快開式人孔鉤鎖的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(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小型的壓力容器，各元件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計計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。快開式人孔與標(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。

在很多時候，該樣式的快開人孔在罐體做水壓試驗或?qū)嶋H使用時，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。通過核查人孔每個受壓元件的強(qiáng)度計算，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項目中的使用經(jīng)驗對其結(jié)構(gòu)樣式進(jìn)行選用，在受力計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)行主要受壓元件計算時，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)計的設(shè)計參數(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)計算和實例分析：

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)模型計算

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

表1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)力學(xué)分解的計算，人孔蓋對鉤鎖的受力接觸面會產(chǎn)生一個垂直的分力F1，該分力在鉤鎖的危險截面上會產(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)的計算過程：

(1)人孔蓋的受力面積和總受力以及單個人孔鉤鎖的受力計算：

(2)鉤鎖缺口處受力分解的計算：

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

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

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

表2 分析計算結(jié)果概要

結(jié)論：經(jīng)過如上近似的力學(xué)計算和分析計算，在垂直分力的作用下，鉤鎖缺口處的危險截面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是非常大的。在實際受壓后仔細(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)是非常危險的，輕則只是變形影響密封效果，嚴(yán)重時甚至可能會被拉斷，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)模型計算

按上表1中相同工程案例的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行近似的理論力學(xué)模型計算和實例分析。根據(jù)力學(xué)的計算，人孔蓋對鉤鎖的受力接觸面會產(chǎn)生一個垂直的分力F單，該分力對危險截面產(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人孔鉤鎖的受力計算同如上計算結(jié)果。

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

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

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

表3 分析計算結(jié)果概要

通過如上詳細(xì)的計算和分析，現(xiàn)以文章中工程案例的設(shè)計參數(shù)為例，將改進(jìn)前后鉤鎖結(jié)構(gòu)的主要計算結(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。

在很多實際的項目中，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)計壓力不高且結(jié)構(gòu)簡單而被設(shè)計人員忽視許多結(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)計人員應(yīng)該且必須引起足夠的重視，必要的強(qiáng)度計算和校核必不可少。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，并且要時刻以工匠精神注重每一個細(xì)節(jié)、思考每一個好的改進(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。