用于大直徑高壓容器的卡塊連接緊固結構

倪永良 王海范 崔 琴

（江蘇省化工設備制造安裝有限公司）

目前高壓容器的應用領域很廣，而且隨著科學技術的發(fā)展， 所需高壓容器的直徑越來越大，操作壓力越來越高，這就對高壓容器的設計和制造提出了更高的要求。

在生產裝置中，大多數(shù)高壓容器采用可拆式結構，以便在容器內安裝各種內件或裝入催化劑等。 可拆式高壓容器密封連接結構是容器的關鍵結構，尤其是大直徑高壓容器，密封連接部位結構復雜，加工、裝配要求高，所以造價相當高。 對于高壓容器的密封連接結構， 要求運行安全、密封可靠、易于制造且裝拆方便。

1 現(xiàn)有高壓容器密封連接結構的種類及適用范圍

能用于高壓容器的密封連接結構有多種，如金屬平墊密封結構、雙錐密封結構、伍德密封結構、卡扎里密封結構及卡箍緊固結構等。 各種密封連接結構的適用范圍見GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3 部分：設計》［1］附錄C 中的表C-1。

還有一種無墊片焊接密封結構也適用于高壓容器密封。 HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》［2］第11 章《無墊片焊接密封法蘭的設計和計算》中，給出了無墊片焊接密封結構的強度計算方法。 這種密封結構的適用范圍可以按雙錐密封結構的適用范圍考慮。

高壓容器的密封連接結構，包含了密封結構和連接結構兩部分。 其中密封結構通過密封元件的作用，阻止容器內具有一定壓力的介質從密封部位逸出，而連接結構通過連接元件連接并承受容器的軸向載荷，使被連接的各部分組成一個封閉的整體。

根據(jù)對密封元件施加的載荷和密封原理可知，密封結構有：強制密封、自緊式密封、半自緊式密封、焊接密封。

根據(jù)連接元件的緊固方法可將連接結構分為主螺栓連接結構和無主螺栓連接結構。

在主螺栓連接結構中，連接元件為主螺栓和螺母，依靠螺紋進行緊固，由主螺栓承受容器的軸向載荷。 現(xiàn)有的金屬平墊密封結構、雙錐密封結構和無墊片焊接密封結構，都采用主螺栓連接結構。

在無主螺栓連接結構中，連接元件有抗剪環(huán)（或抗剪銷）、螺紋環(huán)及卡箍等。 如伍德密封結構由抗剪環(huán)承受容器的軸向載荷；在卡箍緊固結構中，由卡箍承受容器的軸向載荷。

2 采用主螺栓連接的高壓容器的極限設計壓力

目前， 適用于高壓容器的密封連接結構中，只有采用主螺栓的連接結構可用于直徑較大的高壓容器，如雙錐密封結構、無墊片焊接密封結構，所以這里僅考慮采用主螺栓連接的雙錐密封結構的極限設計壓力。 另外，由計算可知，同一封口直徑的高壓容器，采用相同規(guī)格、相同材料的主螺栓時，無墊片焊接密封結構的極限設計壓力與雙錐密封結構的極限設計壓力比較接近。

根據(jù)文獻［3］的分析和計算結果，采用主螺栓連接的雙錐密封結構的高壓容器在設定的設計溫度下，每一種封口直徑的高壓容器都存在一個最大設計壓力，即極限設計壓力。 這是因為采用主螺栓連接的高壓容器由于受到主螺栓總截面積的限制，容器的設計壓力也受到了限制。 由該文獻中的圖1 可以看到，當容器的封口直徑較大時， 其極限設計壓力就比較小， 達不到GB/T 150.3—2011 附錄C 中允許的雙錐密封結構的極限設計壓力35MPa， 且容器的封口直徑越大，其極限設計壓力就越小。

由此可知，如果需要設計壓力大于相應極限設計壓力的大直徑高壓容器，就無法采用現(xiàn)有的主螺栓連接結構，而需要采用承載能力更大的其他連接結構，以提高承受高壓容器軸向載荷的能力。

3 卡塊連接緊固結構的開發(fā)

3.1 卡箍緊固結構的優(yōu)點及局限性

卡箍緊固結構是一種無主螺栓的連接結構，與同樣封口直徑的主螺栓連接結構相比，卡箍緊固結構尺寸比較緊湊。 但是，為了能夠完成啟閉操作，要將卡箍在周向上分為2 段或3 段，在分段處還要加工出凸耳，才能用橫向緊固螺栓將卡箍收緊，所以卡箍的形狀是不規(guī)則的（圖1）。

圖1 卡箍緊固結構示意圖

從圖1 可以看到，用于大直徑高壓容器的卡箍需要用大型鍛件加工， 而且加工切削量很大，不僅材料準備困難，加工難度大，而且成本很高，因此卡箍緊固結構不適用于大直徑高壓容器［4］，該結構適用的容器直徑一般不大于1 000mm。

3.2 卡塊連接緊固結構的產生背景

目前接觸到的高壓容器直徑越來越大，設計壓力越來越高，由于主螺栓連接結構的高壓容器受到極限設計壓力的限制，使得高壓容器無法向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展。 因此，急需開發(fā)出一種新型連接結構的高壓容器，以滿足不斷發(fā)展的化工生產對大直徑高壓容器的需求。

采用主螺栓連接的高壓容器，雖然容器封口直徑可以達到較大尺寸，但由于受到主螺栓總截面積的限制，因此對于大直徑的高壓容器，其相應的極限設計壓力比較小，不能滿足高參數(shù)化的需求。 而且采用的主螺栓直徑很大時，筒體端部和端蓋法蘭上需要容納大直徑的主螺栓，所以筒體端部、端蓋法蘭的徑向截面尺寸就要很大。

而卡箍緊固結構是一種無主螺栓的連接結構， 與同樣封口直徑的主螺栓連接結構相比，卡箍緊固結構尺寸比較緊湊，因為卡箍緊固結構中的筒體端部只需滿足強度要求和結構尺寸要求，其徑向截面尺寸比主螺栓連接結構中的筒體端部小。

進一步分析比較這兩種高壓容器的連接結構，著重分析承受容器軸向載荷的連接元件的受力情況。

采用主螺栓連接的高壓容器由主螺栓承受容器的軸向載荷， 主螺栓承受的是軸向拉應力。當容器的封口直徑很大、設計壓力很高時，容器的軸向載荷就很大，但容器的設計壓力受到筒體端部上布置的主螺栓總截面積的限制。

采用卡箍緊固結構的高壓容器由卡箍承受容器的軸向載荷。 在卡箍斷面（軸截面）上，中間的腰部承受軸向拉應力和軸向彎曲應力，而斷面內側上下的凸肩承受軸向剪應力和徑向彎曲應力，并且卡箍的承載能力僅與斷面的結構尺寸有關，而與卡箍在周向的弧長無關，即與卡箍的分段數(shù)無關，因此卡箍斷面的結構尺寸必須滿足強度要求。 當容器的直徑較大時，卡箍的幾何尺寸就要很大，但是容器直徑受到加工卡箍的鍛件毛坯尺寸的限制。

3.3 高壓容器上的卡塊連接緊固結構

依據(jù)卡箍的承載能力與卡箍周向弧長無關這一點， 開發(fā)了一種新型的高壓容器連接結構，將卡箍沿周向分割為弧長較小的卡塊，并取消卡箍分段處的凸耳和橫向緊固螺栓，在卡塊的外面設置鋼板圈 （按照多層包扎容器的制造工藝，用液壓拉緊器將條形鋼板周向拉緊并焊接成鋼板圈）， 由鋼板圈產生徑向收縮力使所有卡塊發(fā)生徑向位移，壓緊密封元件，達到密封的目的。 這種結構就是卡塊連接緊固結構。 高壓容器上的卡塊連接緊固結構如圖2 所示。

圖2 高壓容器上的卡塊連接緊固結構示意圖

其中，密封元件可采用雙錐密封，也可采用無墊片焊接密封， 其他的密封元件如：O 形環(huán)、B 形環(huán)及C 形環(huán)等自緊式密封元件也均可采用。

卡塊的側面結構形狀與卡箍斷面的結構相同，只是周向不是圖1 所示的圓弧狀，而是塊狀單體，所以稱之為卡塊，其結構如圖3 所示。

圖3 卡塊結構示意圖

在卡塊連接緊固結構中，由卡塊承受容器的軸向載荷， 卡塊數(shù)量由卡塊的周向寬度尺寸確定，一般取4 的倍數(shù)，相鄰卡塊之間留有一定的間距，確?？▔K上緊后相互之間不靠到。

