倪永良 王海范 崔 琴

（江蘇省化工設(shè)備制造安裝有限公司）

目前高壓容器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，而且隨著科學(xué)技術(shù)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(duì)高壓容器的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。

在生產(chǎn)裝置中，大多數(shù)高壓容器采用可拆式結(jié)構(gòu)，以便在容器內(nèi)安裝各種內(nèi)件或裝入催化劑等。 可拆式高壓容器密封連接結(jié)構(gòu)是容器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，尤其是大直徑高壓容器，密封連接部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工、裝配要求高，所以造價(jià)相當(dāng)高。 對(duì)于高壓容器的密封連接結(jié)構(gòu)， 要求運(yùn)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(jié)構(gòu)的種類及適用范圍

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

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

高壓容器的密封連接結(jié)構(gòu)，包含了密封結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)兩部分。 其中密封結(jié)構(gòu)通過密封元件的作用，阻止容器內(nèi)具有一定壓力的介質(zhì)從密封部位逸出，而連接結(jié)構(gòu)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(gè)封閉的整體。

根據(jù)對(duì)密封元件施加的載荷和密封原理可知，密封結(jié)構(gòu)有：強(qiáng)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(jié)構(gòu)分為主螺栓連接結(jié)構(gòu)和無主螺栓連接結(jié)構(gòu)。

在主螺栓連接結(jié)構(gòu)中，連接元件為主螺栓和螺母，依靠螺紋進(jìn)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(jié)構(gòu)、雙錐密封結(jié)構(gòu)和無墊片焊接密封結(jié)構(gòu)，都采用主螺栓連接結(jié)構(gòu)。

在無主螺栓連接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由抗剪環(huán)承受容器的軸向載荷；在卡箍緊固結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)壓力

目前， 適用于高壓容器的密封連接結(jié)構(gòu)中，只有采用主螺栓的連接結(jié)構(gòu)可用于直徑較大的高壓容器，如雙錐密封結(jié)構(gòu)、無墊片焊接密封結(jié)構(gòu)，所以這里僅考慮采用主螺栓連接的雙錐密封結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計(jì)壓力。 另外，由計(jì)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(shí)，無墊片焊接密封結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計(jì)壓力與雙錐密封結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計(jì)壓力比較接近。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］的分析和計(jì)算結(jié)果，采用主螺栓連接的雙錐密封結(jié)構(gòu)的高壓容器在設(shè)定的設(shè)計(jì)溫度下，每一種封口直徑的高壓容器都存在一個(gè)最大設(shè)計(jì)壓力，即極限設(shè)計(jì)壓力。 這是因?yàn)椴捎弥髀菟ㄟB接的高壓容器由于受到主螺栓總截面積的限制，容器的設(shè)計(jì)壓力也受到了限制。 由該文獻(xiàn)中的圖1 可以看到，當(dāng)容器的封口直徑較大時(shí)， 其極限設(shè)計(jì)壓力就比較小， 達(dá)不到GB/T 150.3—2011 附錄C 中允許的雙錐密封結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計(jì)壓力35MPa， 且容器的封口直徑越大，其極限設(shè)計(jì)壓力就越小。

由此可知，如果需要設(shè)計(jì)壓力大于相應(yīng)極限設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，而需要采用承載能力更大的其他連接結(jié)構(gòu)，以提高承受高壓容器軸向載荷的能力。

3 卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)的開發(fā)

3.1 卡箍緊固結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及局限性

卡箍緊固結(jié)構(gòu)是一種無主螺栓的連接結(jié)構(gòu)，與同樣封口直徑的主螺栓連接結(jié)構(gòu)相比，卡箍緊固結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)備困難，加工難度大，而且成本很高，因此卡箍緊固結(jié)構(gòu)不適用于大直徑高壓容器［4］，該結(jié)構(gòu)適用的容器直徑一般不大于1 000mm。

