一種可以消除火電廠法蘭泄漏和螺栓松動的螺栓緊固技術(shù)

電力企業(yè)的承壓設(shè)備和管道內(nèi)充滿了高溫、高壓的水和蒸汽及可燃的氫氣和潤滑油。設(shè)備的法蘭一旦發(fā)生泄漏，可能引發(fā)爆炸、火災(zāi)、人員傷亡、設(shè)備損壞等各類嚴(yán)重后果，給國民經(jīng)濟(jì)和人民的生命財產(chǎn)帶來極大的危害。為了安裝和檢修的需要，在電力企業(yè)的設(shè)備上有無數(shù)的法蘭使用了螺栓連接方式。

一種可以消除火電廠法蘭泄漏和螺栓松動的螺栓緊固技術(shù)

中國電力設(shè)備管理協(xié)會高級專家、教授級高級工程師 宓正源

眾所周知，電力企業(yè)的承壓設(shè)備和管道內(nèi)充滿了高溫、高壓的水和蒸汽及可燃的氫氣和潤滑油。設(shè)備的法蘭一旦發(fā)生泄漏，可能引發(fā)爆炸、火災(zāi)、人員傷亡、設(shè)備損壞等各類嚴(yán)重后果，給國民經(jīng)濟(jì)和人民的生命財產(chǎn)帶來極大的危害。相信每個從事電力設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)的工作人員，都有切身的體會。

據(jù)英國UKOOA（英國海洋作業(yè)者協(xié)會，U.K.Offshore Operators' Association)統(tǒng)計，100起法蘭泄漏的事故中有81%的泄漏是由于不正確的螺栓載荷即預(yù)緊力不當(dāng)造成的。為了安裝和檢修的需要，在電力企業(yè)的設(shè)備上有無數(shù)的法蘭使用了螺栓連接方式。

螺栓連接的法蘭兩側(cè)有些是價格高昂的設(shè)備。國家和企業(yè)對法蘭兩側(cè)的焊縫質(zhì)量是非常重視的，往往要花費(fèi)大量的投入來培訓(xùn)焊工，重要設(shè)備的焊縫要由經(jīng)過培訓(xùn)的高級焊工，持證上崗進(jìn)行焊接，還要進(jìn)行熱處理，并對焊縫進(jìn)行100%探傷檢查，對不合格的焊縫要進(jìn)行挖補(bǔ)處理。

可是，在我國的電力行業(yè)乃至全國的工業(yè)界，人們對螺栓的認(rèn)識，就沒有像對焊縫那樣重視，只知道把螺母緊到緊不動就好了。殊不知，傳統(tǒng)的緊固方法就是造成法蘭泄漏的根本原因。

為什么傳統(tǒng)的緊固方法就是造成法蘭泄漏的根本原因？

傳統(tǒng)緊固螺栓的方法是：對小的螺栓，可用活扳手、套筒扳手緊固。對大尺寸螺栓，要用加長力臂的套筒扳手緊固，有人干脆用大錘敲擊套筒扳手來緊固螺栓。后來用氣動、電動、液壓扳手、液壓拉伸器來緊固螺栓。

對一些特別大的汽缸法蘭螺栓，則只有通過螺栓的中心孔加熱，使螺栓伸長后再緊固螺母，等螺栓冷卻后收縮，來達(dá)到緊固目的。

用手動方法緊固時，只能以扳手轉(zhuǎn)不動螺母、大錘敲不動扳手為止，和施工者的力氣有關(guān)，緊固后誰也不知道螺栓的預(yù)緊力是多少。氣動、電動工具緊固后也一樣。

用傳統(tǒng)液壓扳手緊固螺栓時，雖然可以設(shè)定轉(zhuǎn)動螺栓的扭矩，但必須要有一個反作用力臂來平衡驅(qū)動力，否則機(jī)具就原地打轉(zhuǎn)了。根據(jù)力矩平移定律，此時液壓扳手的效果等效于一個力偶加上一個與此力偶垂直的側(cè)向力。由于螺栓和螺母之間的螺紋為面接觸，有間隙，此側(cè)向力將螺紋之間的面接觸改變成線接觸，大大增加了螺紋之間的摩擦系數(shù)，隨著正壓力的增加，摩擦阻力也在增加。而隨著反作用力臂支點的變化，一方面會使螺紋之間線接觸的角度發(fā)生變化，從而引起摩擦系數(shù)發(fā)生變化。另一方面會使側(cè)向力的大小相差很大，導(dǎo)致每條螺栓在緊固時產(chǎn)生的實際摩擦阻力會相差很大。

