梁立國，邊 晨，楊 明，荊國防

中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

沙特阿美公司是沙特阿拉伯油氣資源主要開發(fā)運(yùn)營商，擁有約130 多個(gè)油氣田，其油氣田地面建設(shè)及油氣管道施工市場(chǎng)非常廣闊。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，中資企業(yè)在沙特的油氣田施工市場(chǎng)也將迅速擴(kuò)張。

法蘭螺栓連接是石油化工中廣泛使用的連接形式之一[1]，目前，在沙特阿美的站場(chǎng)改擴(kuò)建和新建施工中，更傾向于用法蘭連接形式代替焊接形式，在一定程度上增加了工藝連接的靈活性，同時(shí)，也增加了法蘭管理的數(shù)量和難度。另外，法蘭連接施工的質(zhì)量直接影響到運(yùn)行的安全，是整個(gè)施工中最為重要施工工序之一。

法蘭螺栓連接在沙特阿美公司的站場(chǎng)施工中廣泛應(yīng)用，在沙特阿美公司哈拉德項(xiàng)目的輸氣站內(nèi)，2 inch 及2 inch 以上的閥門均采用法蘭連接。以沙特FFP 項(xiàng)目為例，僅南部的7 個(gè)遠(yuǎn)端輸氣站(remote header)涉及的法蘭尺寸從2 英寸到48 英寸共計(jì)14 種，螺栓尺寸和型號(hào)共計(jì)58 種，法蘭緊固近5000 組，大小螺栓近45,000 條。因此，在站場(chǎng)施工中，法蘭管理尤為重要，將直接影響投產(chǎn)是否成功。

2. 概述

法蘭主要用于管端或設(shè)備之間的連接，兩個(gè)法蘭片之間用墊片(襯墊)連接。法蘭管理指對(duì)法蘭片的保管、焊接裝配、螺栓緊固、現(xiàn)場(chǎng)檢查、掛牌和資料編制等活動(dòng)的總稱，在預(yù)制、安裝施工、試運(yùn)行和運(yùn)行階段范圍內(nèi)實(shí)行全過程管理[2]。

目前，管道法蘭主要有兩種國際標(biāo)準(zhǔn)，即以德國DIN (包括前蘇聯(lián))為代表的歐洲管法蘭系統(tǒng)和以美國ANSI/ASME 管法蘭為代表的美國管法蘭系統(tǒng)。另外，日本也有JIS 管法蘭。沙特阿美公司的站場(chǎng)施工和設(shè)計(jì)，主要采用的是美國的ASME 標(biāo)準(zhǔn)(ASME B16.5 及ASME B16.47)。

法蘭緊固(螺栓緊固)是采用合適的工具，將利用螺栓的張力將法蘭和墊片面貼合在一起，從而起到密封作用，將管道或管件連接起來，常用的方法有力矩緊固法和拉伸緊固法。本項(xiàng)目采用的是力矩緊固法，主要緊固工具包括常規(guī)扳手、扭矩扳手和液壓扭矩扳手。

3. 力矩的確定

3.1. 螺栓的張力

1) 螺栓張力的定義

制造螺栓和螺母的鋼具有固有的“彈性”，即可以在兩點(diǎn)之間拉伸，而施加在螺栓中的張力則作為夾持力來保持螺栓組件一起，而又不至于超過其“屈服強(qiáng)度極限”。

通過扭動(dòng)螺母，使兩個(gè)螺母和構(gòu)件之間產(chǎn)生加持力，根據(jù)作用力與反作用力相等的物理原則，可知，螺栓受到的拉力大小等于加持力，而我們常說的張力就是螺栓桿承受的拉力(見圖1)。

Figure 1. Diagram of tension 圖1. 張力示意圖

2) 張力的確定

為了使螺栓恰好將緊固件固定(夾緊)在一起，而不至于松動(dòng)，螺栓必須具備承受足夠張力的能力。根據(jù)胡克定律，螺栓的彈性模量E 一定，所受的應(yīng)力σ 和應(yīng)變?chǔ)?成正比：σ = Eε。

由于張力F 和應(yīng)力σ 是正比例關(guān)系，因此，張力F 不得使螺栓的應(yīng)力σ 超過屈服極限，考慮安全系數(shù)及經(jīng)驗(yàn)，張力一般取彈性極限的40%至70%。

3) 張力不合理的危害

張力太小：擰得不夠緊的螺紋緊固件可能會(huì)松動(dòng)并分開，從而導(dǎo)致在配合部分之間產(chǎn)生“剪切力”，從而可能會(huì)將螺栓切成兩半。緊固件松動(dòng)還可能導(dǎo)致周圍機(jī)械零件進(jìn)一步機(jī)械松動(dòng)，從而導(dǎo)致不必要的振動(dòng)和磨損。

