談海洋石油工程建造螺栓緊固順序
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[摘要]法蘭管理是海洋石油工程項(xiàng)目越來越重視的一項(xiàng)工作。眾所周知，海洋石油工程項(xiàng)目中存在大量法蘭節(jié)點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于萬噸級(jí)的海洋平臺(tái)來講，法蘭節(jié)點(diǎn)數(shù)量至少上千個(gè)。目前無論國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目都非常重視法蘭連接點(diǎn)的可靠性，而法蘭管理工作的核心理念就是要按照既定的程序緊固螺栓。本文對(duì)法蘭管理工作進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)螺栓緊固順序的多種方式進(jìn)行了探討，其中的經(jīng)驗(yàn)可供同行參考。
[關(guān)鍵詞]法蘭管理；管線專業(yè)；螺栓緊固；海洋石油工程
越來越多的海洋石油工程項(xiàng)目要求在建造過程中進(jìn)行法蘭管理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于法蘭泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)上億美元。國(guó)際上專門的機(jī)構(gòu)如ECITB對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)和認(rèn)證，也有專門的標(biāo)準(zhǔn)如ASMEPCC-1對(duì)法蘭管理工作進(jìn)行規(guī)范，目前筆者從事的涉外項(xiàng)目中全部要求進(jìn)行法蘭管理。法蘭管理工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它涉及到操作人員、技術(shù)人員、檢驗(yàn)人員、安全人員、管理人員等，并對(duì)人員分工、培訓(xùn)取證、工具選擇、材料檢驗(yàn)、螺栓緊固、掛牌記錄等環(huán)節(jié)提出了具體要求，每個(gè)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(diǎn)的可靠性。本文對(duì)法蘭管理以及螺栓緊固做一簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)螺栓緊固順序的多種方式進(jìn)行探討，其中的經(jīng)驗(yàn)可供同行參考。
1法蘭管理簡(jiǎn)介
法蘭管理從法蘭、螺栓、墊片等材料到貨時(shí)開始進(jìn)行，它是對(duì)材料保護(hù)、搬運(yùn)、裝配（拆卸）、檢驗(yàn)、掛牌、記錄等活動(dòng)的總稱，施工方開展工作前需編制詳細(xì)的施工程序報(bào)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)；(6)材料保存和倒運(yùn)：用于規(guī)定法蘭、螺栓、墊片等材料的保存和倒運(yùn)要求；(7)裝配（拆卸）：用于規(guī)定本項(xiàng)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(yàn)和記錄：用于規(guī)定法蘭管理工作完成后的檢驗(yàn)和記錄要求。
2螺栓緊固簡(jiǎn)介
螺栓緊固的最終目標(biāo)是要確保法蘭連接在測(cè)試和運(yùn)行期間始終無泄漏?？煽氐穆菟ňo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(dòng)力矩扳手或液壓力矩扳手，以目標(biāo)力矩為基礎(chǔ)進(jìn)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(jìn)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(jì)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(diǎn)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(xiǎn)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(xiàng)目中，一般以螺栓直徑為依據(jù)，對(duì)緊固方式進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于直徑在1.25”及以下的螺栓，采用力矩方式緊固，對(duì)于直徑超過1.25”的螺栓，采用液壓拉伸方式緊固。對(duì)于力矩值超過1000N•m的螺栓，考慮采用液壓力矩扳手。
3螺栓緊固順序分析
3.1力矩緊固模式
ASMEPCC-1章節(jié)11.1描述了當(dāng)使用單一工具時(shí)可采用的螺栓緊固順序，目前海洋石油平臺(tái)通用的力矩緊固模式一般遵循ASMEPCC-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(duì)螺栓進(jìn)行編號(hào)，然后按照一定的增量平穩(wěn)施加力矩，最后達(dá)到目標(biāo)力矩。圖2為一幅12組螺栓的編號(hào)示意圖。以圖2為例，由于螺栓已經(jīng)按十字交叉法編號(hào)，故緊固螺栓時(shí)只需按照數(shù)字順序從1到12依次進(jìn)行緊固即可。傳統(tǒng)模式的螺栓緊固至少需要進(jìn)行五輪。在進(jìn)行第一輪緊固前，先手動(dòng)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(shí)針或逆時(shí)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(shí)蠕變松弛作用，ASMEPCC-1要求至少4小時(shí)后，重復(fù)第四輪的步驟，即進(jìn)行第五輪操作?？梢姲凑諅鹘y(tǒng)模式，一對(duì)法蘭面的螺栓至少需要進(jìn)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(dá)到均勻一致的要求，則需額外增加操作次數(shù)。由于傳統(tǒng)模式方法繁復(fù)，ASMEPCC-1附件F描述了多種替代方案，當(dāng)采用單一工具時(shí)，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(duì)所有螺栓進(jìn)行緊固，以12組螺栓為例，五輪下來一共對(duì)螺栓緊固了60次。1#替代模式首輪只需對(duì)4組螺栓進(jìn)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(gè)流程走下來一共對(duì)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(duì)螺栓進(jìn)行編號(hào)，使得現(xiàn)場(chǎng)操作更加簡(jiǎn)潔。首輪選4組對(duì)角螺栓進(jìn)行緊固，第二輪選取第一輪緊固過的螺栓的相鄰螺栓進(jìn)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(jiǎn)單，無論螺栓總量多少，它前三輪只緊固12點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘方向4組螺栓，第四輪按照順時(shí)針或逆時(shí)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(chǎng)合，故海洋石油工程類項(xiàng)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(duì)簡(jiǎn)單。一般來講，拉伸緊固采用50%覆蓋法，即每隔一個(gè)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(shí)蠕變松弛作用，一段時(shí)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(chǎng)合或臨時(shí)緊固，要求嚴(yán)格的法蘭節(jié)點(diǎn)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(xiàng)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(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了法蘭管理和螺栓緊固工作，并針對(duì)螺栓緊固順序的多種方式進(jìn)行了分析探討，其中的經(jīng)驗(yàn)可供同行參考。
參考文獻(xiàn)
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作者：王超眾 魏玉壘 高鳳龍 袁林峰 董濟(jì)水 單位：海洋石油工程（青島）有限公司