可以看到，采用這種連接結構，即使容器的封口直徑很大，也不需要用到大型鍛件，因為卡塊只需要采用較小尺寸的鍛件加工即可，并且用鋼板圈代替了橫向緊固螺栓，所以整個連接結構比較緊湊。

3.4 卡塊連接緊固結構的承載能力分析

卡塊連接緊固結構由4 部分組成，即：筒體端部（一、二）、卡塊、鋼板圈、密封元件，整個結構的承載能力主要取決于卡塊的承載能力。

卡塊的外側面被鋼板圈包住并拉緊后，鋼板圈對卡塊產生徑向收縮力， 使卡塊發(fā)生徑向位移，壓緊筒體端部之間的密封元件。 容器受到介質的壓力作用后，通過筒體端部將容器的軸向載荷傳遞給卡塊。 卡塊上下凸肩的斜面上受到容器的軸向載荷作用后，除了在卡塊上產生拉應力和剪切應力外， 由于軸向載荷作用點的偏心關系，又在卡塊的高度方向產生彎矩，使卡塊的腰部承受附加彎曲應力，使得卡塊兩端向外彎曲。

為了降低卡塊腰部的彎曲應力，應將鋼板圈分為上下兩段，使鋼板圈對卡塊作用力的作用點位于卡塊兩端對應凸肩的位置，可以使鋼板圈對卡塊產生徑向收縮力，其中一部分用于平衡容器的軸向載荷作用在卡塊凸肩的斜面上引起的徑向分力，其余部分對卡塊產生彎矩，該彎矩與容器軸向載荷對卡塊產生的彎矩方向相反，可以使作用在卡塊上的兩種彎矩相互平衡，使卡塊的腰部基本上以承受拉應力為主，這樣可以縮小卡塊腰部的徑向尺寸， 既可減少卡塊鍛件材料的用量，又可縮小整個連接結構的外徑。

卡塊的受力情況如圖4 所示。其中W1為容器的軸向載荷，W2為鋼板圈對卡塊的徑向收縮力。

圖4 卡塊受力情況示意圖

根據(jù)卡塊承受的軸向載荷大小，確定卡塊腰部承載截面的面積， 如果容器的軸向載荷大，那么要將卡塊的腰部設計成較大的徑向尺寸。 所以， 設計采用卡塊連接緊固結構的高壓容器時，容器的直徑和設計壓力可在設計規(guī)范的范圍內根據(jù)設計需要確定，而不像主螺栓連接結構那樣受到主螺栓總截面積的限制，因卡塊腰部的徑向尺寸不受結構的限制，故不存在極限設計壓力。

鋼板圈分為上下兩段后， 中間空出一段間距，可以檢查密封元件的密封情況，或者當采用無墊片焊接密封時，可以分段焊接密封環(huán)的密封焊縫。 如果所需鋼板圈的厚度比較厚，可以將鋼板圈分為幾層，便于拉緊鋼板圈。

由圖3 可以看到， 卡塊是比較規(guī)則的塊狀，卡塊所用的材料就是壓力容器用鍛件，而且卡塊不與容器內介質接觸，所以可以采用普通材料加工，但為了縮小卡塊的結構尺寸，宜選用較高強度的材料。

4 卡塊連接緊固結構在航天工程中的應用情況

采用卡塊作為承載元件，在航天工程中早已得到了廣泛的應用。 現(xiàn)在發(fā)射衛(wèi)星時，衛(wèi)星與火箭之間的連接多采用星箭包帶式連接結構［5～8］。在星箭包帶式連接結構中，所用的承載元件就是分布在連接框四周的卡塊，在卡塊的外面采用包帶將之包緊。

從火箭點火后發(fā)射升空到星箭分離的整個飛行過程中，卡塊要承受由加速度引起的巨大慣性力， 還要承受由衛(wèi)星質量產生的巨大動載荷，所以，卡塊承受的載荷非常復雜。