3.2 卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生背景

目前接觸到的高壓容器直徑越來越大，設(shè)計(jì)壓力越來越高，由于主螺栓連接結(jié)構(gòu)的高壓容器受到極限設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的高壓容器，以滿足不斷發(fā)展的化工生產(chǎn)對(duì)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(dá)到較大尺寸，但由于受到主螺栓總截面積的限制，因此對(duì)于大直徑的高壓容器，其相應(yīng)的極限設(shè)計(jì)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(shí)，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(jié)構(gòu)是一種無主螺栓的連接結(jié)構(gòu)， 與同樣封口直徑的主螺栓連接結(jié)構(gòu)相比，卡箍緊固結(jié)構(gòu)尺寸比較緊湊，因?yàn)榭ü烤o固結(jié)構(gòu)中的筒體端部只需滿足強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)尺寸要求，其徑向截面尺寸比主螺栓連接結(jié)構(gòu)中的筒體端部小。

進(jìn)一步分析比較這兩種高壓容器的連接結(jié)構(gòu)，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(yīng)力。當(dāng)容器的封口直徑很大、設(shè)計(jì)壓力很高時(shí)，容器的軸向載荷就很大，但容器的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(yīng)力和軸向彎曲應(yīng)力，而斷面內(nèi)側(cè)上下的凸肩承受軸向剪應(yīng)力和徑向彎曲應(yīng)力，并且卡箍的承載能力僅與斷面的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，而與卡箍在周向的弧長無關(guān)，即與卡箍的分段數(shù)無關(guān)，因此卡箍斷面的結(jié)構(gòu)尺寸必須滿足強(qiáng)度要求。 當(dāng)容器的直徑較大時(shí)，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(jié)構(gòu)

依據(jù)卡箍的承載能力與卡箍周向弧長無關(guān)這一點(diǎn)， 開發(fā)了一種新型的高壓容器連接結(jié)構(gòu)，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(shè)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(chǎn)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(dá)到密封的目的。 這種結(jié)構(gòu)就是卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)。 高壓容器上的卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 高壓容器上的卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)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(cè)面結(jié)構(gòu)形狀與卡箍斷面的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 卡塊結(jié)構(gòu)示意圖

在卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)中，由卡塊承受容器的軸向載荷， 卡塊數(shù)量由卡塊的周向?qū)挾瘸叽绱_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(jié)構(gòu)，即使容器的封口直徑很大，也不需要用到大型鍛件，因?yàn)榭▔K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(gè)連接結(jié)構(gòu)比較緊湊。

3.4 卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)的承載能力分析

卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)由4 部分組成，即：筒體端部（一、二）、卡塊、鋼板圈、密封元件，整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力主要取決于卡塊的承載能力。

卡塊的外側(cè)面被鋼板圈包住并拉緊后，鋼板圈對(duì)卡塊產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)生拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力外， 由于軸向載荷作用點(diǎn)的偏心關(guān)系，又在卡塊的高度方向產(chǎn)生彎矩，使卡塊的腰部承受附加彎曲應(yīng)力，使得卡塊兩端向外彎曲。

為了降低卡塊腰部的彎曲應(yīng)力，應(yīng)將鋼板圈分為上下兩段，使鋼板圈對(duì)卡塊作用力的作用點(diǎn)位于卡塊兩端對(duì)應(yīng)凸肩的位置，可以使鋼板圈對(duì)卡塊產(chǎn)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(duì)卡塊產(chǎn)生彎矩，該彎矩與容器軸向載荷對(duì)卡塊產(chǎn)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(yīng)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(gè)連接結(jié)構(gòu)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(duì)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(shè)計(jì)成較大的徑向尺寸。 所以， 設(shè)計(jì)采用卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)的高壓容器時(shí)，容器的直徑和設(shè)計(jì)壓力可在設(shè)計(jì)規(guī)范的范圍內(nèi)根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定，而不像主螺栓連接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的限制，故不存在極限設(shè)計(jì)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(dāng)采用無墊片焊接密封時(shí)，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(nèi)介質(zhì)接觸，所以可以采用普通材料加工，但為了縮小卡塊的結(jié)構(gòu)尺寸，宜選用較高強(qiáng)度的材料。

4 卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)在航天工程中的應(yīng)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(yīng)用。 現(xiàn)在發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星與火箭之間的連接多采用星箭包帶式連接結(jié)構(gòu)［5～8］。在星箭包帶式連接結(jié)構(gòu)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(diǎn)火后發(fā)射升空到星箭分離的整個(gè)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(zhì)量產(chǎn)生的巨大動(dòng)載荷，所以，卡塊承受的載荷非常復(fù)雜。

