【设备维护】徐君琦:小螺栓蕴含预防设备“零泄漏”大话题

中国设备工程杂志社2019-06-24 01:07:39

         

文/晓雷

  随着全球工业化进程的不断加速,石油化工装置的大型化早已成为常态,工厂管线组件和压力容器跑冒滴漏的问题越来越引起人们的重视。泄漏造成物料损失、环境污染,甚至导致重大设备安全事故。该当如何治理?
  凯特克贸易(上海)有限公司的副总裁徐君琦的回答是:“从小小螺栓抓起。”



徐君琦

  作为凯特克贸易(上海)有限公司的副总裁,徐君琦给人的第一印象,似乎有些略显沉闷。然而当被问及螺栓紧固、工厂泄漏时,他却瞬间变得侃侃而谈:各种数据如数家珍、不绝于耳;各种想法、观点、建议层出不穷,其中很多内容让人有耳目一新之感。
  在徐君琦看来,过去几十年中,有关螺栓的话题虽然开始被越来越多地提及,但是人们对于螺栓的重视程度还是远远不够。“在我们很多设备工作者的潜意识中,对于螺栓是不屑一顾的,有一句经常被用到的俗语‘小到一颗螺丝钉’就明明白白地诠释了很久以来小小螺栓在人们眼中那微不足道的地位。”徐君琦说。

  徐君琦指出,正是因为部分领导和工程技术人员对于螺栓问题的轻视,造成了很多无谓的泄漏损失和严重的环境污染,甚至是重大的设备事故。“如何减少乃至彻底杜绝我国工业领域诸多因螺栓紧固不当引发的设备问题,为我国设备健康运行保驾护航,一直是我和公司共同追寻的目标。”徐君琦如是说。




 


螺栓紧固

不可忽视的设备维护话题

(上篇)

  我国的螺栓行业虽然在核心技术领域的成长缺乏突破,但还是取得了很大进步,现在工业上所应用的很多螺栓早已不是最初的普通螺栓了。

  严选优秀的钢材,采用先进的工艺,执行严格的标准,经过我国螺栓制造厂家的不懈努力,终于打造出了适应不同行业、不同设备的先进螺栓。而在对螺栓的使用上,也日渐规范化,如:高强螺栓“只用一次”原则;同一法兰“只用同一批次”原则等。
  “那么,选对了螺栓,是否就可以高枕无忧了呢?”徐君琦说道:“我们都知道,安装维护设备的时候,电路铺设检修有电工,设备焊接有焊工,这些工种都需要经过严格的培训、是要持证上岗的。可是有人听说过螺栓紧固工吗?现在大多数人对于螺栓紧固的理解,不过是扳手、锤子而已,如果说对于人的要求,或许就是要有把子力气吧。”
  “观念上的轻视、知识上的不足,使螺栓紧固成了可以随便哪个人、随便什么工具、随手可为的工作。操作工的随便带来的是螺栓的玩忽职守,种种伤害,随之而来……”。

