第４４卷第５期 化工机械 ５３３ 几种快开门结构在压力容器中的应用分析 李书容 （中船重工特种设备有限责任公司） 摘 要根据对卡箍连接结构、齿啮式卡箍连接结构、整体齿啮式卡箍连接结构和平盖剪切环结构在压 力容器中的应用分析与比较可知，在设计采用快开门结构时应从多方面考虑选择合适的快开门结构，并 充分考虑使用过程中的安全性和可靠性。 关键词 压力容器 快开门结构０形圈 刚度 中曩分类号ＴＱ０５２．４ 文献标识码 Ａ 文章编号０２５４—６０９４（２０１７）０５－０５３３－０５ 快开门式压力容器¨ 是指进出容器通道的 头可以根据需要设计成椭圆封头或球形封头加高 端盖或封头与主体之间带有相互嵌套的快速密封 颈法兰的形式。 锁紧装置的容器，如硫化罐、蒸压釜、高压氧舱、染 色机、灭菌器及消毒柜等。快开门式压力容器因 具有开关盖时间短、操作简单方便等特点，在化 工、航天、军事、建材及医疗等领域被广泛应用。 近年来，随着科学技术的进步，促使快开门容器朝 着高压大型化的方向发展，这给容器的开盖与密 封结构设计带来了极大的难度。 １ 快开门式压力容器结构 快开门式压力容器结构（以下简称快开门结 构）一般可分为３种形式：卡箍连接结构、齿啮式 卡箍连接结构和平盖剪切环结构。其中，齿啮式 图１ 卡箍连接结构 卡箍连接结构又可分为普通齿啮式卡箍连接结构 （简称齿啮式卡箍连接结构）和整体相连的齿啮 卡箍连接结构是利用筒体内部压力来压紧密 式卡箍连接结构（简称整体齿啮式卡箍连接结 封垫片的，属于自紧式密封结构 。其介质压力 构）。 和由密封比压引起的轴向力由卡箍承受。通过上 １．１ 卡箍连接结构 紧横向螺栓收紧卡箍，依靠锥面间的配合作用使 卡箍连接结构（图１）主要由平封头、卡箍、筒 封头向筒体端部靠拢，从而压紧密封０形圈，形 体端部和密封圈组成。根据直径的大小，卡箍一 成初始密封力。操作时，介质压力所产生的轴向 般均分为两瓣、３瓣或４瓣，每两瓣卡箍之间由横 力通过封头与卡箍的接触锥面传递给卡箍，卡箍 向螺栓连接。每瓣卡箍下方可以设置滚轮和导 沿接触锥面向外扩张的趋向力由横向螺栓承受。 轨，在卡箍开合时可以在导轨上运动。根据自动 为了使卡箍与封头、筒体端部的接触锥面间达到 化程度的需要，卡箍可以采用人工拉开或液压缸、 自锁，卡箍锥面夹角一般取５～７ 。卡箍连接 气缸拉开，然后再用相关设备吊出平封头。平封 结构压力容器一般设计为立式，以方便开关盖。 作者简介：李书容（１９８２．），工程师，从事项目管理、压力容器常规设计与分析设计工作，７６３６５７６１＠ｑｑ．ｃｏｌｎ。 ５３４ 化工机械 平盖 卡箍 ２０ｌ７年 卡箍连接结构比普通螺栓结构方便，且应用范围 广，适用于大直径、高压力的场合。 １．２齿啮式卡箍连接结构 齿啮式卡箍连接结构（图２）主要由封头、卡 箍、带齿法兰、筒体法兰和密封圈组成。卡箍一般 分成两瓣，并用紧固螺栓连接，在后期使用过程 中，该紧固螺栓无需拆开。开盖时，首先将卡箍旋 开，卡箍在旋转装置的带动下旋转，当卡箍上的挡 块碰到简体法兰上的挡块时，行程开关给出盖旋 开到位信号，盖旋转动作停止，此时带齿法兰齿与 卡箍齿分开；确认卡箍旋开到位后，开启开盖装 置，将封头盖打开。旋转装置和开盖装置一般由 液压缸和相应的结构支撑件组成。 椭圆封头 图３ 整体齿啮式卡箍连接结构 整体齿啮式卡箍连接结构与齿啮式卡箍连接 结构类似，且密封机理相同。不同的是，整体齿啮 式卡箍连接结构中封头在旋转装置的作用下旋 转，在与卡箍齿啮合的同时，压紧封头和筒体端部 之间的０形密封圈，达到初始密封力。同样，为 了方便卡箍和封头旋紧，通常在卡箍齿和封头齿 端面旋人一侧开倒角，方便带齿法兰与卡箍齿旋 箍 紧啮合。该结构在低压力硫化罐上应用广 泛 。 １．４平盖剪切环结构 平盖剪切环结构（图４）一般由４块或８块剪 切环组成，每块剪切环上都有一个螺孔，用于装配 拉紧螺栓。开盖时，先将剪切环往中 ｔ２，推出卡槽， 然后用相关设备将封头吊出。