而在文中所述的用于高壓容器的卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)中，卡塊除了承受預(yù)緊載荷外，當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)壓力上升后，還要承受由介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向載荷。 對(duì)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(huì)產(chǎn)生明顯的沖擊載荷，當(dāng)容器內(nèi)壓力升高到工作壓力后， 容器內(nèi)的介質(zhì)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(yuǎn)沒有星箭包帶式連接結(jié)構(gòu)中卡塊所承受的載荷復(fù)雜。 所以，在大直徑高壓容器上采用卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)，所用的卡塊經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算并滿足強(qiáng)度條件后，連接結(jié)構(gòu)的安全性是有保障的。

5 卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)在大直徑高壓容器領(lǐng)域的意義

卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)， 實(shí)質(zhì)上是將由筒體端部、端蓋法蘭和主螺栓組成的連接結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱主螺栓連接結(jié)構(gòu)）與卡箍緊固結(jié)構(gòu)兩者結(jié)合而成的一種新型高壓容器連接結(jié)構(gòu)，即將卡箍緊固結(jié)構(gòu)中的卡箍周向分割成多個(gè)尺寸較小的卡塊，用卡塊取代主螺栓連接結(jié)構(gòu)中的主螺栓。

這種新型的卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)在大直徑高壓容器領(lǐng)域的意義是：解決了大直徑高壓容器設(shè)計(jì)中遇到的關(guān)鍵問題，即采用主螺栓連接結(jié)構(gòu)的高壓容器，其設(shè)計(jì)壓力超過極限設(shè)計(jì)壓力時(shí)無法按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的問題。

卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)適用的高壓容器直徑可以很大，且沒有極限設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)相比，卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

a. 取消了用于加工筒體端部和端蓋法蘭的大型鍛件，因?yàn)橹髀菟ㄟB接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的筒體端部?jī)H需滿足強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)尺寸要求，其徑向截面尺寸比主螺栓連接結(jié)構(gòu)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(duì)材料及加工、 裝配要求很高、價(jià)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(jié)構(gòu)，目前僅是一種結(jié)構(gòu)方案，已經(jīng)按照這種結(jié)構(gòu)方案初步設(shè)計(jì)了一份樣機(jī)圖紙，準(zhǔn)備制造一臺(tái)樣機(jī)，然后進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試。

但是， 由于筆者所在單位的技術(shù)力量有限，難以完成全過程的試驗(yàn)和測(cè)試工作。 因此真誠邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)有開發(fā)意向的科研機(jī)構(gòu)和專家來主持此項(xiàng)目的全過程研制工作， 包括結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、元件應(yīng)力分析、 測(cè)試方案制定及測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)定等，并在取得研究進(jìn)展的前提下，制定相關(guān)的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，使得這種連接結(jié)構(gòu)能夠在大直徑高壓容器上得到實(shí)際運(yùn)用。 本單位愿意配合主持此項(xiàng)目研制的機(jī)構(gòu)和專家，做好樣機(jī)的試制工作。

7 結(jié)束語

現(xiàn)有的采用主螺栓連接結(jié)構(gòu)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(gè)極限設(shè)計(jì)壓力，如果要設(shè)計(jì)壓力大于相應(yīng)極限設(shè)計(jì)壓力的大直徑高壓容器，就無法實(shí)現(xiàn)。

隨著高壓容器的高參數(shù)化，容器的直徑越來越大，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)對(duì)大直徑高壓容器的需要。 筆者在卡箍緊固結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 開發(fā)了一種新型的卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)， 這種連接結(jié)構(gòu)由卡塊承受容器的軸向載荷，因?yàn)榭▔K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(jié)構(gòu)尺寸的限制，所以，采用卡塊連接緊固結(jié)構(gòu)的高壓容器，其直徑和設(shè)計(jì)壓力可以在設(shè)計(jì)規(guī)范的范圍內(nèi)根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定，不存在極限設(shè)計(jì)壓力，具有廣泛的應(yīng)用前景。