幾種快開門結(jié)構(gòu)在壓力容器中的應(yīng)用分析①

李書容

(中船重工特種設(shè)備有限責(zé)任公司)

幾種快開門結(jié)構(gòu)在壓力容器中的應(yīng)用分析①

李書容

(中船重工特種設(shè)備有限責(zé)任公司)

根據(jù)對卡箍連接結(jié)構(gòu)、齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)、整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)和平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)在壓力容器中的應(yīng)用分析與比較可知，在設(shè)計采用快開門結(jié)構(gòu)時應(yīng)從多方面考慮選擇合適的快開門結(jié)構(gòu)，并充分考慮使用過程中的安全性和可靠性。

壓力容器 快開門結(jié)構(gòu) O形圈 剛度

快開門式壓力容器[1]是指進(jìn)出容器通道的端蓋或封頭與主體之間帶有相互嵌套的快速密封鎖緊裝置的容器，如硫化罐、蒸壓釜、高壓氧艙、染色機(jī)、滅菌器及消毒柜等。快開門式壓力容器因具有開關(guān)蓋時間短、操作簡單方便等特點，在化工、航天、軍事、建材及醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促使快開門容器朝著高壓大型化的方向發(fā)展，這給容器的開蓋與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了極大的難度。

1 快開門式壓力容器結(jié)構(gòu)

快開門式壓力容器結(jié)構(gòu)(以下簡稱快開門結(jié)構(gòu))一般可分為3種形式：卡箍連接結(jié)構(gòu)、齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)和平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)。其中，齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)又可分為普通齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)(簡稱齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu))和整體相連的齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)(簡稱整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu))。

1.1卡箍連接結(jié)構(gòu)

卡箍連接結(jié)構(gòu)(圖1)主要由平封頭、卡箍、筒體端部和密封圈組成。根據(jù)直徑的大小，卡箍一般均分為兩瓣、3瓣或4瓣，每兩瓣卡箍之間由橫向螺栓連接。每瓣卡箍下方可以設(shè)置滾輪和導(dǎo)軌，在卡箍開合時可以在導(dǎo)軌上運動。根據(jù)自動化程度的需要，卡箍可以采用人工拉開或液壓缸、氣缸拉開，然后再用相關(guān)設(shè)備吊出平封頭。平封頭可以根據(jù)需要設(shè)計成橢圓封頭或球形封頭加高頸法蘭的形式。

圖1 卡箍連接結(jié)構(gòu)

卡箍連接結(jié)構(gòu)是利用筒體內(nèi)部壓力來壓緊密封墊片的，屬于自緊式密封結(jié)構(gòu)[2]。其介質(zhì)壓力和由密封比壓引起的軸向力由卡箍承受。通過上緊橫向螺栓收緊卡箍，依靠錐面間的配合作用使封頭向筒體端部靠攏，從而壓緊密封O形圈，形成初始密封力。操作時，介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的軸向力通過封頭與卡箍的接觸錐面?zhèn)鬟f給卡箍，卡箍沿接觸錐面向外擴(kuò)張的趨向力由橫向螺栓承受。為了使卡箍與封頭、筒體端部的接觸錐面間達(dá)到自鎖，卡箍錐面夾角一般取5～7°[3]。卡箍連接結(jié)構(gòu)壓力容器一般設(shè)計為立式，以方便開關(guān)蓋。

卡箍連接結(jié)構(gòu)比普通螺栓結(jié)構(gòu)方便，且應(yīng)用范圍廣，適用于大直徑、高壓力的場合。

1.2齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)

齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)(圖2)主要由封頭、卡箍、帶齒法蘭、筒體法蘭和密封圈組成。卡箍一般分成兩瓣，并用緊固螺栓連接，在后期使用過程中，該緊固螺栓無需拆開。開蓋時，首先將卡箍旋開，卡箍在旋轉(zhuǎn)裝置的帶動下旋轉(zhuǎn)，當(dāng)卡箍上的擋塊碰到筒體法蘭上的擋塊時，行程開關(guān)給出蓋旋開到位信號，蓋旋轉(zhuǎn)動作停止，此時帶齒法蘭齒與卡箍齒分開；確認(rèn)卡箍旋開到位后，開啟開蓋裝置，將封頭蓋打開。旋轉(zhuǎn)裝置和開蓋裝置一般由液壓缸和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)支撐件組成。

圖2 齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)

齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)也屬于自緊式密封結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)壓力和由密封比壓引起的軸向力也由卡箍承受。通過旋轉(zhuǎn)卡箍，使卡箍齒和封頭齒嚙合的同時，壓緊封頭和筒體端部之間的O形密封圈，達(dá)到初始密封力。為了方便卡箍和封頭旋緊，通常在卡箍齒和封頭齒端面旋入一側(cè)開倒角，方便帶齒法蘭與卡箍齒旋緊嚙合。該結(jié)構(gòu)在立式容器和臥式容器上均可使用。

1.3整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)

