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傳統(tǒng)主螺栓或大螺紋套筒等連接方式在石油、化工、核能等工業(yè)的高壓容器頂蓋密封裝置上應(yīng)用廣泛，但存在結(jié)構(gòu)笨重、裝拆困難等問題。針對此不足，設(shè)計(jì)開發(fā)了D形軸向抗剪螺栓連接結(jié)構(gòu)，這是一種新型高壓容器頂蓋密封法蘭連接裝置。該裝置能實(shí)現(xiàn)容器頂蓋的快速裝拆，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)部件制造方便、重量輕、密封可靠和適用范圍廣等特點(diǎn)。為此，就D形螺栓連接C形環(huán)高壓密封裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，目的是為其工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。
D形螺栓連接C形環(huán)高壓密封裝置如圖所示。將頂蓋置于端部法蘭內(nèi)部并平齊，在頂蓋與端部法蘭之間的環(huán)隙中均布“偏心”安裝的D形螺栓，即D形螺栓的連接螺孔有1/4圈加工在端部法蘭上，其余在頂蓋上。頂蓋與端部法蘭之間應(yīng)留有環(huán)隙，以方便C形環(huán)和壓墊的安裝。定位環(huán)將D形螺栓固定于頂蓋上，其上的螺紋孔需與頂蓋和端部法蘭上的螺紋孔一次性定位加工。在介質(zhì)內(nèi)壓作用下，C形環(huán)有一定的自緊密封作用，而預(yù)緊螺釘可以單獨(dú)調(diào)節(jié)壓緊力，從而實(shí)現(xiàn)密封可調(diào)。安裝之前將頂蓋上的所有D形螺栓調(diào)整為圖所示的松開狀態(tài)，然后將頂蓋組件(包括頂蓋、定位環(huán)固定的D形螺栓及預(yù)緊螺釘、C形環(huán)及壓墊)裝入端部法蘭腔內(nèi)，進(jìn)行軸向定位和周向定位后，旋轉(zhuǎn)所有D形螺栓，便可將頂蓋與端部法蘭連接上；拆卸時(shí)，只需將D形螺栓反向旋轉(zhuǎn)，即可將頂蓋組件從端部法蘭內(nèi)取出。從而實(shí)現(xiàn)容器頂蓋的快速裝拆。
上述密封裝置的主要受力部件有：C形環(huán)、D形螺栓、端部法蘭和頂蓋。C形環(huán)主要受到密封力F及壓墊壓緊力N作用，圖所示為C形環(huán)力學(xué)模型。D形螺栓主要在兩側(cè)螺紋處受到方向相反的剪切力作用，以及底部由預(yù)緊螺釘傳遞的密封反力N1和由此產(chǎn)生的摩擦力F1。上述力的綜合作用形成了螺栓的傾覆力矩，為平衡這一力矩，在兩側(cè)螺紋上作用著能形成反向力矩的正向線性分布壓力。為簡化力學(xué)分析，可假設(shè)D形螺栓兩側(cè)螺紋處的剪應(yīng)力簡化為分別作用在各自截面形心處的集中力W和Q2，D形抗剪螺栓的力學(xué)模型如圖所示。端部法蘭內(nèi)壁螺紋受到D形螺栓傳遞的剪力Q和正向線性分布壓力q作用，由于D形螺栓數(shù)量較多，可按軸對稱問題處理，即切應(yīng)力和正向分布壓力沿內(nèi)壁周向均布，端部法蘭的力學(xué)模型如圖式中DG為C形環(huán)外側(cè)線密封接觸處直徑；q為線密封比壓，一般取200~300N/mm；a為端部法蘭密封面與垂直方向夾角；P為C形環(huán)與端部法蘭密封面摩擦角；p為容器設(shè)計(jì)內(nèi)壓，作用在D形螺栓端部法蘭側(cè)的切應(yīng)力，db為D形抗剪螺栓的公稱直徑；al為D形抗剪螺栓與端部法蘭的螺紋實(shí)際嚙合弧度，a為D形抗剪螺栓與頂蓋的螺紋實(shí)際嚙合弧度；Z為D形抗剪螺栓的實(shí)際嚙合長度；h為D形抗剪螺栓數(shù)量。D形螺栓兩側(cè)連接處需滿足的強(qiáng)度條件，端部法蘭和頂蓋與螺栓的連接，在設(shè)計(jì)溫度下兩側(cè)材料的許用切應(yīng)力的較小值。推薦取材料抗拉許用應(yīng)力的0.577倍。由此可知，作用在端部法蘭內(nèi)圓周單位長度上的分布壓力q的最大值是端部法蘭可簡化成半無限長彈性基礎(chǔ)梁，其強(qiáng)度計(jì)算類似于GB150-1998《鋼制壓力容器》有關(guān)卡扎里密封，其危險(xiǎn)截面位于圖的a-a截面。頂蓋可以是平蓋，也可以是半球形等凸形封頭，可按照GB150-1998的有關(guān)規(guī)定計(jì)算，C形環(huán)也有類似的選形和設(shè)計(jì)(限于篇幅不做詳細(xì)討論)。
以上對快開式D形螺栓和C形環(huán)高壓密封裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度分析，可以作為該裝置在工程上應(yīng)用的設(shè)計(jì)依據(jù)。該裝置是通過結(jié)構(gòu)本身的合理連接方式實(shí)現(xiàn)容器頂蓋的快速裝拆，無需借助于液壓扳手等輔助工具；頂蓋置于筒體端部法蘭內(nèi)，可以顯著減小頂蓋直徑和厚度，使得結(jié)構(gòu)整體十分緊湊，質(zhì)量得以減輕；該結(jié)構(gòu)的加工也很方便。因此，在化工、能源等工程中的高壓和超高壓容器密封裝置上有很大的應(yīng)用前景。
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