水下液压拉伸器在海管膨胀弯法兰对接中的应用.pdf

石 油 工 程 建 设 ， ． _ 。 l l 。 ． ． 一 J 潘悦然 ’ 一，陈勇 。 ，张大伟 。 ，薛方 。 ，邓平 。 ，张伟 。 1 ． 天津大学建筑工程学院，天津 3 0 0 0 7 2 2 ． 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室 ，天津 3 0 0 0 7 2 3 ． 海洋石油工程股份有限公司，天津 3 0 0 4 5 2 施工安装l 水下液压拉伸器在海底管道膨胀弯法兰对接中的应用越来越广泛，文章介绍了水下液压拉伸器的原理、典型构造、优 缺点、安装要领以及拉伸程序 ，并对螺栓延伸长度计算、预紧压力计算进行了详细介绍。 水下液压拉伸器 ；法兰对接；螺栓延伸长度；预紧压力 ；拉伸程序 P a n Yu e r a n ’ 2 Ch e n Y o n g 。 ，Z h a n g Da we i 。 ，Xu e F a n g 。 ，De n g P i n g 。 ，Z h a n g W e i 。 1 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，T ia n j i n U n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g S i mu l a t i o n a n d S a f e t y ，T ia n j i n U n i v e r s it y ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a 3 ． O f f s h o r e Oi l E n g i n e e r i n g C o 。 ，L t d ． ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 2 ，C h i n a Th e a pp l ic a t i on o f su b s ea b ol t t en s i on er s i n f l a n ge t i e-i n ins t a l la t i o n o f pi p el i ne ex p a ns i o n s p oo l b e c om e s m or e a n d m or e p opu l a r ．Th e t he or y， co m p on en t s， a dv a n t a ges a n d d i s a dv a n t ag e s， k e y i n s t al l a t i on m a t t er s a nd t e ns i o n p r oc e du r e ar e i n t r od uc e d． An d t hi s pa p er al s o s h o w s ho w t o c a l cu l a t e t h e s t r et c he d-ou t l e ng t h of b olt an d t h e s y s t e m p r es s ur e r el a t i v e t o de s i gn ed p r el o a d． s u bs e a b olt t e ns i on er ；f l a n ge t i ei n；s t r e t ch e dou t l en g t h o f bo l t ；pr el o a d；t en s i on pr o c e du r e 海洋石油工业中 ，海底管道膨胀弯安装质量的好坏 直接影响着海底管道的顺利投产和安全运营 ，而膨胀弯 的安装质量取决于法兰对接的质量。