整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)(圖3)主要由封頭、卡箍、筒體和密封圈組成。整體相連是指卡箍和筒體整體相連。在開蓋時，卡箍固定不動，封頭在旋轉(zhuǎn)裝置的作用下旋轉(zhuǎn)，當(dāng)封頭齒與卡箍齒分開后，行程開關(guān)給出旋開到位信號，蓋旋轉(zhuǎn)動作停止；確認(rèn)封頭旋開到位后啟動開蓋裝置，封頭蓋打開。

圖3 整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)

整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)與齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)類似，且密封機(jī)理相同。不同的是，整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)中封頭在旋轉(zhuǎn)裝置的作用下旋轉(zhuǎn)，在與卡箍齒嚙合的同時，壓緊封頭和筒體端部之間的O形密封圈，達(dá)到初始密封力。同樣，為了方便卡箍和封頭旋緊，通常在卡箍齒和封頭齒端面旋入一側(cè)開倒角，方便帶齒法蘭與卡箍齒旋緊嚙合。該結(jié)構(gòu)在低壓力硫化罐上應(yīng)用廣泛[4,5]。

1.4平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)

平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)(圖4)一般由4塊或8塊剪切環(huán)組成，每塊剪切環(huán)上都有一個螺孔，用于裝配拉緊螺栓。開蓋時，先將剪切環(huán)往中心推出卡槽，然后用相關(guān)設(shè)備將封頭吊出。當(dāng)容器直徑較大且空間也較大時，根據(jù)需要可以設(shè)置液壓或氣動裝置來對剪切環(huán)進(jìn)行自動操作。平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)不同于以上3種卡箍結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)屬于軸向密封。O形圈的內(nèi)徑一般比方形槽的內(nèi)徑稍小一點，其外徑比方形槽的外徑稍大一點。安裝時，先將O形圈箍在平蓋方形槽內(nèi)，再將平蓋裝入筒體內(nèi)，即可形成初始密封力。考慮到安裝時O形圈與筒體內(nèi)壁具有一定的摩擦阻力，O形圈的壓縮量一

圖4 平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)

般取值較小。操作時，介質(zhì)壓力引起的軸向力通過平蓋傳遞給剪切環(huán)，最終傳遞給筒體端部。

2 幾種結(jié)構(gòu)的分析比較

卡箍連接結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)半自動化操作開蓋，使用壓力較高；齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)和整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)全自動化按鈕操作開蓋，開啟方便，且容易實現(xiàn)自動化聯(lián)鎖控制，但鍛件成本和加工費用較高，使用壓力比卡箍連接結(jié)構(gòu)低；平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)的開蓋操作比前3種稍復(fù)雜，需手工進(jìn)行操作，但其材料和加工費用都較低，且使用壓力比前3種都高，可應(yīng)用在高壓容器上。

前3種結(jié)構(gòu)比第4種結(jié)構(gòu)所需鍛件重，且加工精度要求較高。特別是帶齒的卡箍連接結(jié)構(gòu)，其加工工作量大，多個配合面需采用公差配合，對加工精度要求極高。

齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)需要頻繁啟閉，承受關(guān)閉、升壓、升溫、降溫、降壓和開啟過程，這對結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能提出了較高要求，因此必須考慮結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。在使用過程中要定期對卡箍的齒根轉(zhuǎn)角處和凸緣轉(zhuǎn)角處進(jìn)行磁粉檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)裂紋并采取相應(yīng)措施。

前3種結(jié)構(gòu)均為徑向密封的卡箍結(jié)構(gòu)，開蓋操作簡單、方便。但是在直徑較大、壓力較高時，容易出現(xiàn)O形圈被擠進(jìn)間隙的現(xiàn)象(圖5)。O形圈被擠會造成嚴(yán)重的后果：泄壓后，O形圈回不去，擠在上下法蘭之間的間隙，使得卡箍在液壓缸作用下無法轉(zhuǎn)開，無法打開蓋子；泄壓后，O形圈直接被擠壞，導(dǎo)致使用一次就需要更換。所以在采用這3種結(jié)構(gòu)時，必須采取相應(yīng)的措施防止O形圈被擠。

圖5 O形密封圈被擠現(xiàn)象

卡箍連接結(jié)構(gòu)經(jīng)過改良后也可用于直徑不大的超高壓容器，如圖6所示，在平蓋內(nèi)側(cè)增加一定高度的凸緣，并與筒體端部采用軸向密封結(jié)構(gòu)。

圖6 超高壓容器卡箍連接結(jié)構(gòu)

3 防止O形圈被擠的方法

目前，由于設(shè)備的自動化程度越來越高，自動開蓋的卡箍結(jié)構(gòu)也越來越多，在直徑較大、壓力較高的情況下，就有可能出現(xiàn)O形圈被擠的現(xiàn)象，所以需要采取措施進(jìn)行預(yù)防。

