觀、內(nèi)部的全面檢查。3月4日，左云風電公司檢查發(fā)現(xiàn)二期61號風機中下塔筒法蘭連接螺栓斷裂48個（共125個），在螺栓未斷裂部分的法蘭與筒壁焊縫中有長度為1.67米的裂縫，其異常現(xiàn)象與倒塌的43號塔筒情況基本一致。

是什么原因造成大量螺栓斷裂，引發(fā)此次倒塌事故呢？在去年第10期《能源》雜志封面文章《風機折翼》中有如下兩句描述：“運行期間沒有按照要求進行塔筒螺栓的力矩檢查和維護?！?、“風場現(xiàn)場施工單位對螺栓力矩沒有按照施工要求進行，機組的塔筒連接螺栓大部分存在力矩不足，有些螺栓用手就可以擰動?！?/p>

2014年8月，某加工分廠的1臺數(shù)控高速端面外圓磨床出現(xiàn)故障，砂輪移動量與顯示器顯示數(shù)值不符，導(dǎo)致加工出現(xiàn)誤差。維修人員在現(xiàn)場對整個機構(gòu)拆卸檢修中發(fā)現(xiàn)，兩副導(dǎo)軌滾珠的固定裝置出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致滾珠灑落，使導(dǎo)軌上出現(xiàn)了多處劃痕和小坑。經(jīng)過技術(shù)分析檢查和討論，終于發(fā)現(xiàn)，兩副導(dǎo)軌的平行度有14微米的誤差，誤差的原因是由于機床生產(chǎn)廠家在用螺栓對十字交叉直線導(dǎo)軌進行緊固時，沒有壓死及調(diào)整均勻，逐漸造成直線導(dǎo)軌受力不均，導(dǎo)致滾珠灑落、故障發(fā)生。

上述兩個案例，究其原因，都與螺栓緊固不當密不可分。一直以來，在螺栓緊固時，諸如選擇哪種方案，使用什么工具，緊固多少圈這樣的問題，很少會有人去研究，然而正是這極其細微的一個小小環(huán)節(jié)，卻與設(shè)備的健康運行息息相關(guān)，不容疏忽。

緊固要點：抗拉屈服與預(yù)緊力計算

螺栓的緊固流程一般分為4步：確定螺栓抗拉屈服—計算出軸向預(yù)緊力（抗拉屈服0.7～0.9倍）—根據(jù)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗判斷出最佳預(yù)緊載荷對應(yīng)的扭矩值—緊固。

緊固流程的前兩步為查表計算，基本上沒有太大的問題。其中第一步確定螺栓抗拉屈服，與螺栓的材質(zhì)有關(guān)，從機械手冊可以查出相關(guān)的數(shù)據(jù)第二步預(yù)緊力的計算分為兩種：鋼結(jié)構(gòu)的的預(yù)緊力計算，國際權(quán)威的標準是VDI2230；有密封墊片的壓力容器及壓力管線法蘭預(yù)緊力計算，現(xiàn)在國家標準GB150.3-2011中關(guān)于螺栓設(shè)計載荷的部分也有詳細的公式。

后兩步因選用緊固工具和方式的不同而存在種種誤差，為設(shè)備安全帶來很多隱患。

為了解決上述隱患，緊固工藝在近幾十年來，不斷的改進和發(fā)展，從最初的手動緊固，到氣動、電動、液壓緊固，有了很大的進步。

傳統(tǒng)的大錘敲擊、人力扳杠等緊固方法完全由人的感覺判斷，力矩的大小無從計量，毫無精度可言，其緊固效果只能寄希望于操作人員的人個經(jīng)驗，螺栓預(yù)緊力的大小根本無從談起，更多的是盡人事、聽天命的無奈

最初的氣動、電動和液壓扳手緊固工藝，雖然可以設(shè)定轉(zhuǎn)動螺栓的扭矩，但因為需要以反作用力臂來平衡驅(qū)動力，存在偏載，導(dǎo)致不同螺栓緊固時的實際摩擦阻力相差較大，無法準確測知每條螺栓緊固時實際的摩擦阻力，因此其預(yù)緊力數(shù)值自然也成了未知數(shù)。此外，要通過扭矩來緊固或拆松螺栓，由于螺桿在緊固過程中承受了扭轉(zhuǎn)力，可能導(dǎo)致螺栓的損壞。

至于液壓拉伸和加熱拉伸，因為需要對螺栓進行過度拉伸，超拉的預(yù)估值及人工旋緊螺母的影響，再加上各種不同的應(yīng)用因素、工況條件、螺栓螺母配合公差、垂直度和摩擦系數(shù)等影響，使螺栓緊固的精度變得不易控制，很難令人滿意。

