快開式人孔鉤鎖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)及分析

陽國紅（上海東富龍科技股份有限公司，上海201108）

人孔結(jié)構(gòu)幾乎是壓力容器設(shè)計(jì)中不可缺少且非常關(guān)鍵的部件之一，其主要作用是用于壓力容器內(nèi)件的拆卸和安裝以及在壓力容器使用過程中內(nèi)部的檢修。相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也有明確的要求：壓力容器應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要設(shè)置人孔、手孔等檢查孔，檢查孔的開設(shè)位置、數(shù)量和尺寸等應(yīng)當(dāng)滿足進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)的需要。

對于壓力容器來說，人孔屬于主要受壓元件，其承載的意義幾乎是一個(gè)小型的壓力容器，各元件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算和校核顯得尤其重要。常規(guī)罐體中的一些標(biāo)準(zhǔn)人孔通常可以按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取，并且強(qiáng)度設(shè)計(jì)都有標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)模型。但是在衛(wèi)生要求很高的罐體中，人孔通常需要考慮衛(wèi)生無菌的要求，以及經(jīng)常需要開啟的可操作性，所以選用的人孔都是非標(biāo)快開式，緊固組件為活節(jié)螺栓、鉤鎖和梅花螺母的組合結(jié)構(gòu)，密封墊片選用O 型圈?？扉_式人孔與標(biāo)準(zhǔn)人孔最主要的區(qū)別就是周圍一圈螺栓緊固件設(shè)置于法蘭最外圈以外，雖然開啟比較方便，但是其受力結(jié)構(gòu)要比標(biāo)準(zhǔn)人孔差，在設(shè)計(jì)壓力較高的情況下一般不推薦使用該樣式的人孔。其結(jié)構(gòu)示意圖見下圖1所示。

在很多時(shí)候，該樣式的快開人孔在罐體做水壓試驗(yàn)或?qū)嶋H使用時(shí)，經(jīng)常會出現(xiàn)人孔法蘭處泄露的現(xiàn)象，一直以為是螺栓數(shù)量不夠引起的，或者是由于密封圈變形所導(dǎo)致，未真正找出產(chǎn)生該問題的主要原因所在，最后的解決方案也都是將梅花螺母強(qiáng)行再多擰緊些。有時(shí)擰緊后能夠解決泄露的問題，但是更多的結(jié)果是仍然密封不住。通過核查人孔每個(gè)受壓元件的強(qiáng)度計(jì)算，都滿足所需的要求，且螺栓的數(shù)量、間距以及所需的螺栓截面積等也都是滿足計(jì)算要求的。

經(jīng)過對各種可能的原因進(jìn)行分析和比對，最終確定主要原因出自梅花螺母下部的鉤鎖，該鉤鎖基本都是按各個(gè)項(xiàng)目中的使用經(jīng)驗(yàn)對其結(jié)構(gòu)樣式進(jìn)行選用，在受力計(jì)算方面卻往往被忽視。從簡單的受力傳遞來看，力是從法蘭蓋傳遞到鉤鎖，再從鉤鎖傳遞到螺栓和螺母上的，所以在進(jìn)行主要受壓元件計(jì)算時(shí)，其關(guān)鍵性和重要性可想而知。對于不同樣式的鉤鎖，其受力情況相差很大。如下以某工程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)為例，分別按改進(jìn)前和改進(jìn)后的鉤鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和實(shí)例分析：

圖1 快開式人孔的結(jié)構(gòu)示意圖

1 改進(jìn)前的鉤鎖結(jié)構(gòu)分析

鉤鎖的卡緊缺口處為傾斜面結(jié)構(gòu)，與人孔蓋的受力接觸面為斜面，缺口的角度一般選45°，并且缺口的端部都比較尖銳。其結(jié)構(gòu)樣式以及與法蘭蓋等的接觸樣式見下圖2所示：

圖2 改進(jìn)前的鉤鎖結(jié)構(gòu)以及與法蘭蓋等的接觸樣式示意圖

1.1 改進(jìn)前的鉤鎖結(jié)構(gòu)按理論力學(xué)模型計(jì)算

下表1 中為工程案例已知的設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)該設(shè)計(jì)參數(shù)對其進(jìn)行近似的理論力學(xué)模型計(jì)算和實(shí)例分析。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)力學(xué)分解的計(jì)算，人孔蓋對鉤鎖的受力接觸面會產(chǎn)生一個(gè)垂直的分力F1，該分力在鉤鎖的危險(xiǎn)截面上會產(chǎn)生一定的彎矩，由于抗彎截面系數(shù)較小，最后會產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。如下是詳細(xì)的計(jì)算過程：

(1)人孔蓋的受力面積和總受力以及單個(gè)人孔鉤鎖的受力計(jì)算：

(2)鉤鎖缺口處受力分解的計(jì)算：

(3)垂直力F1對危險(xiǎn)截面的彎矩、危險(xiǎn)截面處抗彎截面系數(shù)以及彎曲應(yīng)力的計(jì)算：

1.2 改進(jìn)前的鉤鎖結(jié)構(gòu)按應(yīng)力分析計(jì)算

按以上相同的設(shè)計(jì)參數(shù)對鉤鎖進(jìn)行分析計(jì)算，得出該處的應(yīng)力分析報(bào)告，相應(yīng)的分析計(jì)算結(jié)果概要詳見下表2：

