引言

定力矩緊固技術(shù)自2015年前后推廣以來，實(shí)現(xiàn)了許多典型的“零泄漏”案例[1-3]，為石油化工裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要技術(shù)保障，逐漸成為石化領(lǐng)域主流的石化法蘭緊固技術(shù)。相比于“大錘緊固法”，定力矩緊固技術(shù)通過精密的計(jì)算、精準(zhǔn)的力矩控制和精細(xì)的管理，能夠有效提高法蘭螺栓的預(yù)緊力一致性，大大降低預(yù)緊力不足、預(yù)緊力過高的情況發(fā)生。然而，從預(yù)緊力換算到施工力矩僅是理論上的精確，依賴于穩(wěn)定一致的摩擦系數(shù)。但實(shí)際上，同一法蘭上不同的螺栓孔位摩擦系數(shù)不盡相同，而在相同施工力矩作用下，0.01的摩擦系數(shù)差異可能會(huì)造成預(yù)緊力誤差達(dá)到50%。于是往往就會(huì)出現(xiàn)力矩夠但預(yù)緊力仍不夠的狀況，為裝置安全運(yùn)行埋下隱患。此外，在力矩控制方面，力矩扳手油壓不穩(wěn)、間歇性欠壓、不正確的反作用支點(diǎn)等都會(huì)直接影響力矩的施加，進(jìn)而影響法蘭螺栓預(yù)緊力。一般來說，由于力矩不足導(dǎo)致的預(yù)緊力不足問題，可依靠多輪次緊固、力矩驗(yàn)收來排除，但石化裝置法蘭螺栓數(shù)據(jù)巨大且檢修工期緊張，實(shí)際中很難做到嚴(yán)格的多輪次緊固和全面的力矩驗(yàn)收，需要高水平的管理措施進(jìn)行約束才能獲得較好的緊固效果?；谝陨蟽牲c(diǎn)原因，定力矩緊固技術(shù)并不能完全消除由于螺栓緊固問題帶來的安全隱患。原因在于定力矩緊固技術(shù)采用了“力矩”這一物理量來衡量螺栓的緊固質(zhì)量，而非直接測(cè)量螺栓“預(yù)緊力”（又稱夾緊力、軸向力、軸力），從而引入了如摩擦系數(shù)、人員、機(jī)具等不可控或難控因素。因此，為進(jìn)一步提高石化裝置的法蘭螺栓緊固水平，引入可以直接測(cè)量螺栓預(yù)緊力的新技術(shù)是一種有效方式。目前，能夠測(cè)量螺栓預(yù)緊力的方法有超聲法、壓力墊圈法、應(yīng)變片法、內(nèi)置光纖法等。從測(cè)試效率、測(cè)試精度、成本方面考慮，超聲法是最適用于石化領(lǐng)域的技術(shù)。特別是采用電磁超聲技術(shù)的測(cè)量方法，具有無需涂抹耦合劑、無需打磨螺栓表面的優(yōu)勢(shì)。

1、技術(shù)原理

超聲法預(yù)緊力測(cè)量分為單波法和雙波法。單波法需要在螺栓緊固前和緊固后分別測(cè)量一次，作差后得出螺栓預(yù)緊力，而雙波法只需要在緊固后測(cè)量一次便可得出螺栓預(yù)緊力，相對(duì)單波法更加便捷。常見的超聲技術(shù)有壓電超聲和電磁超聲，主要區(qū)別在于產(chǎn)生和接收超聲波的物理機(jī)理不同。兩種超聲技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)單波法和雙波法，但相比于壓電超聲，電磁超聲通過非接觸式的電磁作用產(chǎn)生和接收超聲波，具有無需耦合劑、無需打磨的優(yōu)勢(shì)，可大大提升檢測(cè)效率?？紤]到石化裝置螺栓檢修任務(wù)有工作量大、工期緊張的特點(diǎn)，要選擇具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)便捷性高的技術(shù)組合。通過比較分析可知：電磁超聲+雙波法是最適合的螺栓預(yù)緊力檢測(cè)手段。

1.1超聲法預(yù)緊力測(cè)量原理

螺栓中可傳播兩種形式的超聲波：縱波和橫波。如圖1左圖所示，縱波和橫波在螺栓中的傳播時(shí)間與螺栓預(yù)緊力成線性關(guān)系。單波法只采用了一種形式的超聲波（縱波或者橫波），通過測(cè)量螺栓緊固前后的聲時(shí)差來測(cè)量預(yù)緊力。雙波則同時(shí)采用了兩種形式的超聲波，通過聯(lián)立方程，消除了初始聲時(shí)這一變量，免去了在螺栓緊固前記錄原始聲時(shí)的操作，大大提升了測(cè)量的便捷性。如圖1右圖所示，使用電磁超聲探頭可在螺栓中產(chǎn)生和接收雙波（縱波和橫波）。

