郑成 青卿 苏杭

西安西北石油管道有限公司

 

摘要：在进行油气管道封堵施工时，多种封堵设备需要依靠螺栓连接，而目前常用的螺栓人工紧固方式存在一定弊端。为了解决上述问题，设计了开孔封堵专用液压螺栓拉伸器并申请实用新型专利。详细介绍了该设备的工作原理、液压压力计算方法、结构组成、螺栓上紧力测量，以及设备优点，并提出了作业步骤和注意事项，以供相关单位施工时参考借鉴。

关键词：油气管道；开孔封堵；螺栓拉伸器； 作业要点

 

管道开孔封堵设备主要由机械三通、夹板阀、开孔联箱、封堵联箱、开孔机、封堵器组成，在组装作业时上述设备均采用螺栓进行紧固连接。目前主要采用的两种螺栓紧固方式各存在一定弊端。一是扳手人力紧固方式通常需要4～5人同时作业，人力投入较大，且存在螺栓因受力不均匀导致重复作业或介质泄漏等问题；二是液压扳手紧固方式在紧固时螺栓会受到较大扭剪力和侧向力，对螺栓损伤大，同时螺母与法兰的接触面产生摩擦容易造成永久损伤。基于螺栓拉伸技术设计出专用液压螺栓拉伸器，用于油气管道开孔封堵螺栓紧固作业并已申请实用新型专利。

1  工作原理及液压泵压力计算

液压螺栓拉伸器的主要工作原理为[1,2]：液压泵输出的高压油经高压软管输送至一拖四转换接头，再通过高压软管将液压油分别同时传送至拉伸缸体中的液压缸，在压力作用下液压缸中的活塞上移带动拉伸螺母向上移动。拉伸螺母与工作螺栓螺纹连接，从而拉长工作螺栓使工作螺母与开孔封堵设备产生间隙，螺帽此时处于不受力状态，然后通过拨环紧固工作螺母，最终轻松完成螺栓的预紧和紧固作业。根据多年封堵工作经验，开孔联箱试压压力一般选5 MPa，最大不超过6 MPa，此时螺栓紧固力处于1200 N～1450 N，最大不超过1650 N。根据下列公式即可计算出液压泵的输出压力。螺栓最终预紧力P计算如下：

P ＝TF/A   （1）

其中： A＝1/4 π（d 22﹣d 21）

F ＝1.15+2/R2

R＝G/D

式中：P为液压泵最终压力表读数，Pa；T为螺栓预紧力 (由设备厂家给定)，N；F为载荷损失系数；A为液压作用面积，m2；d2，d1分别为活塞外径与内径，m；D为螺栓直径，mm；G为螺栓有效拉伸长度（不同螺栓连接方式的G值不同），mm。

由螺栓预紧力计算出主螺栓的预紧压力值，据此可对螺栓进行正确的预紧与拆卸。这种计算方法适用于M20～M110的螺栓拉伸器。

2  液压螺栓拉伸器

2.1  设计要点

根据螺栓预紧力计算结果，提出螺栓拉伸器设计要点。

（1）适当增加单个液压缸的作用面积，从而降低液压泵的输出压力、提高安全系数及降低作业成本。

（2）在螺栓弹性变形允许情况下适当增加液压缸行程，从而使螺栓达到更好的紧固效果。

（3）螺栓拉伸器采用一拖四结构，为预防压力分布不均匀，在液压泵选型时需留取1.2倍到1.3倍的计算液压余量。

2.2  结构特点

螺栓拉伸器主要由液压泵、高压软管、压力表、一拖四转换接头和拉伸缸体组成。其中液压泵为动力源，压力表反映泵的输出压力。高压软管连接液压泵和拉伸缸体[3-5]。一拖四转换接头可将动力源一分为四，将液压泵压力同时分别传递至四个拉伸缸体上，同时紧固四个螺栓达到受力均匀的目的。拉伸缸体是实现螺栓拉伸的执行元件，主要由拉伸螺母、连接螺母、液压缸、活塞和拨环组成。螺栓拉伸器结构见图 1，一拖四转换接头结构见图 2。