紧固不当:
小环节疏忽带来大危害
  近年来,因螺栓紧固不当带来的设备安全问题屡见不鲜,紧固不足、紧固过量、紧固不均等引起的振动超标、螺栓断裂、部件脱落等设备故障、安全事故时有发生。
  2010年1月20日,大唐左云项目的风机维护人员进行“风机叶片主梁加强”工作,直到2010年1月27日工作结束。1月31日,43号风机发出多个报警后因震动值高快速停机。经维护人员处理后再次就地复位启动。次日,43号风机发生倒塌事件。塔筒中段、上段、风机机舱、轮毂顺势平铺在地面上,塔筒上段在中间部分发生扭曲变形。齿轮箱与轮毂主轴轴套连接处断裂,齿轮箱连轴器破碎,叶片从边缘破裂大量填充物散落在地面上。事故发生后,风电场将二期风机全停,并进行外观、内部的全面检查。3月4日,左云风电公司检查发现二期61号风机中下塔筒法兰连接螺栓断裂48个(共125个),在螺栓未断裂部分的法兰与筒壁焊缝中有长度为1.67米的裂缝,其异常现象与倒塌的43号塔筒情况基本一致。
  是什么原因造成大量螺栓断裂,引发此次倒塌事故呢?在去年第10期《能源》杂志封面文章《风机折翼》中有如下两句描述:“运行期间没有按照要求进行塔筒螺栓的力矩检查和维护。”、“风场现场施工单位对螺栓力矩没有按照施工要求进行,机组的塔筒连接螺栓大部分存在力矩不足,有些螺栓用手就可以拧动。”
  2014年8月,某加工分厂的1台数控高速端面外圆磨床出现故障,砂轮移动量与显示器显示数值不符,导致加工出现误差。维修人员在现场对整个机构拆卸检修中发现,两副导轨滚珠的固定装置出现损坏,导致滚珠洒落,使导轨上出现了多处划痕和小坑。经过技术分析检查和讨论,终于发现,两副导轨的平行度有14微米的误差,误差的原因是由于机床生产厂家在用螺栓对十字交叉直线导轨进行紧固时,没有压死及调整均匀,逐渐造成直线导轨受力不均,导致滚珠洒落、故障发生。
  上述两个案例,究其原因,都与螺栓紧固不当密不可分。一直以来,在螺栓紧固时,诸如选择哪种方案,使用什么工具,紧固多少圈这样的问题,很少会有人去研究,然而正是这极其细微的一个小小环节,却与设备的健康运行息息相关,不容疏忽。
紧固要点:
抗拉屈服与预紧力计算
  螺栓的紧固流程一般分为4步:确定螺栓抗拉屈服—计算出轴向预紧力(抗拉屈服0.7~0.9倍)—根据数据和经验判断出最佳预紧载荷对应的扭矩值—紧固。
  紧固流程的前两步为查表计算,基本上没有太大的问题。其中第一步确定螺栓抗拉屈服,与螺栓的材质有关,从机械手册可以查出相关的数据。第二步预紧力的计算分为两种:钢结构的的预紧力计算,国际权威的标准是VDI2230;有密封垫片的压力容器及压力管线法兰预紧力计算,现在国家标准GB150.3-2011中关于螺栓设计载荷的部分也有详细的公式。
  后两步因选用紧固工具和方式的不同而存在种种误差,为设备安全带来很多隐患。
  为了解决上述隐患,紧固工艺在近几十年来,不断的改进和发展,从最初的手动紧固,到气动、电动、液压紧固,有了很大的进步。
  传统的大锤敲击、人力扳杠等紧固方法完全由人的感觉判断,力矩的大小无从计量,毫无精度可言,其紧固效果只能寄希望于操作人员的人个经验,螺栓预紧力的大小根本无从谈起,更多的是尽人事、听天命的无奈。
  最初的气动、电动和液压扳手紧固工艺,虽然可以设定转动螺栓的扭矩,但因为需要以反作用力臂来平衡驱动力,存在偏载,导致不同螺栓紧固时的实际摩擦阻力相差较大,无法准确测知每条螺栓紧固时实际的摩擦阻力,因此其预紧力数值自然也成了未知数。此外,要通过扭矩来紧固或拆松螺栓,由于螺杆在紧固过程中承受了扭转力,可能导致螺栓的损坏。
至于液压拉伸和加热拉伸,因为需要对螺栓进行过度拉伸,超拉的预估值及人工旋紧螺母的影响,再加上各种不同的应用因素、工况条件、螺栓螺母配合公差、垂直度和摩擦系数等影响,使螺栓紧固的精度变得不易控制,很难令人满意。
  对于同一法兰的不同螺栓而言,如果预紧力不均,相对预紧力较小的螺栓就成了致命弱点,或从该点泄漏,或因承受较大交变应力,导致该螺栓松动、断裂,引发设备振动加剧,甚至机毁人伤。

紧固设备:
从个人经验到精确设定
  毫无疑问,最初的紧固设备很简陋,对于传统的紧固方法,徐君琦略有微词:“活扳手、套筒扳手和锤子的使用全凭个人经验,紧固效果的好坏根本无法保证。”
  那么现在的紧固设备如何呢?据徐君琦介绍:“凯特克(HYTORC)人保持着一个无比自豪的纪录,即在过去的40多年来,液压扳手行业,每次重大技术改进及发明,均源自于HYTORC。1968年,HYTORC发明了世间第一部带反作用力臂的液压扳手,是现在业界所用液压扳手的原型。后来人们发现,在使用反作用力臂来阻止工具转动时,可能很难找到一个可靠的着力点,而且反作用力臂还可能造成手指夹伤,会产生多余的摩擦力和弯曲力,可能还需要很多把防止螺母跟转的扳手。为此,HYTORC于1990年推出无反作用力臂紧固螺栓技术,并通过不断改进,使无反作用力臂紧固技术至臻完美。”

  徐君琦介绍了HYTORC无反作用力臂紧固螺栓技术系列设备。包括经典的STEALTH多功能双速中空扭矩拉伸机和AVANTI 多功能方头驱动扭矩拉伸机。以及其天才设计的CLAMP拉伸螺母、DISC拉伸垫圈及Z-Washer“自反作用力垫圈”。


节能减排

小螺栓的效益有多高

(下篇)

  “现在有些石化企业,一旦厂区不冒黑烟,看不到明显泄漏点,就心安理得地自诩为无泄漏工厂,可是检查时,却发现存在大量的VOC(挥发性有机物)泄漏。这些厂区,大多可以闻到各种刺鼻的怪味,其实就是VOC的无组织排放。每个排放点或许很小,甚至肉眼难辨,但排放量却一点也不少,大多因螺栓紧固不当所致。”据徐君琦介绍,英国UKOOA曾作过统计,100起法兰泄漏的事故中有81%的泄漏是不正确的螺栓载荷即预紧力造成的。如果能够紧固好这些小小的螺栓,那么效益将很可观。