1.2電磁超聲原理

如圖2所示，電磁超聲探頭由一個(gè)永磁體和一個(gè)線圈組成。發(fā)射超聲波時(shí)，線圈中會(huì)通入高頻的交流電流，當(dāng)靠近金屬試件（螺栓端面）時(shí)，會(huì)在試件表面感應(yīng)出渦流，該渦流在永磁體磁場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生方向交替變化的力，在交變力的作用下便在試件的表面產(chǎn)生了超聲波。超聲波沿著螺栓體傳播，遇到另一端時(shí)會(huì)進(jìn)行反射，當(dāng)反射的超聲波傳播回電磁超聲探頭端面時(shí)，會(huì)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而被線圈拾獲信號(hào)。

通過設(shè)置靜磁場(chǎng)方向和螺旋線圈電流走向，可以控制交變力的方向，進(jìn)而產(chǎn)生不同形式的超聲波。因此，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的電磁超聲探頭，具備同時(shí)發(fā)生和接收雙波的能力，能夠滿足螺栓預(yù)緊力測(cè)量需求。

2、螺栓預(yù)緊力檢測(cè)流程

2.1標(biāo)定

標(biāo)定的目的是獲得預(yù)緊力與雙波聲時(shí)之間的線性參數(shù)，具體流程是：取3~5顆樣品螺栓，模擬實(shí)際情況把螺栓安裝在萬能電子試驗(yàn)機(jī)上；將電磁超聲探頭吸附在螺栓端面（如圖3右圖所示）；編制萬能電子試驗(yàn)機(jī)程序（如圖3左圖所示），進(jìn)行步進(jìn)拉伸試驗(yàn)；每個(gè)力保載期間使用電磁超聲儀器記錄數(shù)據(jù)；拉伸結(jié)束后擬合出線性參數(shù)，并保存在儀器中以便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取使用。

2.2預(yù)緊力檢測(cè)

石化裝置間檢修期間施工方、預(yù)緊力檢測(cè)方、業(yè)主方配合流程下：（1）回裝前的準(zhǔn)備工作。檢測(cè)方通過實(shí)際測(cè)量、查詢法蘭臺(tái)賬等方式確定待測(cè)螺栓規(guī)格等參數(shù)，并生成全廠待測(cè)螺栓標(biāo)定數(shù)據(jù)庫，便于回裝時(shí)快速調(diào)取使用。（2）回裝期間的分工。①實(shí)施主體。檢測(cè)方向業(yè)主反饋當(dāng)天檢測(cè)情況，并針對(duì)各法蘭面出具過程報(bào)告、對(duì)緊固質(zhì)量進(jìn)行打分。②風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)標(biāo)記。檢測(cè)方依據(jù)預(yù)緊力測(cè)量結(jié)果，對(duì)緊固質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)作醒目、明顯的標(biāo)記，并通知施工方適時(shí)處理。③復(fù)測(cè)。對(duì)施工方整改效果進(jìn)行重新評(píng)估，直至排除所有已發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并向業(yè)主提交復(fù)測(cè)報(bào)告。（3）回裝結(jié)束的總結(jié)。檢測(cè)整理、匯總所有過程報(bào)告，形成《測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)告》。以此作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析各裝置緊固質(zhì)量、對(duì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估、整理典型案例以便后續(xù)的工作改進(jìn)。

3、應(yīng)用案例

基于電磁超聲的螺栓預(yù)緊力測(cè)試技術(shù)首次在國(guó)內(nèi)某石化裝置展開試點(diǎn)研究。預(yù)緊力檢測(cè)設(shè)備采用的是ORIBOLT?X100電磁超聲螺栓軸力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有檢測(cè)效率高、全數(shù)字化記錄功能、智能圖表分析功能和自動(dòng)出報(bào)告功能，能夠很好滿足石化現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。（1）某石化案例一。裝置檢修期間，針對(duì)關(guān)鍵法蘭引入了電磁超聲螺栓預(yù)緊力測(cè)試，共計(jì)測(cè)試369對(duì)法蘭，5000余根螺栓，預(yù)警了100多處高風(fēng)險(xiǎn)泄漏點(diǎn)。初步排查了現(xiàn)階段石化法蘭的緊固質(zhì)量問題，形成了如表1所示的典型圖譜。