張力太大：擰的太緊，緊固件可能會(huì)損壞螺栓連接的組件，導(dǎo)致螺栓和/或螺母變形，從而導(dǎo)致緊固件超過其彈性極限而失去張力。

3.2. 螺栓的扭矩

1) 螺栓扭矩的定義

根據(jù)物理定義，力矩是指作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向，其大小等于力和力臂的乘積：M = F × L。

對(duì)于螺栓來說，扭矩定義為施加在螺母或螺栓頭上的旋轉(zhuǎn)力或扭轉(zhuǎn)力，它是兩個(gè)測(cè)量值(即力和距離)的乘積(見圖2)：

Figure 2. Diagram of torque 圖2. 扭矩示意圖

2) 施加扭矩的方式

將扭矩施加到螺紋緊固件中的兩種最常見的方法：

a. 利用手動(dòng)或電動(dòng)類型的扭矩扳手將扭矩施加到螺紋緊固件上(見圖3)。

Figure 3. Diagram of torque applying 圖3. 扭矩施加示意圖

b. 螺栓張緊器的液壓張緊裝置將直接張力施加到緊固件上(見圖4)。

Figure 4. Diagram of tensioner applying 圖4. 張緊器施加示意圖

3) 扭矩的確定原則

螺栓的扭矩主要取決于兩個(gè)方面，一個(gè)是螺栓本身的屈服強(qiáng)度極限，一般情況下螺栓的設(shè)計(jì)扭矩值只達(dá)到強(qiáng)度極限的40%～70%；另一方面是墊片的承受能力，力矩過大會(huì)使墊片破，力矩過小會(huì)使受壓后的墊片殘余應(yīng)力達(dá)不到密封比壓力，導(dǎo)致密封面泄漏[1]。因此，螺栓的扭矩是施工過程中最為重要的問題。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)及施工規(guī)范，本項(xiàng)目工藝安裝采用的高強(qiáng)螺栓扭矩應(yīng)滿足表1 規(guī)定：

Table 1. The list of high-strength bolt torque 表1. 高強(qiáng)螺栓扭矩表

4. 工具選擇

目前，在法蘭緊固施工中，常用的工具基本分為3 類：

1) 普通扳手；

2) 扭矩扳手(分為手動(dòng)扭矩扳手和液壓扭矩扳手)；

3) 可控液壓螺栓拉伸器。

管道站場(chǎng)的工藝管線設(shè)計(jì)壓力一般比較高，法蘭和螺栓的強(qiáng)度比較高，對(duì)扭矩的要求比較嚴(yán)格，采用普通扳手不能滿足施工要求，而可控液壓螺栓拉伸器效率比較低，而且施工時(shí)，受螺桿長(zhǎng)度的限制，因此，一般均采用扭矩扳手進(jìn)行螺栓緊固。

根據(jù)水壓試壓和試運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，以及螺栓扭矩值的要求，一般選用扭矩扳手原則如下：

1) 當(dāng)螺栓尺寸不大于1 英寸，可以采用手動(dòng)扭矩扳手進(jìn)行螺栓緊固。

2) 當(dāng)螺栓尺寸在1 英寸和1 3/8 英寸之間，可以采用手動(dòng)扭矩扳手進(jìn)行前兩遍緊固，最后兩遍采用液壓扳手。

3) 當(dāng)螺栓尺寸大于1 3/8 英寸且小于4 英寸，必須采用液壓扳手進(jìn)行緊固。

5. 法蘭緊固施工步驟

5.1. 法蘭緊固施工準(zhǔn)備

1) 法蘭緊固之前，需要認(rèn)真核對(duì)法蘭、管件型號(hào)、批號(hào)、材質(zhì)以及等級(jí)等，確?，F(xiàn)場(chǎng)安裝符合圖紙和設(shè)計(jì)要求。

2) 注意區(qū)分不同墊片能夠承受的力矩值，合金鋼墊片和絕緣墊片的扭矩值有著很大的區(qū)別，防止扭矩值過大而損傷墊片，導(dǎo)致密封失效。

3) 檢查法蘭面、墊片無油污、水等雜質(zhì)，墊片無劃痕，鑿槽，毛刺以及變形等缺陷。

4) 檢查螺栓的等級(jí)、尺寸，是否有損壞、腐蝕、生銹、毛刺，以及適用性和兼容性。

5) 檢查螺栓的螺紋嚙合度，不得使用修復(fù)過的螺栓。

5.2. 選用潤(rùn)滑劑

在施工過程中，通常需要對(duì)螺栓及螺母采取涂抹潤(rùn)滑劑(二硫化鉬)的方法來降低摩擦系數(shù)，潤(rùn)滑劑品牌的選擇直接影響力矩的大小，也會(huì)影響螺栓緊固的質(zhì)量和工效。在沙特阿美項(xiàng)目，采用的是涂防腐漆的螺栓，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)螺栓直徑小于2 英寸時(shí)，帶防腐漆的螺栓不需要涂抹潤(rùn)滑劑，計(jì)算扭矩時(shí)，摩擦系數(shù)按0.11 計(jì)算，當(dāng)螺栓直徑大于2 英寸時(shí)，需要輔助潤(rùn)滑劑進(jìn)行緊固。

