1. 引言
沙特阿美公司是沙特阿拉伯油气资源主要开发运营商，拥有约130多个油气田，其油气田地面建设及油气管道施工市场非常广阔。随着“一带一路”战略的实施，中资企业在沙特的油气田施工市场也将迅速扩张。
法兰螺栓连接是石油化工中广泛使用的连接形式之一 [1]，目前，在沙特阿美的站场改扩建和新建施工中，更倾向于用法兰连接形式代替焊接形式，在一定程度上增加了工艺连接的灵活性，同时，也增加了法兰管理的数量和难度。另外，法兰连接施工的质量直接影响到运行的安全，是整个施工中最为重要施工工序之一。
法兰螺栓连接在沙特阿美公司的站场施工中广泛应用，在沙特阿美公司哈拉德项目的输气站内，2 inch及2 inch以上的阀门均采用法兰连接。以沙特FFP项目为例，仅南部的7个远端输气站(remote header)涉及的法兰尺寸从2英寸到48英寸共计14种，螺栓尺寸和型号共计58种，法兰紧固近5000组，大小螺栓近45,000条。因此，在站场施工中，法兰管理尤为重要，将直接影响投产是否成功。
2. 概述
法兰主要用于管端或设备之间的连接，两个法兰片之间用垫片(衬垫)连接。法兰管理指对法兰片的保管、焊接装配、螺栓紧固、现场检查、挂牌和资料编制等活动的总称，在预制、安装施工、试运行和运行阶段范围内实行全过程管理 [2]。
目前，管道法兰主要有两种国际标准，即以德国DIN (包括前苏联)为代表的欧洲管法兰系统和以美国ANSI/ASME管法兰为代表的美国管法兰系统。另外，日本也有JIS管法兰。沙特阿美公司的站场施工和设计，主要采用的是美国的ASME标准(ASME B16.5及ASME B16.47)。
法兰紧固(螺栓紧固)是采用合适的工具，将利用螺栓的张力将法兰和垫片面贴合在一起，从而起到密封作用，将管道或管件连接起来，常用的方法有力矩紧固法和拉伸紧固法。本项目采用的是力矩紧固法，主要紧固工具包括常规扳手、扭矩扳手和液压扭矩扳手。
3. 力矩的确定
3.1. 螺栓的张力
1) 螺栓张力的定义
制造螺栓和螺母的钢具有固有的“弹性”，即可以在两点之间拉伸，而施加在螺栓中的张力则作为夹持力来保持螺栓组件一起，而又不至于超过其“屈服强度极限”。
通过扭动螺母，使两个螺母和构件之间产生加持力，根据作用力与反作用力相等的物理原则，可知，螺栓受到的拉力大小等于加持力，而我们常说的张力就是螺栓杆承受的拉力(见图1)。
2) 张力的确定
为了使螺栓恰好将紧固件固定(夹紧)在一起，而不至于松动，螺栓必须具备承受足够张力的能力。根据胡克定律，螺栓的弹性模量E一定，所受的应力σ和应变ε成正比：σ = Εε。
由于张力F和应力σ是正比例关系，因此，张力F不得使螺栓的应力σ超过屈服极限，考虑安全系数及经验，张力一般取弹性极限的40%至70%。
3) 张力不合理的危害
张力太小：拧得不够紧的螺纹紧固件可能会松动并分开，从而导致在配合部分之间产生“剪切力”，从而可能会将螺栓切成两半。紧固件松动还可能导致周围机械零件进一步机械松动，从而导致不必要的振动和磨损。
张力太大：拧的太紧，紧固件可能会损坏螺栓连接的组件，导致螺栓和/或螺母变形，从而导致紧固件超过其弹性极限而失去张力。
3.2. 螺栓的扭矩
1) 螺栓扭矩的定义
根据物理定义，力矩是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，其大小等于力和力臂的乘积：M = F × L。
对于螺栓来说，扭矩定义为施加在螺母或螺栓头上的旋转力或扭转力，它是两个测量值(即力和距离)的乘积(见图2)：
2) 施加扭矩的方式
将扭矩施加到螺纹紧固件中的两种最常见的方法：
a. 利用手动或电动类型的扭矩扳手将扭矩施加到螺纹紧固件上(见图3)。
b. 螺栓张紧器的液压张紧装置将直接张力施加到紧固件上(见图4)。
Figure 4. Diagram of tensioner applying
图4. 张紧器施加示意图
3) 扭矩的确定原则
螺栓的扭矩主要取决于两个方面，一个是螺栓本身的屈服强度极限，一般情况下螺栓的设计扭矩值只达到强度极限的40%~70%；另一方面是垫片的承受能力，力矩过大会使垫片破，力矩过小会使受压后的垫片残余应力达不到密封比压力，导致密封面泄漏 [1]。因此，螺栓的扭矩是施工过程中最为重要的问题。
根据施工经验及施工规范，本项目工艺安装采用的高强螺栓扭矩应满足表1规定：
Table 1. The list of high-strength bolt torque
表1. 高强螺栓扭矩表
4. 工具选择
目前，在法兰紧固施工中，常用的工具基本分为3类：
