针对目前以主螺栓等为主的法兰联接形式存在的密封结构笨重、拆装困难等问题，设计开发了一种新型高压容器顶盖密封法兰连接结构-D形轴向抗剪螺栓联接结构。该结构与现有的卡箍、凸肩法兰(伍德密封连结)等快开密封连接结构相比，不仅能使容器顶盖的拆装更加便捷，同时还具有制造方便、结构紧凑及质量轻等特点，适用于各种高压或超高压容器密封或压力管道密封。对D形螺栓和C形环高压密封装置进行了简单介绍，并对其关键部件进行了应力分析和有限元分析，其结果可为工程应用提供一定的设计理论依据。
      D形螺栓C形环高压密封装置由端部法兰、顶盖、D形螺栓、D形螺栓支撑环和C形环等元件组成，其结构示意图见图。密封元件采用自紧式C形环，C形环放置在顶盖和端部法兰之间，其上、下两道封口的初始密封预紧力是通过旋转顶盖上方沿周向均布的一组D形螺栓直接压下顶盖从而压紧C形环获得，顶盖在轴向可相对移动，工作时的C形环有内压自紧作用。D形螺栓连接在容器端部法兰和D形螺栓支撑环骑缝上的螺孔内，这些螺孔的中心不在骑缝上，而是靠内，呈偏心状态。每个螺栓柱体的一侧被加工成一平面，切掉的部分大约为1/4圆弧长的伞形块，螺栓横截面呈字母D形状。端部法兰上的螺孔只保留约为1/4圆弧螺纹柱，与之相对应的D形螺栓支撑环上的螺孔约为3/4圆弧螺纹柱。
      由此设计的原因是，当D形螺栓在图所示的松开位置时，它可被D形螺栓支撑环上的螺孔所包容，此时，D形螺栓、D形螺栓支撑环和顶盖可以作为一个整体组件直接卸下，D形螺栓不必取出。反之，在安装过程中，只要将上述组件置于端部法兰腔体内，把包容全部D形螺栓的支撑环经轴向和周向定位(螺孔对位)后，分别旋转各个D形螺栓至少量的行程即可。理论上只要向下压紧顶盖至使C形环初始预紧密封所需的轴向变形量即可，一般在初始顶紧C形环之后，螺栓旋转将不会超过1个螺距。从图可知，容器内压轴向力和密封环密封力由顶盖传递到端部法兰是通过D形螺栓进行的。而D形螺栓支撑环轴向并不参与上述力的传递，所以，预紧完成后要求所有D形螺栓螺纹应与端部法兰上的螺纹孔呈完全连接状态，即不能只连接一部分。
      为了做到这一点，将所有D形螺栓上切平面的加工放在该密封系统完成最终水压试验并确保不发生泄漏后，以此来确定每个螺栓的切平面位置(一般螺栓切平面的法向可正对着轴心方向)，所以每个螺栓、螺孔和顶盖的位置关系基本上应是一一对应的。当然每次预紧时D形螺栓位置并非完全固定，而是可以作左右约90°的旋转调整，即C形环可在原密封变形位置上再得到约1/4螺距的上下变形量调整。例如对有4mm螺距的螺栓，其C形环变形调整余量可达上、下各1mm，可见足以满足实际调整需要。同时，由于D形螺栓支撑环基本不受力，所以环的高度可比螺栓短一些，而且顶盖被D形螺栓压住的台阶也可以往下钻一定深度的孔。只要保证足够强度，可使顶盖尽量向外移，以尽可能少地占有容器内部空间。另外，所有螺孔都要一次定位加工而成。
      介质内压产生的轴向力F。由顶盖通过D形螺栓传递到端部法兰上，同时C形环密封反力(为轴向力)F。也通过D形螺栓传递到端部法兰上，端部法兰对螺栓的作用力主要是轴向剪切力。该剪切力与顶紧力的作用会形成使螺栓倾覆的力矩，为平衡这一力矩，D形螺栓的两侧需受到能形成反向力偶的力，在其靠端部法兰的侧面上，可假设来自端部法兰作用的正向分布压力，能形成力偶的力主要是螺栓底部的摩擦力和可能来自D形螺栓支撑环的正向分布压力，都认为是线性的，D形螺栓力学模型见图。从图可以看出，D形螺栓支撑环可以起到一定的横向支撑作用，但轴向是不受力的。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！