其中，EVA廠現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記了18個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；烯烴廠現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記了12個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；煉油廠現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記了40個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。按要求補(bǔ)強(qiáng)后均順利通過水壓、氣密試驗(yàn)并且無泄漏運(yùn)行至今。芳烴廠標(biāo)記了26對(duì)風(fēng)險(xiǎn)法蘭，實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)了18對(duì)，均通過了氣密試驗(yàn)；剩余8對(duì)標(biāo)記了高風(fēng)險(xiǎn)但未補(bǔ)強(qiáng)的法蘭中，有5對(duì)發(fā)生了泄漏（4對(duì)在水壓試驗(yàn)時(shí)泄漏，1對(duì)在氣密試驗(yàn)時(shí)泄漏），泄漏預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)62.8%。（2）案例二。2022年某石化公司煉油一部、煉油二部大修，期間為已回裝的關(guān)鍵法蘭提供螺栓軸力測(cè)試服務(wù)。共計(jì)測(cè)試關(guān)鍵法蘭181對(duì)，螺栓4484顆。測(cè)試范圍包括：煉油一部：加氫裝置、催化裂化裝置、常減壓裝置、焦化裝置、蠟油加氫裝置。煉油二部：RLG裝置、硫磺裝置、催化裂化裝置、常減壓裝置、重整裝置。表2~表4為本次測(cè)試個(gè)法蘭面施工評(píng)分情況。從全廠數(shù)據(jù)來看，施工驗(yàn)收完畢后仍需整改的法蘭數(shù)為25，比例達(dá)14%。本次測(cè)試共計(jì)標(biāo)記異常螺栓62個(gè)（不含異質(zhì)），分布在25個(gè)法蘭上。主要異常原因?yàn)椋簜€(gè)別螺栓欠擰、區(qū)域性欠擰和螺栓損傷。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5~表6所示。

對(duì)異常螺栓復(fù)擰后，有41個(gè)螺栓的螺母發(fā)生了較為明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸力得到較大提升。從螺栓個(gè)體上角度考慮，異常識(shí)別準(zhǔn)確率為77.4%；從法蘭角度考慮，異常識(shí)別準(zhǔn)確率為95.7%。驗(yàn)證了本次測(cè)試所用技術(shù)體系的有效性。

4、結(jié)論

相較于“大錘法”，目前廣泛采用的定力矩施工技術(shù)與管理方式能夠有效提高緊固質(zhì)量和一次試車通過率。但無論是摩擦系數(shù)離散、對(duì)接應(yīng)力不可估計(jì)等客觀因素，還是施工疏忽、管理疏忽等主觀因素，都限制了其在法蘭防泄漏方面的效果。目前施工現(xiàn)場(chǎng)仍存在由于緊固質(zhì)量導(dǎo)致的泄漏，解決辦法是試車時(shí)或生產(chǎn)時(shí)“隨漏隨緊”，缺乏先見性、安全性和科學(xué)性。究其根本原因是缺乏直接評(píng)估法蘭螺栓預(yù)緊質(zhì)量的方法與標(biāo)準(zhǔn)?；陔姶懦暤亩ㄝS力技術(shù)（AxialForceControlTechnology，AFCT）在緊固質(zhì)量評(píng)價(jià)與泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面具有較為顯著的成效。通過在定力矩基礎(chǔ)上引入預(yù)緊力測(cè)試，形成“定力矩+定軸力”的工作模式，能夠高效排除預(yù)緊力不足（或過高）的風(fēng)險(xiǎn)螺栓，進(jìn)一步提高緊固質(zhì)量和檢修效率，同時(shí)降低運(yùn)行時(shí)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，更好地保障穩(wěn)定生產(chǎn)、安全生產(chǎn)。從案例數(shù)據(jù)來看，目前存在約14%的風(fēng)險(xiǎn)法蘭，AFCT提供了一種新的監(jiān)督、管控機(jī)制，能夠高效排查風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的“大錘檢定”或“定力矩檢定”更加地科學(xué)、精準(zhǔn)、高效、低成本，具有推廣的價(jià)值和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋振福.定力矩緊固技術(shù)在天津石化大修中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021(S2):70-71.

[2]雷凱.定力矩緊固在煉化企業(yè)中應(yīng)用的可靠性分析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021(S2):82-83.

[3]宋運(yùn)通，曹林，王志坤，等.定力矩緊固在高壓加氫裝置的應(yīng)用[J].中國(guó)設(shè)備工程，2020(11):97-98.

相關(guān)鏈接