当容器直径较大且 图２ 齿啮式卡箍连接结构 空间也较大时，根据需要可以设置液压或气动装 置来对剪切环进行自动操作。平盖剪切环结构不 齿啮式卡箍连接结构也属于自紧式密封结 同于以上３种卡箍结构，该结构属于轴向密封。 ０形圈的内径一般比方形槽的内径稍小一点，其 外径比方形槽的外径稍大一点。安装时，先将０ 形圈箍在平盖方形槽内，再将平盖装入筒体内，即 可形成初始密封力。考虑到安装时０形圈与筒 构，其介质压力和由密封比压引起的轴向力也由 卡箍承受。通过旋转卡箍，使卡箍齿和封头齿啮 合的同时，压紧封头和简体端部之间的０形密封 圈，达到初始密封力。为了方便卡箍和封头旋紧， 通常在卡箍齿和封头齿端面旋入一侧开倒角，方 体内壁具有一定的摩擦阻力，０形圈的压缩量一 平盖 剪切环 简体端部 便带齿法兰与卡箍齿旋紧啮合。该结构在立式容 器和卧式容器上均可使用。 １．３整体齿啮式卡箍连接结构 整体齿啮式卡箍连接结构（图３）主要由封 头、卡箍、筒体和密封圈组成。整体相连是指卡箍 和筒体整体相连。在开盖时，卡箍固定不动，封头 在旋转装置的作用下旋转，当封头齿与卡箍齿分 开后，行程开关给出旋开到位信号，盖旋转动作停 止；确认封头旋开到位后启动开盖装置，封头盖打 开 图４ 平盖剪切环结构 第４４卷 第５ 化 工 机 械 ５３５ 般取ｆｆｆ较小。操作ＩＪ１ｆ，介质 力０Ｉ起的轴向力通 过 传递给 切环，最终传递给简体端部。 箍连接 构能实现 『｛动化操作肝 ，使 ２ 几种结构的分析比较 齿啮式一卜箍连接结构前曼频繁肩 ，承受关 『才Ｊ、：Ｊｔ‘压、升温、降温、降压ｆ１Ｉ歼启过程，这对结构 的抗疲劳性能提 ｒ较高 求， 此必须考虑结 构的疲劳寿命。住使用过 Ｉ１Ｉ婴定期对 箍的附 根转角处和【ＪＩＪ缘转角处进行磁粉测，以便及时 发现裂纹并采圾相应措施、 前３种结 均为 向街埘的卜箍纳 ，川：盖 操作简 、方他 是在Ａ 较大、 力较离时， Ｊ｛ｊ 力较高； 啮式卡箍连接结构和整体齿啮式 ｋ艄连接结构ｔ—Ｊ‘以 现仝ｒＩ动化按钮操作Ｊｆ：盖， Ｊ ｉ厅俺．且 踢实现自动化联锁控制，ｆ＿ｌｌ锻件成 本和…Ｉ Ｉ：赞刚较『 ，使用压力比 箍连接结构低； 切环结构的Ｊｆ：盖操作比前３种稍复杂，需 窬易出现０形 被挤进问隙的现象（图５） 、０形 丁Ｉ Ｉ 进ｉ 操ｆ１ ， 其材料和ＪＪ【１１Ｉ赞垌都较低，Ｈ．使 被挤会造成 的后果：泄ｆ 后，０彤 『ｒＩＪ Ｊ｛Ｊ』ｌ 力比前３干叶－肯Ｉ５ｌ西，ｌ口『心 ：高Ｊ｛ 容器ｌ：． ．，挤任上下法、 之问的间隙，使得ｋ箍 液 缸 前３种结构比第４种结构所需锻件 ，ＨＪ加 作川下无法转 ，无法打开盂子；泄压 ，０彤 要 求较ｔ盘 、特刖是带ｉ『ｌ亍的卡箍连接结构， 接被挤坏，导敛使用一次枕需要更换 昕以往 Ｊ 』ＪＩＩ【 工作量人，多个配合ｌｆ玎需采Ｊ｝｛公馨配合，对 果川这３种结构时，必须采取十Ｈ嘘的措施防止０ 『Ｊｆ ｌＩ：精度要求｝埂商 肜陶被挤、 一 图５ ０形密封圈被挤现象 箍连接结构经过改良 也可用于 径小大 ａ． 箍结构本身的刚 一在保订Ｆ结构强发 的巡ｆ岛 弈器． ６昕示， 平盖内侧增ＪＪｌ】一定 满足要求的前提下，增大结 的刚度，歼通过有限 尚嫂的凸缘，ｊｆ ｔｊ．简体端部采川轴向密封结卡句 尢分析０形 处 下法兰之刚的间隙 、等 对大商径 箍结构从增加结构本身厚度 进行 ｒ分析，指出增大法 环轴… 瞍可以ｆＪ』ｊ 提高 箍结构的冈０度 、 ｂ．舒封处结构设计 结构没计时，ｆ１『以 将疗形槽适 １加宽，尽髓让０形 的内ｌｆｌ＝ 接近 方形槽的内ｉ．＝ｆ：， 内压作片】时，０形 外侧有足够 的 问让它产，Ｉ：变形，而不会被挤进缝 、Ｊｆ 。同 【ｆｌｆ．１Ｉｆ以存卜法 密封处增 一个 缘，一ｒｔ．０ 图６ 超高压容器卡箍连接结构 形吲被挤也只足挤进【 Ｊ缘 法兰之Ｉ１＿ｌＪ的 隙， 会导致 筛尤法旋歼。０形 还口ｒ以 合挡圈 ３ 防止Ｏ形圈被挤的方法 一起使用，如 ７所示。埘于‘ｊ（；Ｂ／ｑ、３４５２．