螺栓松弛及热紧

1. 正常运行一段时间，为什么部分螺栓会松弛？

除了螺栓材料和法兰刚度的因素外，螺栓松弛的原因一般有蠕变和应力松弛。

紧固螺栓在长时间应力的作用下，内部将发生与时间有关的塑性变形。由于总变形恒定，在塑性变形增加的同时，将引起弹性变形量的减少，使压紧力下降。这种在恒定变形条件下，引起应力随时间下降的现象就是应力松弛。应力松弛现象既存在于高温条件下，也存在于室温条件下。高温下应力松弛速率要远大于室温下的松弛速率。金属在高温下抵抗应力松弛的能力是材料重要的高温强度性能之一。

材料在保持应力不变的条件下，应变随时间的延长而增加的现象叫蠕变。蠕变在低温下也会发生，但只有达到一定的温度下才能变得显著。通常碳素钢超过300~350℃，合金钢在400~450℃以上时有蠕变行为。

另外，预紧时预紧力不够，或者螺栓受力不均匀，也容易导致螺栓松弛。这是因为根据文献，螺栓预紧力变小时，应力松弛速率会变大，加剧了螺栓的松弛趋势。

2. 预紧需要注意的问题？

反应器各连接部位密封要求较高，特别是法兰直径达1米以上，使得法兰厚度、螺栓尺寸均很大，需给螺栓施加很大的预紧力才能保证八角垫初始密封和承压工作时的残余密封条件。因此，如果初始预紧不均匀或预紧力不够，升温后因螺栓同时伴有应力松弛，很容易导致螺栓松弛，无法实现密封。

预紧时应注意以下几个方面：

1）密封面、不锈钢齿型垫必须清洗干净，密封面上不能有脏物，螺栓孔周围外表面和螺母平面应平整无毛刺。否则会影响垫片均匀受力

2）先用手或简单工具拧紧螺母，直至螺母底面与法兰面接触。

3）按设备制造厂或图纸规定用液压紧固装置进行螺栓紧固，螺栓预紧力应按要求分步（一般为4步）逐级上紧螺栓，对于每步油压值，螺栓的紧固必须按规定的顺序成组进行；紧固过程中每紧固螺栓一圈，均应测量法兰面之间的间隙，其差值控制在规定值内；第三步上紧后，再用第三步上紧的油压值对整圈螺栓均匀紧固一次。

4）系统升温后，应对螺栓热紧一次，热紧油压按最终油压值。

3. 热紧的概念及使用场合？

热紧是内部介质温度较高的管道螺栓，除在施工时紧固外，还要在达到工作温度或规定温度时再进行的紧固。由于螺栓预紧安装时处于常温，而在正常使用时，温度升高，螺栓受热膨胀，间隙加大，所以必须通过热紧操作重新实现密封。

一般来说，工艺系统内部温度>200℃的设备、管道等的连接部位，螺栓需要

热紧。另外，在装置频繁开停车或紧急停车后又马上进行开车时的热紧尤为重要。

4. 为什么有的国外公司在施工过程中，给足够的螺栓预紧力，保证施工过程中螺栓紧固的均匀性，不建议进行热紧？

理论上可以从两个方面论证热紧的合理性：

（1）膨胀产生的力增量

假设螺栓材料与法兰材料相同。

法兰温度来自介质传导而得；螺栓温度来源两个方面：螺母与法兰接触部位的传导、螺栓孔封闭区域的法兰对螺栓的对流热传导。

因此螺栓温度低于法兰温度，而从热膨胀角度，法兰膨胀量大于螺栓膨胀量，作用在垫片上的密封比压在冷态更高，从这方面考虑不用进行热紧。

（2）高温下螺栓强度的下降

在高温下，金属材料性能（强度）将随温度升高而降低，由于法兰的刚性远好于螺栓，因此螺栓的性能下降导致了作用在法兰上的轴向拉力下降，垫片密封力下降，可能会使垫片松弛而产生泄漏，从这方面来说需要热紧。