防止O形圈被擠可以從以下幾方面考慮：

a. 卡箍結(jié)構(gòu)本身的剛度。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求的前提下，增大結(jié)構(gòu)的剛度，并通過有限元分析O形圈處上下法蘭之間的間隙。劉剛等對大直徑卡箍結(jié)構(gòu)從增加結(jié)構(gòu)本身厚度方面進(jìn)行了分析，指出增大法蘭環(huán)軸向厚度可以明顯提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度[6]。

b. 密封處結(jié)構(gòu)設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以將方形槽適當(dāng)加寬，盡量讓O形圈的內(nèi)直徑接近方形槽的內(nèi)徑，在內(nèi)壓作用時，O形圈外側(cè)有足夠的空間讓它產(chǎn)生變形，而不會被擠進(jìn)縫隙中。同時，可以在上法蘭密封處增加一個凸緣，一旦O形圈被擠也只是擠進(jìn)凸緣與下法蘭之間的間隙，不會導(dǎo)致卡箍無法旋開。O形圈還可以配合擋圈一起使用，如圖7所示。對于與GB/T 3452.1-2005[7]中O形橡膠密封圈配套使用的擋圈的結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格尺寸，已有相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是對于超出標(biāo)準(zhǔn)外的O形圈用擋圈，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)可以對此做深入研究。

c. 密封O形圈要求。密封圈較多選用丁腈橡膠或氟橡膠。為了防止O形圈被擠，其硬度不能太低，一般控制在HB80～95之間，壓力越大，O形圈所需的硬度越大。在成本允許的前提下，盡量采用模鑄成型的O形圈，這樣可以避免中間接縫，保證表面的光潔度和橫截面尺寸，降低泄漏風(fēng)險。

圖7 O形圈+擋圈的密封結(jié)構(gòu)

4 使用安全要求

近年來，快開門式壓力容器的安全事故時有發(fā)生，約占國內(nèi)壓力容器事故總數(shù)的1/3。所以在TSG 21-2016中有明確規(guī)定，快開門式壓力容器應(yīng)當(dāng)具有安全聯(lián)鎖功能：當(dāng)快開門達(dá)到預(yù)定關(guān)閉部位時，方能升壓運行；當(dāng)壓力容器內(nèi)部壓力完全釋放后，方能打開快開門；需具有壓力“有壓”、“零壓”指示和“超壓”聲光報警功能，以提醒操作人員采取相應(yīng)措施。

卡箍連接系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)有包括安全閥、泄放閥及聯(lián)鎖裝置等在內(nèi)的安全裝置。為區(qū)別操作狀態(tài)和開啟狀態(tài)，應(yīng)設(shè)有明顯的聲、光標(biāo)志，只有通過電路或壓力指示器確認(rèn)已經(jīng)泄壓后才能打開。對于齒嚙式卡箍，需定期檢查法蘭、封頭和卡箍齒部的磨損情況，并定期對齒根部的轉(zhuǎn)角處進(jìn)行磁粉或著色探傷。

5 結(jié)論

5.1壓力較低、直徑較小時，可以采用齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)和整體齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)。

5.2壓力較高、直徑較大時，可以采用不帶齒的卡箍連接結(jié)構(gòu)和平蓋剪切環(huán)結(jié)構(gòu)。

5.3在選擇卡箍結(jié)構(gòu)時，不僅要保證強(qiáng)度，還要保證剛度，以防止O形圈被擠。

5.4在使用自動控制方法啟閉封頭蓋時，一定要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置安全聯(lián)鎖裝置，避免在容器卸壓未盡前或帶壓下打開封頭蓋，以及在封頭蓋未完全閉合前升壓。安全聯(lián)鎖裝置應(yīng)具備的功能有：鎖緊件未完全達(dá)到預(yù)定工作部位之前，容器內(nèi)不能升壓；容器內(nèi)部壓力完全釋放之前，鎖緊件不能松開。

5.5在手動方法啟閉封頭蓋時，應(yīng)設(shè)置報警裝置。當(dāng)鎖緊件未完全閉合前加壓或容器內(nèi)尚有殘余壓力即松開鎖緊件時，能夠產(chǎn)生明顯的報警信號。

[1] TSG 21-2016,固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京:新華出版社,2016.

[2] 丁伯民,黃正林.高壓容器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:99.

[3] GB 150.1～150.4-2011,壓力容器[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2011.

[4] 劉延雷,陳濤,周濤,等.硫化罐齒塊嚙合強(qiáng)度校核及使用缺陷分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2015,11(11):71～75.

[5] 張國順,李慶生.硫化罐齒嚙式快開結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].輕工機(jī)械,2015,33(5):38～42.

[6] 劉剛,羅友高,曾嶸,等.大直徑卡箍結(jié)構(gòu)的剛度分析[J].化工機(jī)械,2011,38(6):753～756.

[7] GB/T 3452.1-2005,液壓氣動用O形橡膠密封圈第1部分:尺寸系列及公差[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

2017-01-05)

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ApplicationAnalysisofSeveralQuick-openingStructuresinPressureVessels

LI Shu-rong

(CSICSpecialEquipmentCo.,Ltd.)

李書容(1982-)，工程師，從事項目管理、壓力容器常規(guī)設(shè)計與分析設(shè)計工作，76365761@qq.com。

TQ052.4

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0254-6094(2017)05-0533-05