1) 普通扳手；
2) 扭矩扳手(分为手动扭矩扳手和液压扭矩扳手)；
3) 可控液压螺栓拉伸器。
管道站场的工艺管线设计压力一般比较高，法兰和螺栓的强度比较高，对扭矩的要求比较严格，采用普通扳手不能满足施工要求，而可控液压螺栓拉伸器效率比较低，而且施工时，受螺杆长度的限制，因此，一般均采用扭矩扳手进行螺栓紧固。
根据水压试压和试运行的经验，以及螺栓扭矩值的要求，一般选用扭矩扳手原则如下：
1) 当螺栓尺寸不大于1英寸，可以采用手动扭矩扳手进行螺栓紧固。
2) 当螺栓尺寸在1英寸和1 3/8英寸之间，可以采用手动扭矩扳手进行前两遍紧固，最后两遍采用液压扳手。
3) 当螺栓尺寸大于1 3/8英寸且小于4英寸，必须采用液压扳手进行紧固。
5. 法兰紧固施工步骤
5.1. 法兰紧固施工准备
1) 法兰紧固之前，需要认真核对法兰、管件型号、批号、材质以及等级等，确保现场安装符合图纸和设计要求。
2) 注意区分不同垫片能够承受的力矩值，合金钢垫片和绝缘垫片的扭矩值有着很大的区别，防止扭矩值过大而损伤垫片，导致密封失效。
3) 检查法兰面、垫片无油污、水等杂质，垫片无划痕，凿槽，毛刺以及变形等缺陷。
4) 检查螺栓的等级、尺寸，是否有损坏、腐蚀、生锈、毛刺，以及适用性和兼容性。
5) 检查螺栓的螺纹啮合度，不得使用修复过的螺栓。
5.2. 选用润滑剂
在施工过程中，通常需要对螺栓及螺母采取涂抹润滑剂(二硫化钼)的方法来降低摩擦系数，润滑剂品牌的选择直接影响力矩的大小，也会影响螺栓紧固的质量和工效。在沙特阿美项目，采用的是涂防腐漆的螺栓，根据施工经验，当螺栓直径小于2英寸时，带防腐漆的螺栓不需要涂抹润滑剂，计算扭矩时，摩擦系数按0.11计算，当螺栓直径大于2英寸时，需要辅助润滑剂进行紧固。
5.3. 安装垫片和螺栓
1) 首先，根据图纸选用正确的垫片。
2) 采用法兰扩张器，将法兰片撑开，放置垫片，缓慢放开法兰扩张器。RJ面的法兰要保证垫片正好嵌在凹槽内，RF面的缠绕垫片，需保证金属缠绕部分与法兰面对正。
3) 选用合适的螺栓，将螺栓涂刷润滑剂，并放进螺栓孔内。
4) 检查法兰安装误差，其误差值应满足要求(见图5)。
Figure 5. The deviation of flange installation
图5. 法兰安装误差
5.4. 螺栓紧固
为了保证紧固过程中整个法兰面受力均匀，一般采用“十字线”法，对法兰进行对角紧固(见图6)。
紧固过程不允许一次紧固到位，需要分次进行 [2]：
第一遍：施加30%的扭矩力；
第二遍：施加60%的扭矩力；
第三遍：施加100%的扭矩力；
第四遍：使用100%的扭矩力，沿顺时针方向逐一对所有螺栓进行紧固，以验证所需要的扭矩力是否已被均匀的施加到每个螺栓，最终扭矩值与设定扭矩值的偏差必须小于5%。
Figure 6. The sequence of flange tightening
图6. 法兰紧固顺序
5.5. 记录与标识
螺栓紧固完成后，应及时进行记录与标识。
1) 按质量记录表格，认真填写法兰紧固的日期，人员，力矩值等信息。
2) 在每个螺栓上采用“十”字标识或“一”字标识。
3) 现场质检人员进行复核检查，在法兰面上标注检查日期，是否合格，并签名。
6. 常见质量问题
在法兰紧固施工中，主要有以下几种常见的质量问题：
1) 法兰面不平行，应力过大
造成该问题的重要原因是工艺管道安装的尺寸偏差较大，造成两个法兰面间隙过大或不平行。因此，在进行工艺管道安装前，应认真核对尺寸，法兰与工艺管焊接时，避免焊接变形过大。
2) 未按规定顺序进行螺栓紧固，导致法兰面整体受力不平衡
造成该问题的原因是，操作人员培训不到位。因此，在法兰紧固时，应首先进行培训，所有人员必须持证上岗，同时，也要加大过程监督的力度。
3) 未按规定涂抹润滑剂，或润滑剂不符合要求，导致螺栓的螺纹损坏
解决该问题的方法，主要是及时采购合格的润滑剂，并对现场人员进行培训，特别是超过2英寸的螺栓，必须按规定涂刷润滑剂。
4) 紧固力矩过大或过小
导致该问题的出现的主要原因是液压扳手漏油或读数器不准，需要重新校验。因此，紧固工具必须在校验周期内，及时校验，如果发现有漏油等现象，及时进行维修，严禁“带病”使用。
7. 总结
随着油气化工行业施工技术和工艺技术的发展，越来越多的施工和生产活动采用法兰连接形式，对法兰连接施工，最核心的施工步骤就是法兰紧固。因此，了解法兰螺栓的力矩原理，选用合适的螺栓、确定力矩以及选用合适的紧固工具，能够延长工艺寿命，降低泄漏风险，提高施工效率，并最大限度地节约成本。
NOTES
*通信作者。