根据国内的使用经验，热紧对高温下法兰密封效果较为显著。但必须注意，法兰垫片密封力的作用不是要求越大越好，而是在满足基本密封比压后强调一个均匀性，因此过度的热解有时会破坏已经均匀的螺栓力而起到负面的作用。

另外，热紧也容易使垫片因压缩量过大超过弹性极限，造成永久性塑性变形而损伤，当温度降低后垫片不能完全回弹产生泄漏。

因此，必须严格控制热紧时的螺栓力，并使螺栓受力均匀。

5. 热紧需要注意的问题有哪些？

SH3501-2001《石油化工有毒可燃介质管道工程施工及验收规范》的4.2.12 对热紧有规定。摘抄如下，供参考。

4.2.12 管道系统试运行时，高温或低温管道的连接螺栓，应按下列规定进行热态紧固或冷态紧固：

1 螺栓热态紧固或冷态紧固作业的温度应符合表4.2.12的规定；

表 4.2.12 螺栓热态紧固、冷态紧固作业温度(℃)

工作温度一次热紧、冷紧温度二次热紧、冷紧温度

250～350 工作温度-

＞350 350 工作温度

-70～-29 工作温度-

＜-70 -70 工作温度

2 热态紧固或冷态紧固应在紧固作业温度保持2h后进行；

3 紧固管道连接螺栓时，管道的最大内压力应符合下列规定：

a) 当设计压力小于6MPa时，热态紧固的最大内压力应小于0.3MPa；

b) 当设计压力大于6MPa时，热态紧固的最大内压力应小于0.5MPa；

c) 冷态紧固应在卸压后进行。

4 螺栓紧固应有安全技术措施，保障操作人员的安全。

另外，从资料上看，热紧时的注意事项有

（1）应使用无火花生成的工具，例如：铜制工具或青铜制的打击锤，进行了磨合的扳手等。

（2）各个螺栓应该扭矩适当，不能勉强过于紧固，也不能同时单向紧固，应按照检修的紧固标准进行。

（3）检修人员热紧过程中，有工艺安全员使用可燃气体检测仪检测可燃气体浓度，紧密配合检修人员。

（4）热紧结束后，应该对原有的保温进行复位。

（5）工艺人员在热紧后，马上对加有保温的部分进行严密检测以防发生泄漏。

螺栓作为一个弹性体将法兰紧固在一起从而产生并保持在垫片上的压紧力,施加在螺栓上的载荷必须满足垫片密封所需要的预紧力,在紧固螺栓时是有顺序进行的,即使对每个螺栓施加相同的力,总会有螺栓处于相对松驰现象,设备运行后受温度(或长时间的高温)和压力的变化,都会造成螺栓预紧力的松弛.因流体作用的影响,法兰的变化速度大于螺栓的变化速度,温度升高时,法兰厚度快于螺栓长度的增加,法兰厚度的增加导致在垫片的螺栓上的载荷增大,温度达到最高时,法兰厚度不在增加,垫片出现压力峰值,此时螺栓长度还在持续增大,引起垫片和螺栓上的载荷逐步减小,当螺栓长度停止增加后,垫片上的力也处于稳定状态,温度降低后,法兰的厚度和螺栓长度开始缩小,而法兰收缩比螺栓快,法兰收缩时,螺栓拉伸(最初施加载荷造成的螺栓拉伸)状态所存储的能量使螺栓与法兰一起收缩,并且开始丧失存储的能量,当螺栓载荷降低,垫片的受力也会减小,在法兰面上的某些点,垫片的受力会减小到低于密封所需要的压力,产生泄露现象.热紧就是在螺栓受一定的温度影响后进行的二次紧固,避免螺栓因高温热胀后造成的预紧力丧失,热紧并不能持续保证螺栓紧固后所产生预紧载荷,而且在螺栓受热时再对其施加载荷容易产生变形,断裂等危险;螺栓的"热紧"现象成为业已淘汰的设备维护方法.