表2 分析計(jì)算結(jié)果概要

結(jié)論：經(jīng)過如上近似的力學(xué)計(jì)算和分析計(jì)算，在垂直分力的作用下，鉤鎖缺口處的危險(xiǎn)截面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是非常大的。在實(shí)際受壓后仔細(xì)檢查鉤鎖的該缺口處，會發(fā)現(xiàn)有些已經(jīng)彎曲變形了。這種結(jié)構(gòu)是非常危險(xiǎn)的，輕則只是變形影響密封效果，嚴(yán)重時(shí)甚至可能會被拉斷，造成的后果將不堪設(shè)想。

為了解決如上難題，考慮了很多的解決方案，一開始準(zhǔn)備增加螺栓和鉤鎖的數(shù)量，這樣雖然可以降低單個(gè)鉤鎖的受力，但在開啟方便性方面就打了折扣。于是就只能重點(diǎn)考慮對鉤鎖自身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過對各種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的分析和對比，并分別進(jìn)行試驗(yàn)校核，最終選擇如下改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)。

2 改進(jìn)后的鉤鎖結(jié)構(gòu)分析

改進(jìn)后的鉤鎖結(jié)構(gòu)與人孔蓋的受力接觸面為水平面，缺口的角度為0°，其結(jié)構(gòu)樣式以及與人孔蓋等的接觸樣式見下圖3所示。

2.1 改進(jìn)后的鉤鎖結(jié)構(gòu)按理論力學(xué)模型計(jì)算

按上表1中相同工程案例的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行近似的理論力學(xué)模型計(jì)算和實(shí)例分析。根據(jù)力學(xué)的計(jì)算，人孔蓋對鉤鎖的受力接觸面會產(chǎn)生一個(gè)垂直的分力F單，該分力對危險(xiǎn)截面產(chǎn)生的彎矩雖然較大，但是由于抗彎截面系數(shù)較大，最后產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力就比較小。如下是詳細(xì)的計(jì)算過程：

圖3 改進(jìn)后的鉤鎖結(jié)構(gòu)以及與法蘭蓋等的接觸樣式示意圖

(1)人孔蓋的受力面積和總受力以及單個(gè)人孔鉤鎖的受力計(jì)算同如上計(jì)算結(jié)果。

(2)垂直力F單對危險(xiǎn)截面的彎矩、危險(xiǎn)截面處抗彎截面系數(shù)以及彎曲應(yīng)力的計(jì)算：

2.2 改進(jìn)后的鉤鎖結(jié)構(gòu)按應(yīng)力分析計(jì)算

按以上相同的設(shè)計(jì)參數(shù)對鉤鎖進(jìn)行分析計(jì)算，得出該處的應(yīng)力分析報(bào)告，相應(yīng)的分析計(jì)算結(jié)果概要詳見下表3：

表3 分析計(jì)算結(jié)果概要

通過如上詳細(xì)的計(jì)算和分析，現(xiàn)以文章中工程案例的設(shè)計(jì)參數(shù)為例，將改進(jìn)前后鉤鎖結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算結(jié)果參數(shù)進(jìn)行對比匯總，詳見下表4所示：

表4 改進(jìn)前后鉤鎖結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算結(jié)果參數(shù)對比匯總

結(jié)論：根據(jù)表格中各數(shù)據(jù)的分析和對比，在受力方面，改進(jìn)后的鉤鎖結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)，在安全方面更是得到了很好的保障。

在很多實(shí)際的項(xiàng)目中，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)逐漸替代了原結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用，該樣式的快開人孔再也沒有出現(xiàn)由于鉤鎖的原因而引起泄露問題了。不管是在壓力試驗(yàn)階段還是在客戶現(xiàn)場使用階段，設(shè)備都能正常、平穩(wěn)且安全地運(yùn)行，并在操作方面也得到了使用者的一致好評。

3 結(jié)語

在衛(wèi)生要求很高的罐體中，工作和設(shè)計(jì)壓力都不是很高，基于清洗無死角的衛(wèi)生要求和開啟的方便性，像這種樣式的快開人孔被廣泛地使用。但是該人孔卻無國家標(biāo)準(zhǔn)支撐，往往由于設(shè)計(jì)壓力不高且結(jié)構(gòu)簡單而被設(shè)計(jì)人員忽視許多結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)，給安全帶來了一定的隱患。在相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的規(guī)定：壓力容器開孔部分的承壓蓋及其緊固件屬于壓力容器的本體，接管、人孔、手孔等的承壓封頭、平蓋及其緊固件屬于壓力容器的界定范圍內(nèi)。故該快開人孔的鉤鎖作為受力的主要緊固件，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該且必須引起足夠的重視，必要的強(qiáng)度計(jì)算和校核必不可少。人的行為總是一再重復(fù)，重復(fù)的同時(shí)不能被固有的思維模式所禁錮，專業(yè)技術(shù)工作同樣也是一個(gè)不斷重復(fù)但又不斷改進(jìn)、優(yōu)化和創(chuàng)新的過程。

對于一個(gè)從事技術(shù)工作的專業(yè)技術(shù)人員來說，安全意識應(yīng)該放于首位，并且要時(shí)刻以工匠精神注重每一個(gè)細(xì)節(jié)、思考每一個(gè)好的改進(jìn)方案。技術(shù)工作中肯定會遇到各種各樣的技術(shù)難題，面對難題應(yīng)該積極分析和驗(yàn)證各種解決方案，并選擇最優(yōu)且最安全的方案。專業(yè)技術(shù)人員只有在平時(shí)的工作中不斷地嘗試、不斷地思考、不斷地積累和改進(jìn)，才能在專業(yè)技術(shù)中有所收獲、有所進(jìn)步、有所突破和創(chuàng)新。