雖然傳統(tǒng)液壓扳手給每條螺栓都提供了相似的緊固力矩，但是在克服了未知、而且不同的摩擦阻力后，剩余的力矩才能轉(zhuǎn)化成預(yù)緊力，所以每條螺栓的預(yù)緊力數(shù)值也不同，而且還是個未知數(shù)。當(dāng)然，如果要做試驗，在螺母下面安裝了測量元件，還是可以測量到該螺栓的預(yù)緊力的。

圖為帶反作用力臂液壓扳手

至于液壓螺栓拉伸器，不但要對螺栓產(chǎn)生過度拉伸，而且拉伸器緊固后的螺栓預(yù)緊力的精度更低。據(jù)BASF（德國巴斯夫?qū)嶒炇遥τ靡簤喊馐趾鸵簤豪炱骶o固后的螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行檢測，預(yù)緊力精度分別為±15%和±51%。

目前電廠普遍使用加熱的方法讓大直徑的螺栓伸長，達(dá)到預(yù)定的溫度后，轉(zhuǎn)動螺母一個角度，等溫度降低后獲得預(yù)緊力。當(dāng)然，這種方法也無法得知實際的預(yù)緊力值，而且每次加熱螺栓都很費(fèi)時間。

可見，用傳統(tǒng)的方法緊固螺栓后，螺栓的預(yù)緊力大小是個未知數(shù)，而螺栓預(yù)緊力的大小以及偏差的大小，決定了法蘭是否會發(fā)生泄露。

對發(fā)電廠的法蘭而言，有些是彈性法蘭（法蘭間帶彈性密封墊圈），如果螺栓的初始預(yù)緊力不夠高，在溫度升高時，由于螺栓的溫度低于法蘭，所以螺栓被拉伸，預(yù)緊力會比初始值要增大，彈性密封墊被進(jìn)一步壓縮。當(dāng)螺栓的溫度也隨之升高接近法蘭溫度時，由于密封墊不能回彈到初始位置，螺栓的預(yù)緊力會丟失一點。當(dāng)法蘭的溫度跟隨內(nèi)部工質(zhì)下降時，雖然螺栓的溫度也下降，但是要高于法蘭的溫度，此時螺栓的預(yù)緊力又要丟失一點。對于溫度、壓力頻繁變化的法蘭而言，螺栓的預(yù)緊力是不斷減少的。因為法蘭上螺栓的初始預(yù)緊力值偏差較大，只要當(dāng)法蘭上某條螺栓的預(yù)緊力低于法蘭內(nèi)部的壓力時，內(nèi)部的工質(zhì)就會沖破密封墊的約束，向外泄漏。一旦泄漏的介質(zhì)破壞了密封墊和法蘭，即使再緊固螺栓也無濟(jì)于事了。只能采用帶壓堵漏，或用氮氣將可燃?xì)怏w稀釋，以防止火災(zāi)，等待下一次檢修時，停機(jī)處理。當(dāng)然，初始預(yù)緊力也不能過大，否則，壓潰了彈性密封墊圈，開機(jī)就泄漏了。

發(fā)電設(shè)備上的法蘭不發(fā)生泄漏的條件：

首先，緊固前要保證兩個法蘭面平行、無位差，密封面、密封墊和螺栓的質(zhì)量合格。其中，密封墊的質(zhì)量至關(guān)重要，據(jù)調(diào)查，國內(nèi)有300多家密封墊圈生產(chǎn)廠家，但是，真正能夠經(jīng)得起質(zhì)量檢測的廠家寥寥無幾，這也是為什么法蘭運(yùn)行一段時間就漏了，檢修時打開法蘭，發(fā)現(xiàn)纏繞墊圈都散架了。這是由于制造墊圈的技術(shù)太專業(yè)了，容易被非專業(yè)的技術(shù)人員所忽視，看似不錯的墊圈由于制造工藝和材料的質(zhì)量不好而成為泄漏的原因之一?，F(xiàn)在，蘇州有一家專門生產(chǎn)墊圈的外資廠家：福來西密封技術(shù)（蘇州）有限公司，該公司100多年前發(fā)明了世上第一片纏繞墊圈，一直以生產(chǎn)全球最高質(zhì)量的墊圈為主要產(chǎn)品，以前生產(chǎn)的產(chǎn)品90%出口到美國、加拿大、澳大利亞，現(xiàn)在新建了廠房，擴(kuò)大了產(chǎn)能，可以向國內(nèi)供貨。他們的專業(yè)人員可根據(jù)設(shè)備不同的工況和部位，幫助用戶選擇合適的量產(chǎn)系列墊圈或量身定做墊圈，配合正確的螺栓緊固技術(shù)，就可保證火電廠的高溫、高壓法蘭達(dá)到不泄漏的要求。