以往潜水员都是使 用液压冲击扳手进行法兰螺栓的加力紧固，由于液压冲 击扳手无法设定扭矩值 ，使得膨胀弯法兰螺栓预紧载荷 不可控 ，并且只能逐一对单个螺栓加力 ，易造成对接法 兰受力不匀，从而导致法兰安装质量达不到螺栓预紧力 可控以及法兰均匀受力的质量要求，海底管道试压过程 中对接法兰泄漏时有发生。 国内海洋石油工程行业从 2 0 0 2年开始引进水下专 用的液压拉伸器用于海底管道膨胀弯的法兰对接，先后 历经涠洲油田、曹妃甸油田、秦皇岛 3 2 6油田、渤中 2 5 1 油田、蓬莱 1 9 3油田、番禺 3 0 1 油田、文昌油 田等项目的验证 ，证明水下液压拉伸器通过正确的紧固 工艺和步骤 ，紧固效果和质量较传统的液压 中击扳手有 质的飞跃 。 液压拉伸器典型构造如图 1 所示。液压拉伸器系统 一 般由液压泵、压力表、高压软管和拉伸器组成。螺栓 拉伸方式是通过给螺栓施加轴向拉伸的力来紧固螺栓 ， 液压泵输出的高压油通过高压软管进入拉伸器的液压 第 4 O卷 第 5期5 3■l _施工安装 石油工 程 建设 拉伸头 液压缸 支撑桥 法兰 缸 ，液压缸中的活塞顶升拉伸头 又名反作用螺母 ， 从而给法兰螺栓施加一个轴向的力 ，这个力通过螺栓作 用在法兰螺栓另一端的螺母上 ，从而使两法兰面压紧 ； 将拉伸器下方的螺母旋紧 ，然后释放拉伸器压力 ，法兰 螺栓在移除拉伸器产生的拉力后 ，法兰螺栓的弹性形变 由于螺母紧贴在法兰的表面上而受到约束，因此产生了 预紧力，这就完成了螺栓预紧及法兰紧固安装的过程。 为了方便潜水员操作 ，水下型液压拉伸器 如图 2 所示拉伸头被设计成可快速拆装的分开式螺母 ，特别 适用于长螺栓和螺纹受损的情况 ；液压缸和支撑桥也制 作成一个整体 ，结构更紧凑，便于海下使用。为了简化 水下操作 ，液压缸的最大活塞行程达到 3 0 mm，并有活 塞行程指示标识 ，以确保在大多数情况下无需复位活塞 即可完成连接件的紧固。另外 ，水下型液压拉伸器还具 有防滑设计 ，可提高潜水员水下操作的握紧力；双油口 的设计简化了软管连接，尤其是在可视度差的情况下。 ／ 液压缸 ■_5 4 2 0 1 4 1 0卑 液压拉伸器的优缺点 由于液压拉伸器对螺栓的预紧原理是使用纯拉力直 接拉长螺栓 ，不需要反作用力臂 ，无扭剪力和侧向力 ， 对连接的接触面无摩擦损伤，无需克服螺纹问摩擦的力 矩 ，无需克服螺母底面与接触面摩擦的力矩，不会产生 扭转力 ，因而相比液压扳手其效率更高。以上特点使得 液压拉伸器可精确控制螺栓的载荷，从而达到连接件预 紧力的精确控制。另外液压拉伸器可同步紧固或拆卸多 个螺栓，连结组件受力均匀 ，对垫片的压缩量均等 ，特 别适合于对紧固安装要求较严的场合，如海洋工程海底 管道法兰对接安装 ，电力、炼化、钢铁等行业大型设备 安装等。 但是 ，液压拉伸器需要额外的螺栓长度才能操作 ， 并且单个拉伸器通常只能适用于 2～3种螺栓尺寸 ，为 此海底管道法兰对接工程中，由于法兰规格不同，需要 配备较多不同型号的液压拉伸器。另外液压拉伸器对低 负荷的螺栓及较短的螺栓 长度、直径比小于 3 1 相对不适用 ；在操作过程中初始力会有部分转移和损耗， 所以在一开始需要加载的力比较大。 在使用液压拉伸器进行螺栓预紧作业日 寸 ，由于拉伸 器占据一定的空间，所以需要订制加长螺栓以满足拉伸 器的安装要求。