對于同一法蘭的不同螺栓而言，如果預(yù)緊力不均，相對預(yù)緊力較小的螺栓就成了致命弱點，或從該點泄漏，或因承受較大交變應(yīng)力，導(dǎo)致該螺栓松動、斷裂，引發(fā)設(shè)備振動加劇，甚至機毀人傷。

緊固設(shè)備：從個人經(jīng)驗到精確設(shè)定

毫無疑問，最初的緊固設(shè)備很簡陋，對于傳統(tǒng)的緊固方法，徐君琦略有微詞：“活扳手、套筒扳手和錘子的使用全憑個人經(jīng)驗，緊固效果的好壞根本無法保證?！?/p>

那么現(xiàn)在的緊固設(shè)備如何呢？據(jù)徐君琦介紹：“凱特克（HYTORC）人保持著一個無比自豪的紀錄，即在過去的40多年來，液壓扳手行業(yè)，每次重大技術(shù)改進及發(fā)明，均源自于HYTORC。1968年，HYTORC發(fā)明了世間第一部帶反作用力臂的液壓扳手，是現(xiàn)在業(yè)界所用液壓扳手的原型。后來人們發(fā)現(xiàn)，在使用反作用力臂來阻止工具轉(zhuǎn)動時，可能很難找到一個可靠的著力點，而且反作用力臂還可能造成手指夾傷，會產(chǎn)生多余的摩擦力和彎曲力，可能還需要很多把防止螺母跟轉(zhuǎn)的扳手。為此，HYTORC于1990年推出無反作用力臂緊固螺栓技術(shù)，并通過不斷改進，使無反作用力臂緊固技術(shù)至臻完美。”

徐君琦介紹了HYTORC無反作用力臂緊固螺栓技術(shù)系列設(shè)備。包括經(jīng)典的STEALTH多功能雙速中空扭矩拉伸機和AVANTI 多功能方頭驅(qū)動扭矩拉伸機。以及其天才設(shè)計的CLAMP拉伸螺母、DISC拉伸墊圈及Z-Washer“自反作用力墊圈”。

節(jié)能減排小螺栓的效益有多高（下篇）

“現(xiàn)在有些石化企業(yè)，一旦廠區(qū)不冒黑煙，看不到明顯泄漏點，就心安理得地自詡為無泄漏工廠，可是檢查時，卻發(fā)現(xiàn)存在大量的VOC（揮發(fā)性有機物）泄漏。這些廠區(qū)，大多可以聞到各種刺鼻的怪味，其實就是VOC的無組織排放。每個排放點或許很小，甚至肉眼難辨，但排放量卻一點也不少，大多因螺栓緊固不當所致?！睋?jù)徐君琦介紹，英國UKOOA曾作過統(tǒng)計，100起法蘭泄漏的事故中有81%的泄漏是不正確的螺栓載荷即預(yù)緊力造成的。如果能夠緊固好這些小小的螺栓，那么效益將很可觀。

泄漏“暗潮洶涌”，監(jiān)測體系加緊實施

隨著石油化工裝置的大型化，工廠生產(chǎn)快速發(fā)展，因螺栓緊固不當所造成的管線組件和壓力容器跑冒滴漏的問題越來越引起人們的重視。泄漏不僅造成物料的損失、環(huán)境的污染，還可能導(dǎo)致巨大的傷亡破壞事故。

去年，美國某權(quán)威環(huán)境評測公司對我國23家石化廠進行測算評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅僅這23家石化廠每年的VOC排出量竟然高達12.5萬噸，這讓人不禁對我國全國工廠的VOC排放值多了幾分恐懼。

此外，因為很多工廠存在著大量肉眼難以發(fā)現(xiàn)的泄漏，造成了生產(chǎn)過程中各類事故發(fā)生機率的增加。特別是近年來，因設(shè)備泄漏導(dǎo)致的爆炸、火災(zāi)、設(shè)備損壞、產(chǎn)品報廢、人員傷亡、環(huán)境污染等重大事故的報道從未中斷，給工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境衛(wèi)生和人身安全帶來極大的危害。

很顯然，國家也看到了工廠泄漏所帶來的危害，將工廠泄漏的治理，特別是石化行業(yè)VOC排放的綜合整治視為重中之重。環(huán)境保護部于2014年12月5日印發(fā)《石化行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合整治方案》的通知，出臺《石化行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合整治方案》，要求2017年7月1日前，建成全國石化行業(yè)VOCs監(jiān)測監(jiān)控體系。從政策上為我國大幅減少石化行業(yè)VOC排放，促進環(huán)境空氣質(zhì)量改善提供了有力的保證。

