精弘液压拉伸器在水下海管膨胀弯法兰对接中的应用

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 用液压冲击扳手逬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2002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 历经涸洲油田、曹妃甸油田、秦皇S32-6油田、渤中 25-1油田、蓬莱19-3油田、番禺30-1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冲击扳手有 质的飞跃。

1液压拉伸器的典型构造及原理

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

图1液压拉伸器典型构莲示意 缸，液压缸中的活塞顶升拉伸头（又名反作用螺風）， 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璋上，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 由于螺覺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奇，特别 适用于长螺栓和爆纹受损的情况；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30 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。

图2水下液压拉伸器-分开式螺母

2液压拉伸器的优缺点分析

由于液压拉伸器对螺栓的预紧原理是便用纯拉力E 接拉长螺栓，不需要反作用力臂，无扭剪力和侧向力 対连接的接触面无摩擦损伤，无需克服螺纹间摩擦的7 矩，无需克服螺母底面与接触面摩擦的力矩，不会产q 扭转力，因而相比液压扳手其效率更高。以上特点使雀 液压拉伸器可精确控制螺栓的载荷，从而达到连接件履 紧力的精确控制。另外液压拉伸器可同步紧固或拆卸冬 个螺栓，连结组件受力均匀，对垫片的压缩量均等，牝 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。

|3水下液压拉伸器的应用

3.1加长螺栓长度的确定

在使用液压拉伸器进行螺栓预紧作业时，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L = H-B （H为液压拉伸器本体及反作用螺斑的总 长，8为螺母厚度）；实际确定延伸长度£时，还应考 虑到有2 -3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£取值为矶

图3液压拉伸器对保栓加长长度的要求

3.2液压拉伸器系统的安装

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“4" 段自由旋转，尤其是在30 mm长的“矿段，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。

图4液压拉伸器安装前对螺栓的检查

海洋石油工程中，有些海底管道直径较大，需直径 762 mm （30 in）、压力等级 15.0 MPa （900 LB）的 膨胀弯法兰，螺栓直径63.5 mm、长度1 550 mm,单 根螺栓质量34.4 kg,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 业效率。

图5赚栓的预布

膨胀弯入水经过就位调整后，在对接法兰螺栓孔対 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100%拉伸、 50%拉伸两种方式，少数情况下使用25%拉伸方式。 100%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。

图6 100%拉伸曝栓安装典型方式

图7 100% 液压拉伸器连接形式

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，然后将反作用螺璋（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逬行检查，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毋。如因先前在更深的深度下使用

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。

3.3液压拉伸器拉伸程序

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逬行加 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100%拉伸和50%拉伸的操作程序。

1. 100%拉伸程序

100%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8表示。拉伸步骤如 下：

1. 加压到6.9 MPa (1 000 psi)_o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回拧紧，然后卸压将 拉伸头行程复位。

2. 继续加压到B值，潜水员使用抜棒拧紧液压 拉伸器内螺冏，使每个螺奇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，并用拨棒逬一步拨动螺母。如果螺母无法 再抜动，则拉伸完成，随后可以释放系统压力并拆除拉 伸器。

5. 如果螺母可以抜动，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睬栓或嗦母。

6. 潜水员测量法兰3、6、9、12点钟位置间隙 并通知水面人员记录

7. 50%拉伸程序

50%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4和B表示。拉伸步骤 如下：

(1)对第一组50%螺栓逬行拉伸。

1. 加压到6.9 MPa₀检查项目与100%拉伸的要求 相同。

2. 继续加压到4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。

3. 停泵卸压，将拉伸器行程复位后，重复两次步& b的操作。

1. 对第二组50%螺栓进行拉伸。

1. 潜水员水下将液压拉伸器换至另外50%的螺玉 上.(倒换拉伸器时可在不拆除液压软管的情况下逬行窮 作)。

2. 加压到6.9 MPa。检查项目与100%拉伸的要莎 相同。

3. 继续加压到B值，潜水员便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。

4. 停泵卸压，将拉伸器行程复位后，重复两次步骤 c的操作。

1. 再次对第一组50%螺栓逬行拉伸。

1. 潜水员水下将液压拉伸器重新装配到第一组螺栓 上。

2. 加压到B值，潜水员使用抜棒进一步紧固螺母。 如果螺母无法再抜动，则拉伸完成，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。

3. 潜水员测量法兰3、6、9、12点钟位置间隙并通 知水面人员记录备查。

4液压拉伸器预紧压力计算

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：

P=TF/A (1)

式中P——液压动力源最终压力表读数(预紧压力)

/Pa；

T—螺栓预紧力(由设计给定)/N；

F-—载荷损失系数，F>1.15；

4——液压拉伸器液压缸液压作用面积/m2,可从 拉伸器厂家提供的资料中査得。

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，这是曝栓载荷损失的直接损失；当 载荷从拉伸设备转移到噱栓、螺璋上时，其他因素也可 能导致载荷的损失，如螺纹偏差、螺奇嵌入、连接件的 晦等。

载荷损失系数的计算方法如下：

F= 1.15 + 2/7?², R = G/D (2)

式中R一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 ；

D 嚓栓直径/mm。

对于不同的螺栓连接方式，爆栓有效拉伸长度值是 不同的，如图8所示。

图8不同的瞟栓连接方式示意

5水下液压拉伸器应用中的注意事项

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 母冋卡死。

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 法逬一步伸长而实现的，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，即螺璋高度等于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逬 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 作用螺璋，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逬 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。

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