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一种螺栓连接式快开装置的设计及校核方法



引言

精馏塔设计单位雷特石化2018年2月28日讯  在化工设备中,某些容器需要经常打开或关闭。例如化学加药罐,其作用就是为系统储备某种化学药品,按需注入以维持系统安全稳定的运行,这就需要频繁的启闭来完成化学药品的补充添加。这类容器的端盖和封头必须采用可打开式的,而且为了提高工作效率,启闭端盖和封头的工作量应尽量减小,以实现容器的快速启闭。

传统的螺栓法兰连接使用紧固件配合密封垫片的密封结构,由于需要逐个螺栓的拧紧和拧松,工作量大,装拆时间长,不符合快速启闭的要求。与传统的螺栓法兰连接不同,本文中的螺栓连接式快开装置有以下两个特点:一是连接的螺栓不必全部拆下,将螺栓拧松即可开启封头; 二是在筒体端部法兰上加工密封槽,内部放置密封圈,可在内压作用下实现密封。

1 结构简介

快开装置主要由螺栓挡耳、螺栓、垫片、带丝螺套、轴套等组成,三维模型见图1

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1 螺栓连接式快开装置三维模型

螺栓挡耳和轴套之间通过焊接与筒体端部筒节(法兰)连接到一起,螺栓在螺栓挡耳和轴套中间通过带丝螺套进行固定,如图 2 所示。当处于工作状态时,将螺栓拧紧,容器闭合。当需要打开罐子时,无需将螺栓卸下,只需将螺栓拧松至可使螺栓从侧面滑落的位置即可。筒体端面上有密封槽,槽内放置密封圈,在内压作用下可实现密封。

2 快开装置简图

2 螺栓的校核

螺栓的校核与螺栓预紧力的大小息息相关,因此,根据快开封头的实际结构,确定合适的螺栓预紧力的范围至关重要。螺栓预紧力必须使密封圈压紧以实现初始密封。适当提高螺栓预紧力可以增加密封能力,但螺栓预紧力不能太大,太大会使垫圈整体屈服而丧失回弹能力,甚至将容器端面挤至屈服。

当螺栓联接件处于预紧状态时,螺栓受预紧力Qp作用,伸长量为λb,被联接件在预紧力作用下压缩变形量为λm。当螺栓进入工作状态后,在工作载荷 F 的作用下,所受拉力由Qp增大至Q,伸长量增加Δλ,总伸长量为λb+Δλ。与此同时,被压缩件因螺栓伸长而被放松,被压缩量减少,根据变形协调原理可知,其压缩变形减少量等于螺栓伸长量Δλ,则此时总的压缩变形量为λm-Δλ。被联接件上作用的压缩载荷由原来的Qp减小至Q'pQ'p被称作残余预紧力[1-4] Q=QP ′+F

为了保证连接的紧密性,必须防止在承受工作载荷后连接面分离,即要保证Q'p>0。一般情况下,对有密封性要求的连接,取残余预紧力Q'p=(1.5~1.8)F

Q = Qp+Fkb/ ( kb+ km),其中kb/ ( kb+ km)称为连接的相对刚度,与螺栓和被连接件的尺寸、材料及受力位置等因素有关,其值在0~1之间。

根据上述的方法计算螺栓所受总拉力后,然后校核螺栓截面面积是否满足强度要求。经计算,本快开装置的螺栓强度满足要求。

3 螺栓挡耳等结构的校核

对于螺栓挡耳等结构,建立了三维模型进行局部受力分析和校核,三维模型如图3所示。

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3 三维模型

在分析过程中需要加载荷约束,设置两个侧面为对称面,另外,限定附加筒节下端竖直方向的位移。对于边界条件的设置,筒节与封头的边界条件设为无摩擦,螺栓与垫片、垫片与螺栓挡耳、带丝螺套与轴套间、带丝螺套与螺栓的边界条件均为设为绑定。

筒节与封头在设计条件下的载荷主要有内压力为200PSI,温度为400 ℉。压力施加方式另外,还对螺栓施加了33949N的预紧力。

4  设计条件下的应力分布云图

对模型的静力分析结果如图4所示,最大应力强度为427.6MPa,位于螺栓挡耳与封头焊接处附近。图5为变形分布图,由图可知最大变形0.23mm,在内压作用下,封头和筒体之间没有分离。

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5 变形分布图

4 结论

本文介绍了一种螺栓连接式快开装置的设计和校核方法,并完成了工作情况下螺栓及快开封头位置的受力分析和校核,提出了螺栓连接式快开装置的计算方法。另外,螺栓预紧力的大小影响密封效果,在设备使用时要保证螺栓预紧力


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