而在文中所述的用于高壓容器的卡塊連接緊固結構中，卡塊除了承受預緊載荷外，當容器內介質壓力上升后，還要承受由介質壓力產生的軸向載荷。 對于大直徑高壓容器，由于容器的容積很大，在升壓過程中，壓力是緩慢升高的，不會產生明顯的沖擊載荷，當容器內壓力升高到工作壓力后， 容器內的介質壓力基本上處于平穩(wěn)狀態(tài)， 所以卡塊所承受的載荷也處于穩(wěn)定狀態(tài)，遠沒有星箭包帶式連接結構中卡塊所承受的載荷復雜。 所以，在大直徑高壓容器上采用卡塊連接緊固結構，所用的卡塊經過強度計算并滿足強度條件后，連接結構的安全性是有保障的。

5 卡塊連接緊固結構在大直徑高壓容器領域的意義

卡塊連接緊固結構， 實質上是將由筒體端部、端蓋法蘭和主螺栓組成的連接結構（簡稱主螺栓連接結構）與卡箍緊固結構兩者結合而成的一種新型高壓容器連接結構，即將卡箍緊固結構中的卡箍周向分割成多個尺寸較小的卡塊，用卡塊取代主螺栓連接結構中的主螺栓。

這種新型的卡塊連接緊固結構在大直徑高壓容器領域的意義是：解決了大直徑高壓容器設計中遇到的關鍵問題，即采用主螺栓連接結構的高壓容器，其設計壓力超過極限設計壓力時無法按常規(guī)方法設計的問題。

卡塊連接緊固結構適用的高壓容器直徑可以很大，且沒有極限設計壓力的限制，為高壓容器向高參數(shù)化方向發(fā)展提供了一種途徑。

除此以外，與主螺栓連接結構相比，卡塊連接緊固結構還具有如下優(yōu)點：

a. 取消了用于加工筒體端部和端蓋法蘭的大型鍛件，因為主螺栓連接結構中的筒體端部和端蓋法蘭上需要容納大直徑的主螺栓，所以筒體端部和端蓋法蘭的徑向截面尺寸很大，而卡塊連接緊固結構中的筒體端部僅需滿足強度要求和結構尺寸要求，其徑向截面尺寸比主螺栓連接結構中的筒體端部和端蓋法蘭要小，因此所用的鍛件毛坯重量比較小。

b. 取消了對材料及加工、 裝配要求很高、價格昂貴的主螺栓和主螺母，并且取消了筒體端部上旋入主螺栓的高精度螺紋孔。

6 展望

筆者提出的這種卡塊連接緊固結構，目前僅是一種結構方案，已經按照這種結構方案初步設計了一份樣機圖紙，準備制造一臺樣機，然后進行試驗和測試。

但是， 由于筆者所在單位的技術力量有限，難以完成全過程的試驗和測試工作。 因此真誠邀請行業(yè)內有開發(fā)意向的科研機構和專家來主持此項目的全過程研制工作， 包括結構詳細設計、元件應力分析、 測試方案制定及測試數(shù)據(jù)評定等，并在取得研究進展的前提下，制定相關的設計制造標準，使得這種連接結構能夠在大直徑高壓容器上得到實際運用。 本單位愿意配合主持此項目研制的機構和專家，做好樣機的試制工作。

7 結束語

現(xiàn)有的采用主螺栓連接結構的大直徑高壓容器，由于受到主螺栓總截面積的限制，每一種封口直徑的高壓容器存在一個極限設計壓力，如果要設計壓力大于相應極限設計壓力的大直徑高壓容器，就無法實現(xiàn)。

隨著高壓容器的高參數(shù)化，容器的直徑越來越大，設計壓力越來越高，所以急需開發(fā)出比主螺栓承載能力更大的其他連接結構，以提高承受容器軸向載荷的能力，滿足不斷發(fā)展的化工生產對大直徑高壓容器的需要。 筆者在卡箍緊固結構的基礎上， 開發(fā)了一種新型的卡塊連接緊固結構， 這種連接結構由卡塊承受容器的軸向載荷，因為卡塊承載截面的面積是根據(jù)承受載荷的大小確定的，不受容器結構尺寸的限制，所以，采用卡塊連接緊固結構的高壓容器，其直徑和設計壓力可以在設計規(guī)范的范圍內根據(jù)設計需要確定，不存在極限設計壓力，具有廣泛的應用前景。