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針對目前以主螺栓等為主的法蘭聯(lián)接形式存在的密封結(jié)構(gòu)笨重、拆裝困難等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型高壓容器頂蓋密封法蘭連接結(jié)構(gòu)-D形軸向抗剪螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的卡箍、凸肩法蘭(伍德密封連結(jié))等快開密封連接結(jié)構(gòu)相比，不僅能使容器頂蓋的拆裝更加便捷，同時還具有制造方便、結(jié)構(gòu)緊湊及質(zhì)量輕等特點(diǎn)，適用于各種高壓或超高壓容器密封或壓力管道密封。對D形螺栓和C形環(huán)高壓密封裝置進(jìn)行了簡單介紹，并對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了應(yīng)力分析和有限元分析，其結(jié)果可為工程應(yīng)用提供一定的設(shè)計(jì)理論依據(jù)。
D形螺栓C形環(huán)高壓密封裝置由端部法蘭、頂蓋、D形螺栓、D形螺栓支撐環(huán)和C形環(huán)等元件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖。密封元件采用自緊式C形環(huán)，C形環(huán)放置在頂蓋和端部法蘭之間，其上、下兩道封口的初始密封預(yù)緊力是通過旋轉(zhuǎn)頂蓋上方沿周向均布的一組D形螺栓直接壓下頂蓋從而壓緊C形環(huán)獲得，頂蓋在軸向可相對移動，工作時的C形環(huán)有內(nèi)壓自緊作用。D形螺栓連接在容器端部法蘭和D形螺栓支撐環(huán)騎縫上的螺孔內(nèi)，這些螺孔的中心不在騎縫上，而是靠內(nèi)，呈偏心狀態(tài)。每個螺栓柱體的一側(cè)被加工成一平面，切掉的部分大約為1/4圓弧長的傘形塊，螺栓橫截面呈字母D形狀。端部法蘭上的螺孔只保留約為1/4圓弧螺紋柱，與之相對應(yīng)的D形螺栓支撐環(huán)上的螺孔約為3/4圓弧螺紋柱。
由此設(shè)計(jì)的原因是，當(dāng)D形螺栓在圖所示的松開位置時，它可被D形螺栓支撐環(huán)上的螺孔所包容，此時，D形螺栓、D形螺栓支撐環(huán)和頂蓋可以作為一個整體組件直接卸下，D形螺栓不必取出。反之，在安裝過程中，只要將上述組件置于端部法蘭腔體內(nèi)，把包容全部D形螺栓的支撐環(huán)經(jīng)軸向和周向定位(螺孔對位)后，分別旋轉(zhuǎn)各個D形螺栓至少量的行程即可。理論上只要向下壓緊頂蓋至使C形環(huán)初始預(yù)緊密封所需的軸向變形量即可，一般在初始頂緊C形環(huán)之后，螺栓旋轉(zhuǎn)將不會超過1個螺距。從圖可知，容器內(nèi)壓軸向力和密封環(huán)密封力由頂蓋傳遞到端部法蘭是通過D形螺栓進(jìn)行的。而D形螺栓支撐環(huán)軸向并不參與上述力的傳遞，所以，預(yù)緊完成后要求所有D形螺栓螺紋應(yīng)與端部法蘭上的螺紋孔呈完全連接狀態(tài)，即不能只連接一部分。
為了做到這一點(diǎn)，將所有D形螺栓上切平面的加工放在該密封系統(tǒng)完成最終水壓試驗(yàn)并確保不發(fā)生泄漏后，以此來確定每個螺栓的切平面位置(一般螺栓切平面的法向可正對著軸心方向)，所以每個螺栓、螺孔和頂蓋的位置關(guān)系基本上應(yīng)是一一對應(yīng)的。當(dāng)然每次預(yù)緊時D形螺栓位置并非完全固定，而是可以作左右約90°的旋轉(zhuǎn)調(diào)整，即C形環(huán)可在原密封變形位置上再得到約1/4螺距的上下變形量調(diào)整。例如對有4mm螺距的螺栓，其C形環(huán)變形調(diào)整余量可達(dá)上、下各1mm，可見足以滿足實(shí)際調(diào)整需要。同時，由于D形螺栓支撐環(huán)基本不受力，所以環(huán)的高度可比螺栓短一些，而且頂蓋被D形螺栓壓住的臺階也可以往下鉆一定深度的孔。只要保證足夠強(qiáng)度，可使頂蓋盡量向外移，以盡可能少地占有容器內(nèi)部空間。另外，所有螺孔都要一次定位加工而成。
介質(zhì)內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力F。由頂蓋通過D形螺栓傳遞到端部法蘭上，同時C形環(huán)密封反力(為軸向力)F。也通過D形螺栓傳遞到端部法蘭上，端部法蘭對螺栓的作用力主要是軸向剪切力。該剪切力與頂緊力的作用會形成使螺栓傾覆的力矩，為平衡這一力矩，D形螺栓的兩側(cè)需受到能形成反向力偶的力，在其靠端部法蘭的側(cè)面上，可假設(shè)來自端部法蘭作用的正向分布壓力，能形成力偶的力主要是螺栓底部的摩擦力和可能來自D形螺栓支撐環(huán)的正向分布壓力，都認(rèn)為是線性的，D形螺栓力學(xué)模型見圖。從圖可以看出，D形螺栓支撐環(huán)可以起到一定的橫向支撐作用，但軸向是不受力的。
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