王超眾，魏玉壘，高鳳龍，袁林峰，董濟水

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島 266520）

越來越多的海洋石油工程項目要求在建造過程中進行法蘭管理。據(jù)統(tǒng)計，由于法蘭泄漏造成的經(jīng)濟損失每年達上億美元。國際上專門的機構(gòu)如ECITB對操作人員進行培訓(xùn)和認(rèn)證，也有專門的標(biāo)準(zhǔn)如ASME PCC-1對法蘭管理工作進行規(guī)范，目前筆者從事的涉外項目中全部要求進行法蘭管理。

法蘭管理工作是一項系統(tǒng)工程，它涉及到操作人員、技術(shù)人員、檢驗人員、安全人員、管理人員等，并對人員分工、培訓(xùn)取證、工具選擇、材料檢驗、螺栓緊固、掛牌記錄等環(huán)節(jié)提出了具體要求，每個環(huán)節(jié)都是必不可少的工序，但其中螺栓緊固的環(huán)節(jié)尤其關(guān)鍵，直接關(guān)系到連接點的可靠性。

本文對法蘭管理以及螺栓緊固做一簡要介紹，并針對螺栓緊固順序的多種方式進行探討，其中的經(jīng)驗可供同行參考。

1 法蘭管理簡介

法蘭管理從法蘭、螺栓、墊片等材料到貨時開始進行，它是對材料保護、搬運、裝配（拆卸）、檢驗、掛牌、記錄等活動的總稱，施工方開展工作前需編制詳細的施工程序報批，施工程序一般包含以下內(nèi)容：

(1)人員分工：用于定義參與本項目人員的職責(zé)分工；(2)工作流程：用于定義法蘭管理工作的工作流程；(3)培訓(xùn)和資質(zhì)要求：用于定義培訓(xùn)內(nèi)容和人員認(rèn)證要求；(4)工具設(shè)備：用于定義本項目用到的工具及適用范圍；(5)安全要求：用于規(guī)定本操作需要注意的安全事項；(6)材料保存和倒運：用于規(guī)定法蘭、螺栓、墊片等材料的保存和倒運要求；(7)裝配（拆卸）：用于規(guī)定本項目螺栓緊固的裝配過程和拆卸過程；(8)掛牌：用于規(guī)范法蘭管理工作完成后的掛牌要求；(9)檢驗和記錄：用于規(guī)定法蘭管理工作完成后的檢驗和記錄要求。

2 螺栓緊固簡介

螺栓緊固的最終目標(biāo)是要確保法蘭連接在測試和運行期間始終無泄漏。可控的螺栓緊固方式一般有力矩緊固和拉伸緊固兩種模式。力矩緊固是指采用手動力矩扳手或液壓力矩扳手，以目標(biāo)力矩為基礎(chǔ)進行的一系列操作。拉伸緊固是指采用液壓拉伸器以目標(biāo)拉伸力為基礎(chǔ)進行的操作。兩種方式除需要提前準(zhǔn)備好工具外，還需要事先計算目標(biāo)力矩或目標(biāo)拉伸力。

一般來講，液壓拉伸由于其施壓過程平穩(wěn)、墊片受力均勻等原因，連接點可以獲得更精確的殘余應(yīng)力，故而其效果優(yōu)于力矩方式，但限于設(shè)備昂貴、危險系數(shù)高、占用空間大等多方面原因，它無法完全取代力矩方式。在筆者從事的項目中，一般以螺栓直徑為依據(jù)，對緊固方式進行區(qū)分。對于直徑在1.25”及以下的螺栓，采用力矩方式緊固，對于直徑超過1.25”的螺栓，采用液壓拉伸方式緊固。對于力矩值超過1000N·m的螺栓，考慮采用液壓力矩扳手。

圖1 螺栓緊固工具

3 螺栓緊固順序分析

3.1 力矩緊固模式

ASME PCC-1章節(jié)11.1描述了當(dāng)使用單一工具時可采用的螺栓緊固順序，目前海洋石油平臺通用的力矩緊固模式一般遵循ASME PCC-1中描述的傳統(tǒng)模式，即多步驟十字交叉法。這種方法要求首先對螺栓進行編號，然后按照一定的增量平穩(wěn)施加力矩，最后達到目標(biāo)力矩。圖2為一幅12組螺栓的編號示意圖。

圖2 螺栓編號（12組螺栓）

以圖2為例，由于螺栓已經(jīng)按十字交叉法編號，故緊固螺栓時只需按照數(shù)字順序從1到12依次進行緊固即可。

傳統(tǒng)模式的螺栓緊固至少需要進行五輪。在進行第一輪緊固前，先手動擰緊所有螺栓，并檢查法蘭面公差是否符合要求，法蘭面間隙是否均勻一致，待無問題后開始第一輪螺栓緊固。