图 1 螺栓拉伸器结构示意图

图 2 一拖四转换接头结构示意图

2.3  设备优点

螺栓拉伸器较现有扳手或液压扳手紧固方式具备较多优点[6-9]。

（1）高效。多个螺栓同时被定值紧固和拆卸，布力均匀，只需2人且在15分钟之内完成作业，安全、高效、快捷，是紧固和拆卸各种规格螺栓的较佳方式。

（2）精确。精确控制螺栓的拉伸力直接作用在螺栓螺纹上，避免螺栓摩擦和扭曲等问题，且不会损伤法兰面。

（3）安全。活塞超行程时自动泄压，安全可靠。

（4）多样化。根据不同工况应用条件和用户要求，可专门设计特殊拉伸器。

2.4  螺栓上紧力测量

采用超声波螺栓检测仪检测实际螺栓上紧力大小，验证上紧油压是否合适，判断所用的载荷损失系数是否有效。此外，可对上紧后的螺栓用液压拆松拉伸器，利用能否拆松螺栓的油压粗略评估其实际上紧力是否合适。

3  作业步骤及注意事项

紧固或松开螺栓步骤如下。

（1）将拨套套装在被拉螺栓的螺母上。

（2）连接拉伸器活塞内螺纹与被拉伸螺栓头部的外螺纹，用液压泵向拉伸器液压缸注油加压，使活塞与液压缸产生相对运动，带动螺栓产生轴向拉伸，实现螺栓需要的拉伸量。

（3）螺栓受到拉伸，螺母与原接触面脱开后通过拉伸器下端开口将拨杆插入拨套上的小孔内，拨动拨套并带动螺母，即可实现拆装螺栓。

（4）完成上述工作后，通过液压泵对拉伸器泄压，再退出活塞与螺栓连接。

注意事项如下。

（1）使用之前必须计算油压，以免压力过高超出螺栓承受能力，导致螺栓变形破坏。

（2）稳步均匀加压，避免造成瞬时冲击，影响预紧效果。

（3）分布预紧多个螺栓时，按照对称原则安排预紧次序，避免不同顺序预紧的螺栓相互影响。

4  结束语

螺栓拉伸器在高压、大口径油气管道开孔封堵设备连接上具有操作简便、省时、节省人力的优点，多次应用试验表明紧固螺栓准确、可靠、安全。螺栓拉伸器可针对不同型号开孔封堵设备设计对应的拉伸缸体，将预紧力公式模块化处理，操作时只需输入管道直径及管道开孔封堵压力即可自动生成对应的P值，使螺栓拉伸器操作变得更加简单、快捷。

 

参考文献：

[1]徐为，罗富春，胡蕴成，等. 汽轮发电机组联轴器液压拉伸螺栓的开发应用[J].热力发电，2003，32(12)：3.

[2]常祖山.螺栓拉伸器预紧压力计算法[J].大氮肥，1997(01)：74.

[3]钟正军. 液压螺栓拉伸器相关问题浅析[J]. 化工装备技术， 2020，41(5):3.

[4]浦琪琦，张江涛，吴宝鑫. 液压螺栓拉伸器的设计及有限元仿真[J]. 机械工程师，2013(10)：3.

[5]廖兴祥.液压紧配螺栓的拆卸及安装实例[J]. 航海技术，2020(6)：3.

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[8]卢志勇. 液压拉伸器的应用研究[J].化工设计通讯，2020，46 (01)：89-90.

[9]唐建荣. 液压螺栓拉伸器原理及使用要点[J].工程机械与维修，2011(7)：2.

 

作者简介：郑成，1986年生，工程师，毕业于武汉理工大学油气储运工程专业，现从事油气管道开孔封堵与维抢修技术工作。联系方式：13379513532， 466476877@qq.com。