治理“跑冒滴漏”，螺栓緊固效益高

影響法蘭密封的因素包括螺栓預(yù)緊力、墊片性能、密封面形式和精度、法蘭和螺栓的機械性能及設(shè)備的操作條件等。其中以螺栓預(yù)緊力為最。

某石化公司煉油廠重整芳烴車間柴油加氫精制裝置進料、反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E-402A、B（型號BIU1000-6.4/6.4-275-6/25-2I）兩臺，是在1998年大修期間安裝并投入使用的。反應(yīng)產(chǎn)物為柴油、汽油、氫氣、硫化氫、氨。管箱與管板法蘭以及殼體與管板法蘭之間采用八角墊圈（材質(zhì)0Cr13，外徑1125mm），此密封部位的介質(zhì)操作溫度330℃。在裝置開、停車期間，柴油與航煤原料切換操作時，以及裝置操作壓力、溫度波動時，其管箱與法蘭之間的密封易出現(xiàn)泄漏、冒煙情況。2007年3月，HYTORC技術(shù)工程師對該裝置進行檢測，并對換熱器E-402/A、B提出了螺栓堅固優(yōu)化方案。于2007年9月檢修期間進行了現(xiàn)場優(yōu)化改進，優(yōu)化后，“零泄漏”目標完成效果良好。此后數(shù)年，在易泄漏法蘭安裝、螺栓緊固優(yōu)化項目上先后多次與HYTORC保持良好的合作關(guān)系。

煉油廠焦化車間的焦化塔及管線法蘭因為每天溫度變化過大（從常溫到300℃以上），容易發(fā)生泄漏。某焦化車間的靠餾出線法蘭，原來每隔幾個月就會發(fā)生法蘭泄漏，自從2008年HYTORC采用預(yù)緊力控制技術(shù)改造以后，在接下來3年的運行期間沒再發(fā)生過泄漏。

某石化公司300萬噸/年重油催化裂化聯(lián)合裝置的油漿蒸汽發(fā)生器換熱器原來為防止泄漏發(fā)生，油漿發(fā)生器管程和殼程法蘭均在螺母下安裝了碟簧，再以液壓扳手設(shè)定力矩緊固。然而看似完美的緊固卻暗藏隱患，此后數(shù)年中，兩臺油漿發(fā)生器多次發(fā)生泄漏、著火等重大事故。2009年，采用HYTORC螺栓緊固技術(shù)進行改造，解決了泄漏問題，2年一度的運行周期中再未發(fā)生因螺栓緊固問題造成的計劃外停車事故，并在以后的每次大修中均采用了HYTORC技術(shù)。

HYTORC提供從泄漏檢查到泄漏治理的完整解決方案在我國廣為應(yīng)用

設(shè)備齊全“如錦”，制度培訓“添花”

談到泄漏的治理，徐君琦認為，“密封是一個龐大的系統(tǒng)，如果出現(xiàn)泄漏應(yīng)該全方面的分析設(shè)備的硬件條件，操作及控制等軟件條件。對于硬件條件，比如明顯的螺栓失效、法蘭變形、密封面或密封墊破損能夠比較容易分析，但對于軟件條件，比如螺栓預(yù)緊力是否達到，是否均勻，設(shè)備操作的溫度和壓力是否有波動等則應(yīng)該通過計算、測量等手段進行調(diào)查。

徐君琦說：“僅僅靠使用質(zhì)量很好、精度很高的工具，還不足以停止泄漏。 HYTORC通過穩(wěn)步發(fā)展的液壓扭矩拉伸緊固系統(tǒng)，不斷簡化擰緊和拆松螺栓的過程。HYTORC提供從泄漏檢查到泄漏治理的完整解決方案，依照ASME （美國機械工程師協(xié)會）制訂的PCC-1-2010（壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南）進行全面的分析和科學的指導(dǎo)，保證緊固完成后的法蘭連接的可靠性和長周期穩(wěn)定運行。HYTORC的解決能力包括查找或定點檢測可能存在的泄漏；根據(jù)ASME的原理對泄漏原因進行分析；對法蘭緊固方案及任何螺栓緊固問題提供咨詢；對法蘭密封面進行在線檢查及修復(fù)；提供法蘭安裝的設(shè)備和技術(shù)支持；對法蘭緊固操作人員進行培訓，提高其專業(yè)技能。”

到目前為止，HYTORC提供從泄漏檢查到泄漏治理的完整解決方案已經(jīng)在我國的石油、化工、鋼鐵、風電、火電、核電、水電、鐵路、大型工程機械、造船業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。從小小螺栓入手，全力消除設(shè)備法蘭泄漏和螺栓事故，在節(jié)能減排方面卓有成效，為我國綠色工業(yè)的發(fā)展提供了有力的保證。