如图 3所示 ，理论上螺栓需要延伸的长 度 日 H为液压拉伸器本体及反作用螺母的总 长 ，曰为螺母厚度 ；实际确定延伸长度 时，还应考 虑到有 23扣螺纹的长度超出反作用螺母以确保操作 安全；另外 ，实际法兰对接完成前，两法兰的间距还未 压缩到理论最小值，为此订制加长螺栓时 ，可以近似将 延伸的长度 取值为 。 ＼＼ 支 潘悦然等水下液压拉伸器在海管膨胀弯法兰对接中的应用 在液压拉伸器系统安装之前应该注意 检查螺杆安 装拉伸器侧的螺纹有无损伤、毛刺、杂物等 ；如图 4所 示，带孔六角螺母必须能够在螺栓的整个伸长长度 “ A” 段自由旋转 ，尤其是在 3 O mm长的 “ B ”段 ，如果使用 了普通反作用螺母 ，应确保它可以在图 4所示的“ c ” 段自由旋转 ；用衬套、胶带等保护柱螺栓的延伸部分 ， 避免螺纹在安装时被损坏或碰伤。 1IJlIl [[[I I[I 1I_f J 海洋石油工程中，有些海底管道直径较大，需直径 7 6 2 mm 3 0 i n 、压力等级 1 5 ． 0 MP a 9 0 0 L B的 膨胀弯法兰，螺栓直径 6 3 ． 5 mm、长度 1 5 5 0 mm，单 根 螺栓质量 3 4 ． 4 k g ，潜水 员水 下搬 动螺栓 困难 。针 对这种情况 ，建议在膨胀弯入水前将 所有法兰螺栓预 先插 入 法 兰螺 栓 孔 内 ，并 使 用捆 扎 带 予 以 固定 以防 止 滑落 如 图 5所示 ，此方法不仅能有效地解决重型 螺栓水下搬运的难题 ，还能提高水下安装螺栓时的作 山 ／ 效 率 。 膨胀弯入水经过就位调整后 ，在对接法兰螺栓孔对 中的情况下即可插入螺栓。螺栓的安装方式根据拉伸器 数量 、操作 空间有无限制而 定 ，通常有 1 0 0 ％拉伸 、 5 0 ％拉伸 两种方式 ，少数情况下使用 2 5 ％拉伸 方式。 1 0 0 ％拉伸时，为了保证拉伸器的安装空间和操作空间， 螺栓的延伸部分必须交错布置在法兰的两侧 ，典型安装 方式如图 6所示。 待潜水员手动安装完螺栓后 如图 6所示 ，进行 液压拉伸器的安装和管道的连接，如图 7所示。 施工安装_ 安装拉伸器前，要确保所有的拉伸器活塞完全回位 ， 即活塞与拉伸器缸体顶部平齐；但如果是拆卸螺栓 ，活 塞必须略微突出。在每个螺栓的延伸部分装上一个拉伸 器 ，然后将反作用螺母 如分开式快速锁紧螺母 套入 剩余的螺栓延伸部份 ，锥形端朝向拉伸器缸体。 软管连接务必以顺时针或逆时针方向将拉伸器连接 在法兰周围，此举有助于减少不正确的连接。需确保有 一 条连接软管将拉伸器从法兰的一侧连接到另一侧 如 图 7中的互连软管 。液压软管连接完成后，潜水员应 从下行软管三通位置沿任意一侧软管进行检查 ，法兰两 侧的所有拉伸器应该被软管以串联的方式连接起来 ，不 应存在未连接的接头 ，潜水员沿软管检查最后应能返回 至初始的三通位置。检查软管连接顺序的同时应该逐一 检查接头是否连接完好。经过调查 ，由于水下能见度低、 操作位置不便等影响 ，软管接头对接常常出现只插入一 半或未完全连接好的现象。 导致软管接头未正确连接的可能原因 潜水员安装 接头时，公接头和母接头未对中 ；接头的锁紧环未充分 退回；因装配时过度紧固反作用螺母导致拉伸器内部存 在压力，在此种情况下，必须松开止动螺母 ，连接软管 ， 并再次拧紧反作用螺母。如因先前在更深的深度下使用 第 4 O卷 幕 5期5 5■_ 一 日一 L 一唧 一 l施工安装 石 油工 程建设 过软管导致其存在内部压力 ，可将软管送出水面并释放 其内部压力来解决此问题。 器内螺母直至其牢固地贴在法兰表面。 C ． 停泵卸压 ，将拉伸器行程复位后 ，重复两次步骤 -- b 的操作。 液压拉伸器系统连接好后 ，水面操作人员将按照计 算得出的液压动力源预紧压力值进行拉伸 ，为正确施加 所需的残余螺栓载荷 ，必须按照规定的拉伸程序进f ／ J [3 力。