摘要：碟簧密封和定力矩紧固在机械密封中应用较为广泛，随着管道密封要求越来越高，单独的碟簧密封或者定力矩紧固已经难以满足密封要求，将二者进行组合使用可以大幅度增强密封效果。目前，针对碟簧定力矩组合密封技术在施工中的应用研究较少，碟簧和定力矩的相互作用和相互影响规律需要进一步进行研究。文章通过碟簧定力矩组合技术在煤化工、石油化工领域的应用，对碟簧定力矩组合技术进行了系统的应用研究，为碟簧定力矩组合密封技术的应用提供理论支撑。

　　关键词：碟簧密封；定力矩；组合技术；石油化工企业

　　0引言

　　煤化工是把煤作为基础生产原材料，经过一系列的物理化学加工，使煤发生化学反应，将固体煤转化为气体、液体以及其他化工产品的过程。煤化工过程主要包括煤的汽化、液化、干馏、焦油加工以及电石乙炔化工等。煤化工过程存在操作波动大、温度压力变化不平稳等特点，法兰密封容易发生泄漏，影响煤化工装置的长周期安全稳定运行。碟簧密封技术、定力矩紧固技术是目前应用较为成熟的法兰密封技术，但是由于煤化工过程中特殊的工况，使单独的碟簧密封或者定力矩紧固密封无法满足密封要求。本文采用将二者相结合的方式在中安联合煤化有限责任公司MTO装置进行密封应用，研究了碟簧定力矩组合技术在实际应用过程中的相互影响规律，为碟簧定力矩组合密封技术的应用提供理论支撑[1]。

　　1碟簧定力矩背景

　　1.1碟簧原理

　　碟簧又叫做贝勒维尔弹簧垫圈，是化工过程中重要的密封辅助材料，碟簧呈圆锥形盘状，安装于法兰或其他密封组件螺母下部。可以单个使用，也可以将多个碟簧进行串联或并联使用。碟簧在螺母的上内缘和下外缘处承受来自螺母沿轴向作用的静态或动态载荷，螺母紧固后，碟簧被压缩而产生的形变，其产生的弹性势能作为储存能量，形成碟簧的载荷。碟簧被压缩产生的弹性势能在必要时可以自动转化为压缩载荷，形成密封所需要的附加载荷，可以降低垫片、填料使用过程中对螺母持续上紧的需求。当螺母出现松动时，碟簧会释放部分势能，以保持法兰连接间的压力达到密封要求。这减少了实际操作过程中的人工成本，并降低了生产过程中螺栓松弛、压缩载荷降低所造成的泄漏风险。碟簧被压缩产生的应力分布在碟簧上由里到外分布规律为均匀减小，可以在较小的行程内实现较大的补偿力。工业生产设备在一定的温度、压力和震动下使用一段时间后，螺母会松动，使得垫片的工作密封比压下降。当比压降至垫片的最小工作密封比压以下时，垫片将无法有效密封，并开始产生泄漏。此时，密封螺栓的变形伸长由碟簧的回弹补偿，以保持足够的密封压力。

　　1.2定力矩原理

　　定力矩紧固是指在法兰安装过程中对每个螺母按照固定的力矩进行拧紧操作，是化工、石油化工法兰安装以及设备检修等过程中重要的防泄漏操作。目前，国家对新建化工生产装置的要求越来越高，生产过程中的安全、环保等问题逐渐被人们所重视，化工生产装置生产过程中由于存在腐蚀、振动等问题，生产装置及管道的静密封点密封管理要求越来越高，特别是煤化工生产中的加氢类装置，要求在较高压力下操作，介质一旦发生泄漏，会产生爆炸等事故，危险性大。根据相关统计，采用传统人工紧固的螺栓，大部分的法兰泄漏都是因为螺栓载荷过大或过小或者载荷不均匀造成的。因此，要达到煤化工等石油炼化装置及管道良好的拉法紧固密封，需要保证螺栓紧固过程中载荷的精确量化以及标准化施工管理，使法兰螺栓紧固力可以达到精确控制。通过螺栓定力矩紧固，可以减少装置开工过程中的泄漏问题，加快生产开工进度，同时也减少了装置开工后的维护工作，降低了人力成本，减少了长时间生产过程中的泄漏问题，增强了装置开工过程或生产过程的安全性、可靠性。

　　1.3碟簧定力矩

　　由于化工过程的复杂性，尤其是在振动设备上单独采用碟簧或者定力矩无法满足密封要求，采用碟簧及定力矩组合技术是目前化工、石化及钢铁等行业进行法兰密封的重要技术。碟簧定力矩组合技术兼具碟簧密封及定力矩技术的优点，并且现场操作简便。

