內螺紋在超高壓容器中的設計與選擇

劉豐， 齊軍， 唐順杰

（武漢第二船舶設計研究所，武漢430064）

1 引言

在超高壓容器設計過程中，由于容器本體密封、聯接等功能的需要，常需要在筒體表面開設內螺紋孔，以便于超高壓容器本體與其配套加壓系統、卸壓系統等可靠聯接。由于超高壓容器的設計壓力較大，故設備壁厚均較大，而當需要在設備表面開設內螺紋孔時，內螺紋的深度可能對超高壓容器的安全性能、有效厚度等造成較大的影響，本文僅以公司自主研發并生產的一例超高壓旋流除砂裝置中的除砂筒的內螺紋結構設計為例，介紹在超高壓容器中設計內螺紋的選擇原則并提出改進建議。

2 超高壓容器的典型螺紋

圖1 螺紋孔典型位置圖

超高壓容器的典型螺紋聯接面分別為筒體端蓋、筒體底部及筒體徑向方向等聯接面。我公司在實際工程中有一超高壓容器需要開設螺紋孔，其開孔位置見圖1，其中孔A為端蓋開孔，孔B為筒體徑向孔，孔C為筒體軸向孔，這三種孔涵蓋了壓力容器應用中的三種典形開孔。

內螺紋孔對超高壓容器的設計校核中，可分別根據文獻［1］的附錄C7.6、文獻［2］提供的Peterson應力集中設計系數法分別對孔A、孔B及孔C所在零部件進行強度校核。由于螺紋孔的長度將影響容器的有效壁厚，螺紋孔的徑向開孔尺寸可形成局部應力集中，對超高壓容器的安全性造成影響。可知，孔的直徑和深度對容器有一定影響，其中孔的直徑一定的情況下，應盡可能縮小孔的深度，確保容器的有效厚度。

內螺紋的結構選擇及設計過程中，應結合螺紋的設置位置、結構尺寸、加工方法及制造成本等方面綜合考慮，否則有可能造成產品成本的不必要增加。

3 內螺紋結構分類及區別

根據GB/T 3-1997可知，普通螺紋因收尾、肩距、退刀槽、倒角等不同，存在兩種不同結構形式，普通內螺紋可分為帶收尾和肩距內螺紋及帶退刀槽內螺紋，其結構形式如圖2、圖3所示。

圖2 帶收尾和肩距內螺紋

圖3 帶退刀槽內螺紋

3.1 結構尺寸

一般情況下，相同螺距的帶收尾和肩距內螺紋比帶退刀槽內螺紋實際尺寸偏長。

其主要原因是：帶收尾和肩距內螺紋中肩距尺寸大于帶退刀槽內螺紋的退刀槽尺寸，但收尾的尺寸與退刀槽的尺寸相同。

3.2 加工方法

兩種內螺紋一般均可通過成形刀具或磨具在工件上加工，主要有車削、銑削、攻絲套絲磨削、研磨和旋風切削等。

其中車削、銑削和磨削螺紋時，工件每轉一轉，機床的傳動鏈保證車刀、銑刀或砂輪沿工件軸向準確而均勻地移動一個導程。該方法前提條件是螺紋孔徑較大，且便于裝夾，螺紋孔盡量設置在回轉體軸心線上。

在攻絲或套絲時，刀具（絲錐或板牙）與工件作相對旋轉運動，并由先形成的螺紋溝槽引導著刀具（或工件）作軸向移動。該方法應用前提條件是螺紋孔徑相對較小，對裝夾無特殊要求，螺紋孔的設置位置無要求。

3.3 加工工藝性

帶收尾和肩距內螺紋的加工順序應是先加工通孔，然后加工內螺紋。整個加工過程需要用到兩種刀具。其加工難度、成本較低。

帶退刀槽內螺紋的加工順序是先加工通孔，然后加工退刀槽，最后加工內螺紋。整個加工過程需要用到三種刀具。其加工難度、加工成本稍高，其加工由于退刀槽處于內孔位置，故其結構尺寸誤差相對帶收尾和肩距內螺紋較大。

通過上述分析，可知帶退刀槽內螺紋與帶收尾和肩距內螺紋的區別和適用范圍如表1所示。

表1 內螺紋應用情況區別表

4 內螺紋孔在超高壓容器中的設置

通過上述分析可知，圖1中3種孔的選擇原則及結果見表2。

表2 超高壓容器內螺紋孔選擇表

5 結語

實際應用中，由于相同螺距的普通螺紋收尾的尺寸與退刀槽尺寸相同，而肩距的尺寸根據實際情況可以適當減小至0，故實際應用中可靈活設計螺紋的肩距尺寸，以減小螺紋對設備本體的影響，提高超高壓容器本體材料的有效利用率。

［1］ GB150-2011，壓力容器［S］.

［2］ 丁伯民.高壓容器［M］.北京：化學工業出版社，2003.