其次，正確的螺栓緊固技術(shù)，就是要加大法蘭上這一圈螺栓的預(yù)緊力，要保證預(yù)緊力接近但要小于密封墊的壓潰值（好的墊圈這個值越高，回彈性也越高），并控制每一條螺栓的預(yù)緊力的偏差要小于±10%以下。

第三，為使法蘭平行閉合，最少要同時緊固4條螺栓。

還有一點需要注意，要由經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人員操縱機(jī)具，按規(guī)定的工藝進(jìn)行緊固工作。要認(rèn)真檢查、清潔和潤滑拆下來的螺栓和螺母，如果發(fā)現(xiàn)有螺牙損壞，或螺栓有裂紋，就要用同一廠家、同一批號新的螺栓和螺母更換此法蘭上的所有螺栓，不能新舊螺栓混合使用。

如何才能控制螺栓的預(yù)緊力？

如果在緊固螺栓時沒有附加的力偶（側(cè)向力）作用到螺母上，就像用兩個手指擰動螺母，此時摩擦副的螺紋之間是面接觸，只要控制好螺紋之間、螺母和墊圈之間接觸面的加工精度，以及保持摩擦副的潤滑條件一致，在緊固螺栓時就可以獲得大致相同的摩擦力，相同的驅(qū)動力減去大致相同的摩擦力，就可獲得較為精確的螺栓預(yù)緊力。

美國HYTORC公司在1968年發(fā)明了世界上第一部帶反作用力臂的液壓扳手，因為這一發(fā)明，為世人提供了能夠緊固大尺寸螺栓的機(jī)具，幫助工人扔掉了大錘?，F(xiàn)在工業(yè)界使用的液壓扳手都是這種技術(shù)的翻版。

但是，這個反作用力臂也帶來了巨大的負(fù)面的影響，如：誰也不知道，緊固后的螺栓實際的預(yù)緊力是多少？由于反作用力臂在緊固螺栓時，給螺栓施加了一個巨大的側(cè)向力，這個側(cè)向力和反作用力臂的長度有關(guān)，往往在幾噸的數(shù)量級。這么大的力作用到一個小小的螺拴上，一方面會產(chǎn)生巨大的摩擦力，會大量消耗液壓扳手的驅(qū)動力，使螺栓的預(yù)緊力達(dá)不到預(yù)定的值；另一方面容易夾傷操作人員的手指，還會損壞液壓扳手的外殼和螺栓的螺牙，使螺栓在檢修時很難拆卸，不得已時要動用氣割破拆。

為取消反作用力臂，HYTORC公司在1990年首次推出了一項無反作用力臂緊固螺栓的專利技術(shù)：用一個自帶反作用力臂的CLAMP拉伸螺母（見下圖:由內(nèi)套筒1、外套筒2和墊圈3組成）代替常規(guī)螺母。

其工作原理是：內(nèi)套筒1的內(nèi)壁有細(xì)牙陰螺紋，和螺栓的螺紋嚙合，其外壁有梯形的陽螺紋和外套筒2的陰螺紋嚙合。當(dāng)機(jī)具順時針轉(zhuǎn)動外套筒2時，使內(nèi)套筒1得到一個向上的力，在提升套筒1時，因為內(nèi)套筒的細(xì)螺紋和螺栓的細(xì)螺紋嚙合，就把提升力傳遞到螺栓，于是螺栓也被提升，這個力垂直向上，沒有偏載，同時對外套筒2有一個垂直向下的力，該力作用到墊圈3上，并通過該墊圈作用到法蘭面。轉(zhuǎn)動外套筒2產(chǎn)生的反作用力矩，通過外套筒2傳遞到機(jī)具上，機(jī)具的外殼和內(nèi)套筒1 上部的鍵槽嚙合，而內(nèi)套筒1下端外側(cè)有齒形鍵插入墊圈3內(nèi)壁的齒形鍵槽中，是可以垂直移動而不能轉(zhuǎn)動的，從而巧妙地平衡了反作用力矩。

CLAMP拉伸螺母就這樣取消了傳統(tǒng)的反作用力臂。

由于在拉伸螺母內(nèi)部控制了所有相對運(yùn)動部件的摩擦力，使各條螺栓產(chǎn)生的摩擦阻力相對一致。由液壓機(jī)具產(chǎn)生（相對一致）的扭矩，減去了螺栓（相對一致）的摩擦力后，所剩的扭矩也相對一致，所剩扭矩轉(zhuǎn)變成螺栓的預(yù)緊力也相對一致了。用這種方法緊固的螺栓，其預(yù)緊力的精度經(jīng)BASF（德國巴斯夫?qū)嶒炇遥y試，為±4%，在實際應(yīng)用時，取±5%。