液压拉伸器安装方式的不同，拉伸步骤也不同，下 面分别介绍 1 0 0 ％ 拉伸和 5 0 ％拉伸的操作程序。 。 、 、 』 1 0 0 ％同时拉伸所有螺栓的情况 ，液压动力源的工 作压力仅为一个压力值 ，假设以 B表示 。拉伸步骤如 下 1 加压到 6 ． 9 MP a 1 0 0 0 p s i 。潜水员检查液 压拉伸器的安装垂直度和对中性 ，确保锁紧螺母牢固啮 合。检查液压软管接头有无泄漏等异常情况。若液压拉 伸器行程有变化 可能因为法兰面受较小的力即能贴 近 ，需使用拨棒将拉伸头内的螺母拧紧 ，然后卸压将 拉伸头行程复位。 2 继续加压到 B值 ，潜水员使用拨棒拧紧液压 拉伸器内螺母 ，使每个螺母牢固地贴在法兰表面。注意 事项 拉伸过程中 ，活塞行程不可超过其最大行程；若 行程不够 ，可在达到最大行程后 ，拧紧所有螺栓螺母 ， 通过卸压将液压拉伸器的行程复位 ，然后再继续加压至 B值 ，继续拉伸。 3 停泵卸压 ，将拉伸器行程复位后 ，重复两次 步骤 2 的操作。 4 最终检查 ，确保法兰间隙均匀一致，再一次 加压到 B值 ，并用拨棒进一步拨动螺母。如果螺母无法 再拨动 ，则拉伸完成 ，随后可以释放系统压力并拆除拉 伸器。 5如果螺母可以拨动 ，则必须重复步骤 3 和 4 ，直至所有螺母无法再拨动。如果需要重复循 环 ，则检查是否使用了正确等级的螺栓或螺母。 6 潜水员测量法兰 3 、6 、9 、1 2点钟位置间隙 并通知水面人员记录备查。 5 0 ％ 拉伸螺栓的情况 ，液压动力源的预紧压力需 要分别设定为两个值 ，假设以 和 B表示。拉伸步骤 如下 1 对第一组 5 0 ％ 螺栓进行拉伸。 a ． 加压到 6 ． 9 MP a 。检查项目与 1 0 0 ％拉伸的要求 相同。 b ． 继续加压到 A值，潜水员使用拨棒拧紧液压拉伸 2 对第二组 5 0 ％ 螺栓进行拉伸。 a ． 潜水员水下将液压拉伸器换至另外 5 0 ％ 的螺栓 上 倒换拉伸器时可在不拆除液压软管的情况下进行操 作 。 b ． 加压到 6 ． 9 MP a 。检查项目与 1 0 0 ％ 拉伸的要求 相同。 C 。 继续加压到 B值 ，潜水员使用拨棒拧紧液压拉伸 器内螺母直至其牢固地贴在法兰表面。 d ． 停泵卸压 ，将拉伸器行程复位后，重复两次步骤 C的操作。 3 再次对第一组 5 0 ％ 螺栓进行拉伸。 a ． 潜水员水下将液压拉伸器重新装配到第一组螺栓 上 。 b ． 加压到 B值 ，潜水员使用拨棒进一步紧固螺母。 如果螺母无法再拨动 ，贝 0 拉伸完成 ，随后可以释放系统 压力并拆除拉伸器。如果螺母可以拨动，则再次加压到 B值两次 ，直至螺母无法再拨动。 C ． 潜水员测量法兰 3 、6 、9 、1 2点钟位置间隙并通 知水面人员记录备查。 - ． ，l| l l1 ， 通常螺栓预紧力在图纸中已由设计给定 ，由预紧力 如何准确计算出液压动力源最终的输出压力值是正确进 行螺栓拉伸的关键。使用不同的液压拉伸器 ，其对应的 液压动力源预紧压力也不同。 需要的最终预紧压力可通过下式计算得出 PT F ／ A 1 式中P 液压动力源最终压力表读数 预紧压力 ／ P a ； 卜螺栓预紧力 由设计给定／ N； 卜载荷损失系数，F1 ． 1 5 ； A 液压拉伸器液压缸液压作用面积 ， m ，可从 拉伸器厂家提供的资料中查得。 荷载损失原因 螺栓伸长量的减少导致了残留在螺 栓内部载荷的减少 ，这是螺栓载荷损失的直接损失 ；当 载荷从拉伸设备转移到螺栓、螺母上时 ，其他因素也可 能导致载荷的损失 ，如螺纹偏差、螺母嵌入 、连接件的 压缩等 。 载荷损失系数的计算方法如下 F1 ． 