仍以圖2的12組螺栓為例，第一輪緊固以目標(biāo)力矩的20%-30%依次緊固1-12組螺栓，完畢后用塞尺檢查法蘭面間隙是否均勻一致；第二輪以目標(biāo)力矩的50%-70%依次緊固1-12組螺栓，完畢后用塞尺檢查法蘭面間隙是否均勻一致；第三輪以目標(biāo)力矩的100%依次緊固1-12組螺栓，完畢后用塞尺檢查法蘭面間隙是否均勻一致；第四輪以目標(biāo)力矩的100%以順時針或逆時針方向依次緊固螺栓，直到所有螺母在該力矩下不再旋轉(zhuǎn)為止。

為消除短時蠕變松弛作用，ASME PCC-1要求至少4小時后，重復(fù)第四輪的步驟，即進行第五輪操作?？梢姲凑諅鹘y(tǒng)模式，一對法蘭面的螺栓至少需要進行五輪操作才能完成螺栓緊固工作，如果在操作過程中發(fā)現(xiàn)法蘭面間隙沒有達到均勻一致的要求，則需額外增加操作次數(shù)。

圖3 法蘭面間隙檢查

由于傳統(tǒng)模式方法繁復(fù)，ASME PCC-1附件F描述了多種替代方案，當(dāng)采用單一工具時，可視情況采用替代模式，替代模式也是至少五輪操作，但每輪操作的螺栓數(shù)量大為不同。傳統(tǒng)模式要求每輪都要對所有螺栓進行緊固，以12組螺栓為例，五輪下來一共對螺栓緊固了60次。1#替代模式首輪只需對4組螺栓進行緊固（圖2中1-2-3-4），第二輪緊固接下來的4組（圖2中5-6-7-8），第三輪緊固剩余螺栓（圖2中9-10-11-12），第四輪以十字交叉法緊固所有螺栓（圖2中1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12），第五輪與傳統(tǒng)模式一致（圖2中1-8-10-4-6-12-2-7-9-3-5-11）。整個流程走下來一共對螺栓緊固了36次。

2#替代模式與1#替代模式類似，只是無需對螺栓進行編號，使得現(xiàn)場操作更加簡潔。首輪選4組對角螺栓進行緊固，第二輪選取第一輪緊固過的螺栓的相鄰螺栓進行緊固，第三輪緊固剩余螺栓，第四輪以十字交叉順序或圓周順序緊固所有螺栓，第五輪與傳統(tǒng)模式一致。

3#替代模式最為簡單，無論螺栓總量多少，它前三輪只緊固12點鐘、6點鐘、3點鐘、9點鐘方向4組螺栓，第四輪按照順時針或逆時針方向緊固所有螺栓，沒有第五輪。

盡管傳統(tǒng)模式操作最為繁瑣，但由于其安全系數(shù)較高，且有的替代模式只適用于部分場合，故海洋石油工程類項目依然重視傳統(tǒng)模式。

3.2 拉伸緊固模式

與力矩緊固模式相比，拉伸緊固操作起來相對簡單。一般來講，拉伸緊固采用50%覆蓋法，即每隔一個螺栓將其標(biāo)記為A，另一半螺栓標(biāo)記為B，一次拉伸一半數(shù)量的螺栓。

拉伸緊固可一步到位也可采用增量法。一步到位分為兩輪操作，首輪以目標(biāo)拉伸力緊固A螺栓，第二輪以目標(biāo)拉伸力緊固B螺栓。增量法拉伸可采用如下步驟：

(1)首輪緊固以30%目標(biāo)拉伸力拉伸A螺栓；(2)第二輪緊固以60%目標(biāo)拉伸力拉伸B螺栓；(3)第三輪緊固以100%目標(biāo)拉伸力拉伸A螺栓，然后拉伸B螺栓；(4)為消除短時蠕變松弛作用，一段時間后以100%目標(biāo)拉伸力拉伸A螺栓和B螺栓。

一步到位的方法由于其沒有漸變的過程，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力松弛，故常用于要求不高的場合或臨時緊固，要求嚴(yán)格的法蘭節(jié)點建議使用增量法。

4 總結(jié)

法蘭管理工作在海洋石油工程類項目中的重要性日益凸顯，而其中最基本的環(huán)節(jié)就是螺栓緊固，本文根據(jù)實際工作經(jīng)驗，介紹了法蘭管理和螺栓緊固工作，并針對螺栓緊固順序的多種方式進行了分析探討，其中的經(jīng)驗可供同行參考。

◆參考文獻

[1] 周建行，關(guān)凱書. ASME PCC-1-2013《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》的解析[J].壓力容器，2019，(10)：38-44.

[2] 張翼. 金屬與金屬接觸式墊片法蘭接頭預(yù)緊方法的研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2014.

[3] 王鳳超.淺析密封與螺栓緊固順序和緊固扭矩的關(guān)系[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2014，(3)：50-52.

[4] ASME PCC-1，壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南[S].