5.3. 安裝墊片和螺栓

1) 首先，根據(jù)圖紙選用正確的墊片。

2) 采用法蘭擴(kuò)張器，將法蘭片撐開，放置墊片，緩慢放開法蘭擴(kuò)張器。RJ 面的法蘭要保證墊片正好嵌在凹槽內(nèi)，RF 面的纏繞墊片，需保證金屬纏繞部分與法蘭面對(duì)正。

3) 選用合適的螺栓，將螺栓涂刷潤(rùn)滑劑，并放進(jìn)螺栓孔內(nèi)。

4) 檢查法蘭安裝誤差，其誤差值應(yīng)滿足要求(見圖5)。

Figure 5. The deviation of flange installation 圖5. 法蘭安裝誤差

5.4. 螺栓緊固

為了保證緊固過程中整個(gè)法蘭面受力均勻，一般采用“十字線”法，對(duì)法蘭進(jìn)行對(duì)角緊固(見圖6)。

緊固過程不允許一次緊固到位，需要分次進(jìn)行[2]：

第一遍：施加30%的扭矩力；

第二遍：施加60%的扭矩力；

第三遍：施加100%的扭矩力；

第四遍：使用100%的扭矩力，沿順時(shí)針方向逐一對(duì)所有螺栓進(jìn)行緊固，以驗(yàn)證所需要的扭矩力是否已被均勻的施加到每個(gè)螺栓，最終扭矩值與設(shè)定扭矩值的偏差必須小于5%。

Figure 6. The sequence of flange tightening 圖6. 法蘭緊固順序

5.5. 記錄與標(biāo)識(shí)

螺栓緊固完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行記錄與標(biāo)識(shí)。

1) 按質(zhì)量記錄表格，認(rèn)真填寫法蘭緊固的日期，人員，力矩值等信息。

2) 在每個(gè)螺栓上采用“十”字標(biāo)識(shí)或“一”字標(biāo)識(shí)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢人員進(jìn)行復(fù)核檢查，在法蘭面上標(biāo)注檢查日期，是否合格，并簽名。

6. 常見質(zhì)量問題

在法蘭緊固施工中，主要有以下幾種常見的質(zhì)量問題：

1) 法蘭面不平行，應(yīng)力過大

造成該問題的重要原因是工藝管道安裝的尺寸偏差較大，造成兩個(gè)法蘭面間隙過大或不平行。因此，在進(jìn)行工藝管道安裝前，應(yīng)認(rèn)真核對(duì)尺寸，法蘭與工藝管焊接時(shí)，避免焊接變形過大。

2) 未按規(guī)定順序進(jìn)行螺栓緊固，導(dǎo)致法蘭面整體受力不平衡

造成該問題的原因是，操作人員培訓(xùn)不到位。因此，在法蘭緊固時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行培訓(xùn)，所有人員必須持證上崗，同時(shí)，也要加大過程監(jiān)督的力度。

3) 未按規(guī)定涂抹潤(rùn)滑劑，或潤(rùn)滑劑不符合要求，導(dǎo)致螺栓的螺紋損壞

解決該問題的方法，主要是及時(shí)采購合格的潤(rùn)滑劑，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行培訓(xùn)，特別是超過2 英寸的螺栓，必須按規(guī)定涂刷潤(rùn)滑劑。

4) 緊固力矩過大或過小

導(dǎo)致該問題的出現(xiàn)的主要原因是液壓扳手漏油或讀數(shù)器不準(zhǔn)，需要重新校驗(yàn)。因此，緊固工具必須在校驗(yàn)周期內(nèi)，及時(shí)校驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)有漏油等現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行維修，嚴(yán)禁“帶病”使用。

7. 總結(jié)

隨著油氣化工行業(yè)施工技術(shù)和工藝技術(shù)的發(fā)展，越來越多的施工和生產(chǎn)活動(dòng)采用法蘭連接形式，對(duì)法蘭連接施工，最核心的施工步驟就是法蘭緊固。因此，了解法蘭螺栓的力矩原理，選用合適的螺栓、確定力矩以及選用合適的緊固工具，能夠延長(zhǎng)工藝壽命，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率，并最大限度地節(jié)約成本。