1 52 ，RC ／ D 2 式中尺 螺栓有效拉伸长度与螺栓直径的比值 ； G 螺栓有效拉伸长度 ／ mm； 潘悦然等 水下液压拉伸器在海管膨胀弯法兰对接中的应用 D 螺栓直径 ／ mm。 对于不同的螺栓连接方式 ，螺栓有效拉伸长度值是 不同的 ，如 图 8所示。 I 在海底管道膨胀弯法兰对接中应用液压拉伸器时需 要注意如下事项 1 在任何情况下切勿超出液压拉伸器系统的最 大 工作压力 。 2 液压系统存在压力时 ，切勿试图断开或重新 紧固系统的任何部分。 3使用拉伸器拆卸螺栓时 ，松开压力略大于初 始上紧压力，操作时不能一次完成 ，且拉伸套底端与被 拆卸螺母之间应留有 2～3 mm 间隙，防止拉伸套与螺 母间卡死。 4大多数水下液压拉伸器活塞的过行程保护都 是通过带孔螺母上端面与拉伸器机体下缘接触 ，活塞无 法进一步伸长而实现的，但如果不按照操作程序执行 ， 仍有可能发生活塞过行程。首先 ，拉伸器下方的带孔六 角螺母必须是标准重型系列 ，即螺母高度等于 1 倍的螺 栓直径，如螺母高度小于 1 倍的螺栓直径 ，则拉伸器活 塞仍能继续伸长；其次 ，在达到预定液压压力之前 ，不 得向下旋动带孔螺母 ，否则应在拉伸器行程复位后再进 行拉伸操作。另外 ，在拉伸之前 ，活塞必须完全复位 ， 且反作用螺母已牢固就位。 5 一般情况下 ，标准六角螺母无法直接替代反 作用螺母 ，在紧急情况下方可使用标准六角螺母 ，但需 要准备一个直径足够大 ，可以覆盖整个活塞表面的薄垫 圈，并将该垫圈装配在标准六角螺母的下方。 6 对于海底管道法兰对接 ，绝大多数情况下加 长螺栓及拉伸器均有安装空间 ，但在使用特殊法兰或其 他情况下 ，仍应注意海底管道防腐层、水泥配重层是否 影响加长螺栓及拉伸器的安装。 据统计 ，国内海洋石油工程领域使用液压拉伸器进 施工安装- 行海底管道法兰对接的工程中 ，从未发生过试压泄漏的 质量事故 ，有效地保证了海底管道的安全运行。但是 ， 在海底管道膨胀弯安装中，由于潜水员受到海底能见度、 海流、水温、独自水下作业等因素影响，在液压拉伸器 的安装、拉伸操作过程中相对于陆上作业更容易出错 ， 工程相关人员需充分熟悉水下液压拉伸器的安装 、操作 要领 ，严格按照规定程序进行拉伸 ，才能保证法兰对接 的质量。 ⋯ 李文华，潇然， 张河新． 螺栓拉伸器的原理及应用 ． 哈尔滨轴承， 2 0 0 6 ， 2 7 3 4 9 5 0 ． 【 2 】韩海英 ， 魏广军 液压拉伸 器的应 用【 J 】 ． 化工建设 工程 ， 2 0 0 3。 2 5 6 5 2-5 3 【 3 】 常祖山． 螺栓拉伸器预紧压力计算法【 J 】 ． 大氮肥， 1 9 9 7 ， 2 0 1 7 2 ． [ 4 J 蔡文军 海底管线的完整性检测、 评估与修复技术【 R J ． 乐营 石油大 学 华东 ， 1 9 9 9 I 5 】 潘东民， 马洪新， 梁光辉 ， 等． 海底油气管道水下修复技术开发及工程 应用 【 J 】天津科技 ， 2 0 0 9 ， 3 6 2 1 7 - 2 0 【 6 】 吴凤和 液压拉伸器的使用与维护【 J 】 l 机床与液压， 2 0 0 2 ， 2 1 5 8 ． 【 7 】A S M E B 1 6 ． 5 - 2 0 0 9。 P ip e F l a n g e s a n d F la n g e d F it t i n g s [ S ] 潘悦然 1 9 8 9 一 ，女，天津人，天津大学建筑工程学院在读硕士研 究生，研究方向为海底管道疲劳寿命分析研究。 卜 一十 一十 一。 一- 一一十一““十一 十 -*- - 一--一一- * 第 4 O卷 第 5期5 7■■■ 一 _ f