　　2碟簧定力矩紧固实施

　　2.1碟簧选型

　　螺栓紧固技术需要根据不同的现场工况制定不同的紧固方案，不同的法兰螺栓规格、螺栓材质对螺栓预紧力值的要求也不同，螺栓的有效预紧补偿根据不同工况要求，需要进行分别计算，需要根据特定的应用对象，制定不同的“有效补偿窗口”。针对工业生产中不同类型和结构尺寸的换热器、不同设备的法兰，不同使用工况、不同补偿要求的碟簧，进行一系列的分析、有限元模拟计算和试验测试，给出最终解决方案，确保在使用运行中的安全可靠性[2]。

　　法兰连接，由于结构、材料等参量较多(结构形式、结构尺寸、材料性能等等)，承受的载荷也相当复杂(螺栓预紧载荷、介质的压力、系统的压力波动、温差应力、结构约束应力等)，很难通过理论公式计算出较为准确的结果，而通过有限元法根据换热器的实际结构尺寸和运行工况，建立与实际相符的数学模型进行模拟分析计算。在压力载荷的基础上导入温度载荷，把温度变化和压力变化导致螺栓、法兰、密封垫片、防冲击补偿垫圈等的应变、应力变化，进行相关的耦合分析计算，能有效地保持垫片的实际密封比压，从而提高法兰密封副的密封可靠性。

　　2.2螺栓清洗检查

　　螺栓拆卸后需要对螺栓进行清洗和检查，确保螺栓无损伤后方可进行使用。螺栓需要按照现场法兰编号进行标记，运输到指定区域进行检查和清洗。清洗过程根据螺栓上污染物情况可以采用柴油或其他溶剂进行清洗、浸泡，螺栓检查过程中应当确保其表面无锈渣、油污、积垢。另外，需要对螺杆、螺母的腐蚀情况进行确定，同时检查螺牙是否有损坏、螺母能在螺杆上能不能自由旋入。螺栓清洗检查完成后，对合格的螺栓应当分类并进行标记，同时做好防护，避免搬运过程中对螺栓造成二次损伤，装箱待用。

　　2.3法兰密封面清理检查

　　法兰密封面是确保法兰密封无泄漏的重要影响因素，法兰打开后，应当用铲刀、抹布对法兰的密封面进行清理。如果法兰面出现锈蚀情况，还需要用砂纸对密封面的铁锈进行打磨清理，法兰密封面清理完成后，需要对法兰密封面的完好性检查确定，保证法兰面无机械损伤。检查完成后的法兰密封面需要做好保护工作，避免现场施工过程中碰伤或发生二次锈蚀[3]。

　　2.4碟簧安装方法

　　(1)碟簧安装前需要对法兰面进行二次检查，确保无碰伤、无锈蚀。同时，对螺栓的材质和工况进行再次确认，确保螺栓选材正确。在螺栓规格型号确认无误后，对配套碟簧的规格、材质及完好性进行检查。

　　(2)对螺栓的螺纹和螺母表面涂抹润滑剂(或防卡剂)，确保在螺栓紧固过程中螺母能够均匀旋入，使预紧力分布均匀。

　　(3)把碟簧放入螺栓上，碟簧具有凸面和凹面，使用过程中应当确保凹面朝向法兰，调整碟簧与螺栓保持同心。用手对所有螺母进行初步拧紧，使碟簧在螺母与法兰之间不能自由移动，拧紧过程用力要均匀细致。

　　(4)按照顺序对初步拧紧的螺栓进行全部检查，确认所有螺栓已经进行初步紧固。

　　2.5定力矩紧固

　　定力矩紧固施工应制定实施方案，通过该方案进行严密的施工组织。作业过程应当严格遵循相关标准，并且定力矩紧固过程应全程监督。

　　(1)定力矩施工方案制定。施工方案需要根据煤化工生产装置的特点进行制定，要对全部的法兰密封点进行统计，并进行泄漏点风险评估，来制定施工方案和定力矩实施原则及制定法兰螺栓定力矩施工清单。

　　(2)定力矩施工人员和设备配备。前期的设备准备和人员培训对螺栓定力矩施工至关重要，尤其是对高温高压等法兰的紧固工作，关系到零泄漏目标能否实现。定力矩施工人员方面，需要先明确各单位人员包括建设、施工、监理人员的责任及工作内容，然后对定力矩施工人员进行培训。需要专业的定力矩紧固工程师对所有参与定力矩施工、监护以及检测人员进行技术交底培训，培训完成后需要分专业进行考核，考核合格后方可允许上岗作业。