泄漏“暗潮汹涌”
监测体系加紧实施
  随着石油化工装置的大型化,工厂生产快速发展,因螺栓紧固不当所造成的管线组件和压力容器跑冒滴漏的问题越来越引起人们的重视。泄漏不仅造成物料的损失、环境的污染,还可能导致巨大的伤亡破坏事故。
  去年,美国某权威环境评测公司对我国23家石化厂进行测算评估,结果发现仅仅这23家石化厂每年的VOC排出量竟然高达12.5万吨,这让人不禁对我国全国工厂的VOC排放值多了几分恐惧。
  此外,因为很多工厂存在着大量肉眼难以发现的泄漏,造成了生产过程中各类事故发生机率的增加。特别是近年来,因设备泄漏导致的爆炸、火灾、设备损坏、产品报废、人员伤亡、环境污染等重大事故的报道从未中断,给工业生产、经济发展、环境卫生和人身安全带来极大的危害。

很显然,国家也看到了工厂泄漏所带来的危害,将工厂泄漏的治理,特别是石化行业VOC排放的综合整治视为重中之重。环境保护部于2014年12月5日印发《石化行业挥发性有机物综合整治方案》的通知,出台《石化行业挥发性有机物综合整治方案》,要求2017年7月1日前,建成全国石化行业VOCs监测监控体系。从政策上为我国大幅减少石化行业VOC排放,促进环境空气质量改善提供了有力的保证。


治理“跑冒滴漏”
螺栓紧固效益高
  影响法兰密封的因素包括螺栓预紧力、垫片性能、密封面形式和精度、法兰和螺栓的机械性能及设备的操作条件等。其中以螺栓预紧力为最。
  某石化公司炼油厂重整芳烃车间柴油加氢精制装置进料、反应产物换热器E-402A、B(型号BIU1000-6.4/6.4-275-6/25-2I)两台,是在1998年大修期间安装并投入使用的。反应产物为柴油、汽油、氢气、硫化氢、氨。管箱与管板法兰以及壳体与管板法兰之间采用八角垫圈(材质0Cr13,外径1125mm),此密封部位的介质操作温度330℃。在装置开、停车期间,柴油与航煤原料切换操作时,以及装置操作压力、温度波动时,其管箱与法兰之间的密封易出现泄漏、冒烟情况。2007年3月,HYTORC技术工程师对该装置进行检测,并对换热器E-402/A、B提出了螺栓坚固优化方案。于2007年9月检修期间进行了现场优化改进,优化后,“零泄漏”目标完成效果良好。此后数年,在易泄漏法兰安装、螺栓紧固优化项目上先后多次与HYTORC保持良好的合作关系。
  炼油厂焦化车间的焦化塔及管线法兰因为每天温度变化过大(从常温到300℃以上),容易发生泄漏。某焦化车间的靠馏出线法兰,原来每隔几个月就会发生法兰泄漏,自从2008年HYTORC采用预紧力控制技术改造以后,在接下来3年的运行期间没再发生过泄漏。

  某石化公司300万吨/年重油催化裂化联合装置的油浆蒸汽发生器换热器原来为防止泄漏发生,油浆发生器管程和壳程法兰均在螺母下安装了碟簧,再以液压扳手设定力矩紧固。然而看似完美的紧固却暗藏隐患,此后数年中,两台油浆发生器多次发生泄漏、着火等重大事故。2009年,采用HYTORC螺栓紧固技术进行改造,解决了泄漏问题,2年一度的运行周期中再未发生因螺栓紧固问题造成的计划外停车事故,并在以后的每次大修中均采用了HYTORC技术。



HYTORC提供从泄漏检查到泄漏治理的完整解决方案在我国广为应用


设备齐全“如锦”
制度培训“添花”
  谈到泄漏的治理,徐君琦认为,“密封是一个庞大的系统,如果出现泄漏应该全方面的分析设备的硬件条件,操作及控制等软件条件。对于硬件条件,比如明显的螺栓失效、法兰变形、密封面或密封垫破损能够比较容易分析,但对于软件条件,比如螺栓预紧力是否达到,是否均匀,设备操作的温度和压力是否有波动等则应该通过计算、测量等手段进行调查。”
  他说:“仅仅靠使用质量很好、精度很高的工具,还不足以停止泄漏。 HYTORC通过稳步发展的液压扭矩拉伸紧固系统,不断简化拧紧和拆松螺栓的过程。HYTORC提供从泄漏检查到泄漏治理的完整解决方案,依照ASME (美国机械工程师协会)制订的PCC-1-2010(压力边界螺栓法兰连接装配指南)进行全面的分析和科学的指导,保证紧固完成后的法兰连接的可靠性和长周期稳定运行。HYTORC的解决能力包括查找或定点检测可能存在的泄漏;根据ASME的原理对泄漏原因进行分析;对法兰紧固方案及任何螺栓紧固问题提供咨询;对法兰密封面进行在线检查及修复;提供法兰安装的设备和技术支持;对法兰紧固操作人员进行培训,提高其专业技能。”

  到目前为止,HYTORC提供从泄漏检查到泄漏治理的完整解决方案已经在我国的石油、化工、钢铁、风电、火电、核电、水电、铁路、大型工程机械、造船业得到广泛的应用。从小小螺栓入手,全力消除设备法兰泄漏和螺栓事故,在节能减排方面卓有成效,为我国绿色工业的发展提供了有力的保证。