這一技術(shù)可以精確控制螺栓預(yù)緊力的大小和偏差，可以滿足電力企業(yè)的特殊工況需求。如：

一、可以對火電、核電（汽機(jī)內(nèi)、外缸法蘭）、水電（水輪機(jī)對輪）的大直徑螺栓進(jìn)行冷緊、冷松施工，不但能保證預(yù)緊力的值和精度，還因為取消了加熱螺栓的過程，可縮短1-2天檢修工期。這1-2天發(fā)電量的價值差不多可抵消購買拉伸螺母的費(fèi)用。

圖為液壓拉伸器

拉伸螺栓時

拉力卸載后

因為內(nèi)套筒的細(xì)牙紋和螺栓的細(xì)牙紋連接，且沒有相對位移，螺栓的每一圈細(xì)牙紋都分擔(dān)了內(nèi)套筒巨大的提升力，所以螺栓的每一圈細(xì)牙紋都是安全的。外套筒和內(nèi)套筒之間是通過梯形螺牙紋嚙合，通過梯形螺牙紋可以產(chǎn)生巨大的提升力提升內(nèi)套筒，因此，在常溫下轉(zhuǎn)動外套筒就可提升內(nèi)套筒，內(nèi)套筒的螺紋和螺栓螺紋連接，隨著內(nèi)套筒的提升，將螺栓拉伸到需要的預(yù)緊力。

CLAMP拉伸螺母和驅(qū)動機(jī)具照片

CLAMP拉伸螺母結(jié)構(gòu)圖

二、高壓缸主蒸汽調(diào)速導(dǎo)管法蘭、中壓缸再熱汽進(jìn)導(dǎo)管法蘭、主汽門、調(diào)速汽門、高壓旁路閥蓋通常采用耐高溫的合金鋼雙頭螺栓連接，采用拉伸螺母代替常規(guī)的螺帽后，由于CLAMP拉伸螺母的內(nèi)套筒和螺栓的細(xì)螺牙在緊固時沒有相對位移，螺栓的細(xì)螺牙沒受損傷，只要按規(guī)定涂抹合格的螺紋潤滑劑及控制好螺紋副之間的間隙，在大修時就可輕松拆下。而用傳統(tǒng)液壓扳手緊固時，靠近螺母底部的3-4圈螺牙受力最大，尤其是用大錘敲擊的方式緊固調(diào)主汽門的合金鋼螺栓后，由于巨大的側(cè)向力，有些螺栓的螺牙已經(jīng)變形損壞。所以，拆卸時再用大錘敲下去，有的螺栓就齊根斷了。需要在斷的螺栓上鉆孔，用火把切割，取出斷的螺栓后再用絲錐套扣，還要配新的螺栓，過程非常費(fèi)時、費(fèi)力又費(fèi)錢。干過這項工作的人員一定深有體會。

三、低壓缸導(dǎo)汽管法蘭，低壓內(nèi)、外缸法蘭，發(fā)電機(jī)端蓋，高壓給水泵端蓋，高壓加熱器端蓋、人孔門，高排逆止閥，高壓給水截止閥、調(diào)節(jié)閥、逆止閥蓋，中-低壓、低壓-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸節(jié)的螺栓及各種轉(zhuǎn)動機(jī)械容易發(fā)生松動的地腳螺栓，采用拉伸螺母緊固可保證每條螺栓有足夠精確的預(yù)緊力，可防止泄漏和松動。

四、高壓抗燃液系統(tǒng)的法蘭泄漏，會污染設(shè)備并粘上灰塵，另外也污染車間的空氣，而潤滑油系統(tǒng)法蘭的泄漏可能會引起火災(zāi)。消除這類泄漏，除了注意螺栓緊固的順序及預(yù)緊力的大小、預(yù)緊力的精度以外，還要注意密封墊片及涂料的質(zhì)量和選型?？梢宰稍儎P特克和福來西的專業(yè)人員，采用正確的緊固方法和選用合適的墊片來解決。

用新的CLAMP拉伸螺母和福來西高質(zhì)量的墊圈，就可以解決電廠的泄漏問題。有需要特殊密封墊圈的單位可聯(lián)系福來西密封技術(shù)（蘇州）有限公司，項目和市場經(jīng)理黃娟電話：18550367202，也可以到福來西的工廠參觀，親自見證世界頂級墊圈制造的過程和試驗裝置。