新型D形螺栓高压密封结构分析

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摘要:D形螺栓是容器端部法兰与顶盖的新型承力连接结构,要获得良好的密封效果,还需配合密封元件,而且它们之间要形成协调的结构关系,即在保证密封可靠的基础上又不能影响装拆方便性。文章首先论述了D形螺栓系列高压密封结构及其特点,随后论述了D形螺栓轴向C形环高压密封装置的结构组成与密封原理,最后从D形螺栓、端部法兰、顶盖和C形环等主要受力部件,分析了其受力情况和强度校核条件,具有一定参考价值。

关键词:D型螺栓;高压密封结构;承力连接结构;密封效果

中图分类号:U664文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)06-0014-02

一、D形螺栓系列高压密封结构与特点

D形螺栓是容器端部法兰与顶盖的新型承力连接结构,要获得良好的密封效果,还需配合密封元件,而且它们之间要形成协调的结构关系,即在保证密封可靠的基础上又不能影响装拆方便性。在密封元件上,可以考虑利用内压的自紧作用,这是提高密封效果减小初始预紧比压的一条很好的途径,当然也可以设置单独预紧调节装置,即预紧和承受内压作用力分开。D形螺栓系列的密封结构包括:D型螺栓径向C形环高压密封结构、D型螺栓轴向C形环高压密封结构、D形螺栓单通到柔性环高压密封结构、D形螺栓O形环高压密封结构、D形螺栓连接卡扎里高压密封结构、D形螺栓B形环高压密封结构,等等。这些新型D形螺栓连接高压密封结构与传统高压密封结构比较,既能保持一般抗剪螺栓高压密封结构紧凑、重量轻的特点,又具有联接安全可靠、装拆迅速、劳动强度低的特点。

二、D形螺栓轴向C形环高压密封结构分析

D形螺栓轴向C形环高压密封装置结构由、D形螺栓支撑环、D形螺栓C形环、端部法兰、顶盖等元件组成。该密封装置的主要受力部件包括D形螺栓、端部法兰、顶盖和C形环等。其结构密封实现如下:密封元件采用一般的自紧式C形环(C形环放置在顶盖和端部法兰之间),上、下两道封口的初始预紧力通过旋转顶盖上方沿周向均布的一组D形螺栓直接压下顶盖从而压紧C形环获得,工作时的C形环有内压自紧作用(顶盖在轴向可相对移动)。D形螺栓连接在D形螺栓支撑环和容器端部法兰骑缝上的螺孔内,这些螺孔的中心则是靠内,呈“偏心”状态。端部法兰上的螺孔保留1/4圆弧螺纹柱,与之相对应的D形螺栓支撑环上的螺孔3/4圆弧螺纹柱,这样当D形螺栓在松开位置时,它可被D形螺栓支撑环上的螺孔所“包容”,此时,D形螺栓、D形螺栓支撑环和顶盖可以作为一个整体组件直接卸下,D形螺栓不必取出;反之,在安装过程中,只要将上述组件置于端部法兰腔体内,把包容全部D形螺栓的支撑环,经轴向和周向定位(螺孔对位)后,分别旋转各个D形螺栓至少量的行程。

显然,容器内压轴向力和密封环密封力由顶盖传递到端部法兰是通过D形螺栓进行的,而D形螺栓支撑环轴向并不参与上述力的传递,所以,预紧完成后要求所有D形螺栓螺纹应与端部法兰上的螺纹孔呈完全连接状态(即不可以只联结一部分)。分析以下三个方面:

1.D形螺栓。

(1)受力分析。介质内压产生的轴向力凡由顶盖通过D形螺栓传递到端部法兰上,同时C形环密封反力(轴向力)Fa也通过D形螺栓传递到端部法兰上,端部法兰对螺栓的作用力主要是轴向剪切力。但由于该剪切力与顶紧力的作用会形成使螺栓“倾覆”的力矩,为平衡该力矩,D形螺栓的两侧需受到能形成反向力偶的力,可假设来自端部法兰作用的正向分布压力为q1(x),能与q1(x)形成力偶的力主要是螺栓底部的摩擦力Fb和可能来自D形螺栓支撑环的正向分布压力q2(x)(为简化计算,无任支撑环长短及螺栓缺口方位,皆做如此假设)。文中q1(x)、q2(x)都认为是线性的,D形螺栓力学模型如图1所示:

从图1可以看出,显然,D形螺栓支撑环可以起到一定的横向支撑作用,但轴向是不受力的。为此,在简化力学分析的过程中,作用在D形螺栓螺纹处的轴向剪切力可简化为作用在该圆弧面形心处的集中力FD。

(2)各种力的关系式。如式(1)所示。其中,Fa为C形环预紧密封力、Fo为内压总轴向力。在内压工作时,C形环同时有松开趋势和压力自紧补偿作用。所以可以假设工作状态下C形环的密封反力还是按Fa计算,容器端部法兰上螺纹受到的总剪切力Ft的关系式如式(1)。单个螺栓的剪力用FD表示,Fn=FD可以有螺栓轴向受力平衡得出。?子1为D形螺栓1/4螺纹弦长上的切应力,?子为端部法兰每个螺纹或D形螺栓连接螺纹上受到的轴向切应力。x为形心位置,D形螺栓螺纹弧段受到的总剪力等效简化为作用在所作用弧段的形心位置。由q1、q2 的表达式可知,q1、q2取决于D形螺栓的静摩擦系数和长径比。

2.端部法兰。端部法兰内壁螺纹上受到D形螺栓传递的剪切力点和正向线性分布压力q(x)作用(根据其力学模型)。由于D形螺栓数量较多,可按轴对称问题处理(剪切力和正向分布压力沿内壁周向均布)。其中Ft计算式与式(1)一样,线性分布压力q(x)的最大值qmax、计算与单个D形螺栓正向线性分布压力q1(x)的最大值q1的计算关系、端部法兰强度限制如下所示。

3.顶盖。顶盖可以是平盖,也可以是碟形、椭圆形或半球形等凸形封头,可参照国家标准GB150的相关规定计算。平顶盖基本尺寸中,螺栓力作用点到凸缘内径距离推荐为螺栓半径加上15～30mm。螺栓力作用点到凸缘外径距离约为螺栓半径的0.7倍。参照GB150 G50公式,平顶盖纵向截面弯曲应力?滓hm按下式校核。另外,C-C环向截面当量应力?滓oa需作强度校核,强度校核公式可参照GBI50 G51有关长箍紧固结构类似的方法和公式进行计算。对顶盖上的D形螺栓作用孔中的切应力?子k也要进行校核。

三、结语

由于D形螺栓连接高压密封结构具有上述的“结构紧凑、装拆十分方便”等特点,所以它经常在高压容器和管道设备中使用。文中虽然分析了该密封结构的密封原理和受力特点、强度校核等,但是密封是否可靠、强度是否足够,需要进一步验证。这需要用ANSYS软件进行有限元数值分析,由于篇幅的原因在这里不予介绍。

参考文献

[1]丁伯民,黄正林.化工设备设计全书(高压容器)[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2] 张云肖,陈平,钱才富.新型快开式高压容器顶盖密封结构原理和强度分析[J].北京化工大学学报(自然科学版),2005,(2).

作者简介:刘一飞(1980-),男,供职于辽宁省冶金地质勘查局四四队,研究方向:压力容器、化工设备等方面的设计、制造和检验;马启俭(1967-),男,供职于辽宁省冶金地质勘查局四四队,研究方向:压力容器、化工设备等方面的设计、制造和检验。