　　(3)定力矩施工验收。螺栓进行定力矩施工后应当组织专业人员进行抽检验收，抽检的数量不应当低于总数的20%。定力矩施工螺栓进行抽检时，按照预设的定力矩80%进行检验。在此条件下，被检验的螺母发生转动，则认定抽检的螺栓定力矩紧固施工不合格；在80%预设定力矩数值下检验如果螺母不发生转动，再将检测力矩调整为预设力矩的110%，被检测的螺母发生转动，则认定抽检的螺栓定力矩施工合格；如果螺母不发生转动，则判定该法兰螺栓紧固过度，定力矩施工抽检不合格，需要对所有定力矩施工的螺栓进行重新施工，并再次抽检，直至合格为止。定力矩施工完成后的资料应当进行归档，并由专门人员进行管理[4]。

　　2.6碟簧定力矩应力计算

　　当法兰螺栓螺母拧紧后，螺栓轴向被拉伸，吸收的机械能转化螺栓的势能，使螺栓在轴向上发生拉伸变形，而碟簧则被压缩，产生弹性势能。化工生产过程中设备或管道由于受到内部介质的影响，其温度、压力发生变化，或者由于生产过程中风机、水泵等动设备振动引起螺栓的预紧力发生变化时，碟簧的弹性势能则发生释放，碟簧自发回弹，释放的弹性势能对螺栓减小的预紧力进行补偿，这样可以使螺栓的预紧力始终保持在维持法兰密封所需要的范围内。因此，对法兰的密封碟簧起到重要预紧力缓冲作用。针对高温、高压的设备或者法兰，碟簧的作用更加明显，如果没有碟簧的预紧量补偿，生产开工后，设备及管道的温度会逐渐升高，管道发生热膨胀，应力会在法兰处集中，使得法兰片中间的密封垫进一步被压缩，法兰之间的空隙减小，随着温度的逐渐升高，螺栓受热增加开始膨胀，造成预紧力松弛。由于螺栓与管道和设备相比体积更小，膨胀量更大，导致螺栓的预紧力发生松弛，加之法兰间空隙的增加，使得密封垫片上的比压逐渐减小，当比压小于垫片所需的最小密封比压时，则会引起法兰密封失效，最终造成泄漏。在螺栓和螺母间加装碟簧后，可大幅度降低由于温度变化造成的法兰泄漏。螺母在定力矩拧紧过程中，碟簧被压缩，存储大量弹性势能，当螺栓因温度变化引发收缩或者载荷降低时，碟簧释放弹性势能进行回弹，弹性势能转化为荷载力施加到法兰面上，可以实时保证密封垫片的比压在有效的密封范围内，确保法兰密封。

　　3结语

　　碟簧密封和定力矩紧固配合确保法兰密封无泄漏已经成为工业生产过程中成熟、高效的技术方案。通过在煤化工生产装置上的工程施工及实际应用，总结了碟簧定力矩紧固技术的施工经验，在碟簧与定力矩的配合过程中应注意以下几个方面的问题：

　　(1)重视定力矩施工人员的技术培训。施工过程中要重视定力矩施工人员的技术培训，因为需要施工人员对法兰间隙进行控制，并对螺栓、碟簧、法兰面进行全面细致的清洗检查。此外，定力矩施工工具的精确度以及是否正确使用等，均对定力矩效果产生影响，最终影响法兰的密封效果。

　　(2)碟簧选型要适用工况。碟簧选型是否适用工况是影响碟簧定力矩效果的重要影响因素，碟簧材质、尺寸、规格需要与工况相匹配才能通过碟簧弹性势能的转化补偿，使法兰螺栓因为温度压力变化造成的预紧力变化，从而防止法兰泄漏。

　　(3)碟簧定力矩施工过程要做好监督和抽查。碟簧定力矩施工过程中需要做好施工过程的监督和抽查工作，在抽查复核时，需要考虑环境对检测的影响，当环境温度变化较大时，可能引发力矩检测出现误差，碟簧定力矩紧固应当尽量一次成功，避免不合格多次重复紧固，防止碟簧被反复压缩，弹性减弱无法有效对预紧力进行补偿。

　　(4)采用人工定力矩预紧固。如果需要定力矩紧固的法兰螺栓较多，为了提高碟簧定力矩紧固效率，可先采用人工定力矩进行预紧固，人工预紧固一般先按照预设力矩的50%进行，预紧固完成后采用液压扳手进行100%定力矩紧固。

　　参考文献：

　　[1]于洋洋.定力矩紧固在柴油加氢精制装置的应用分析[J].辽宁化工，2021，50(5)：669-671.

　　[2]宋运通，曹林，王志坤，等.定力矩紧固在高压加氢装置的应用[J].中国设备工程，2020(11)：97-98.

　　[3]张伟.法兰螺栓定力矩紧固在工程施工中的应用[J].化工管理，2020(19)：166-168.

　　[4]张静，李健奇.高温预紧碟簧在中压蒸汽管网系统上的应用[J].炼油与化工，2019，30(3)：23-24.