１— ｆ Ｉ『ｊｉ』， 于改箭的自动化 度越来越商，自动 ２００５ ｒ｝１ ０形橡胶密封 贪使川的 的结 Ｊｒ。 的卜箍结构也越来越多，在直径较大、 力较 构形式和规格尺寸， 有卡¨火的介业标准， 足刈 幽ｎ０情况下，就彳丁ｕｒ能Ⅲ现０肜阁被挤的现象， 所以 要采取措施进行预防。 于超ｍ标准外的０形 用 ，【１前还没仃统一 的标准，后续 叮以埘此做深入研究 防止０形 被挤町以从以下几方面考虑： ｃ．密封０彤阁要求 密Ｎ圈较多选川ｒ腑 ５３６ 化工机械 ５ 结论 ２０１７正 橡胶或氟橡胶。为了防止Ｏ形圈被挤，其硬度不 能太低，一般控制在ＨＢ８０—９５之间，压力越大，０ 形圈所需的硬度越大。在成本允许的前提下，尽 ５．１ 压力较低、直径较小时，可以采用齿啮式卡 箍连接结构和整体齿啮式卡箍连接结构。 ５．２压力较高、直径较大时，可以采用不带齿的 量采用模铸成型的Ｏ形圈，这样可以避免中间接 缝，保证表面的光洁度和横截面尺寸，降低泄漏风 险。 卡箍连接结构和平盖剪切环结构。 ５．３在选择卡箍结构时，不仅要保证强度，还要 保证刚度，以防止０形圈被挤。 ５．４ 在使用自动控制方法启闭封头盖时，一定 要按照相关标准要求设置安全联锁装置，避免在 容器卸压未尽前或带压下打开封头盖，以及在封 内壁 头盖未完全闭合前升压。安全联锁装置应具备的 功能有：锁紧件末完全达到预定工作部位之前，容 器内不能升压；容器内部压力完全释放之前，锁紧 件不能松开。 ５。５ 在手动方法启闭封头盖时，应设置报警装 图７ Ｏ形圈＋挡圈的密封结构 置。当锁紧件未完全闭合前加压或容器内尚有残 余压力即松开锁紧件时，能够产生明显的报警信 号。 ４使用安全要求 近年来，快开门式压力容器的安全事故时有 发生，约占国内压力容器事故总数的１／３。所以 在ＴＳＧ ２１—２０１６中有明确规定，快开门式压力容 器应当具有安全联锁功能：当快开门达到预定关 闭部位时，方能升压运行；当压力容器内部压力完 全释放后，方能打开快开门；需具有压力“有压”、 参 考 文 献 ［１］ＴＳＧ ２１．２０１６，固定式压力容器安全技术监察规程 ［Ｓ］．北京：新华出版社，２０１６． ［２］ 丁伯民，黄正林．高压容器［Ｍ］．北京：化学工业出 版社，２００３：９９． ［３］ ＧＢ １５０．１—１５０．４－２０１１，压力容器［ｓ］．北京：中国 质检出版社，２０１１． “零压”指示和“超压”声光报警功能，以提醒操作 人员采取相应措施。 ［４］ 刘延雷，陈涛，周涛，等．硫化罐齿块啮合强度校核 及使用缺陷分析［Ｊ］．中全生产科学技术， ２０１５，１１（１１）：７１～７５． 卡箍连接系统还应设有包括安全阀、泄放阀 及联锁装置等在内的安全装置。为区别操作状态 和开启状态，应设有明显的声、光标志，只有通过 ［５］ 张国顺，李庆生．硫化罐齿啮式快开结构优化设计 ［Ｊ］．轻工机械，２０１５，３３（５）：３８—４２． ［６］ ，罗友高，曾嵘，等．大直径卡箍结构的刚度分 析［Ｊ］．化工机械，２０１１，３８（６）：７５３～７５６． 电路或压力指示器确认已经泄压后才能打开。对 于齿啮式卡箍，需定期检查法兰、封头和卡箍齿部 的磨损情况，并定期对齿根部的转角处进行磁粉 或着色探伤。 ［７］ ＧＢ／Ｔ ３４５２．１－２００５，液压气动用Ｏ形橡胶密封圈第 １部分：尺寸系列及公差［ｓ］．北京：中国标准出版 社。２００５． （收稿日期：２０１７－０１－０５） Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｑｕｉｃｋ—ｏｐｅｎｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ ＬＩ Ｓｈｕ—ｒｏｎｇ （ＣＳＩＣ ｓｐｅｃｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） （Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｏｎ Ｐａｇｅ ５６８） ５６８ 化工机械 ２０１７年 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｈｉｇｈｅｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｗａｔｅｒ ｉｎ Ｗｏｕｎｄ Ｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｇ ｒｏｏｖｅｓ ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｊｕａｎ，ＬＩ Ｑｉｎｇ—ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， 口 ｎｇ Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｈａｖｉｎｇ ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｂｏｔｈ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｗｏｕｎｄ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｇｒｏｏｖｅｓ ｗｅｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｕｎｄ ｔｕｂｅ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｇｒｏｏｖｅｓ ｏｕｔ— ｐｅｒｆｏｒｍ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｗｏｕｎｄ ｔｕｂｅ，ＳＯ ｄｏｅｓ ｉｔｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｗｏｕｎｄ ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｓｍｏｏｔｈ ｗｏｕｎｄ，ｗｏｕｎｄ ｔｕｂｅ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｇｒｏｏｖｅ，ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ （Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｆｒｏｍ Ｐａｇｅ ５３６） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｔｏｏｔｈ—ｌｏｃｋｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｏｌｌｙ ｔｏｏｔｈ—ｌｏｃｋｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈａｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｆｉａｔ—ｃｏｖｅｒ ｓｈｅａｒ ｒｉｎｇ ｆｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ， ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｔｏ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｗｈｅｎ ｑｕｉｃｋ—ｏｐｅｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ，ｉｎｃｌｕ・ ｄｉｎｇ ｇｉｖｉｎｇ ｆｕｌｌ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ，ｑｕｉｃｋ—ｏｐｅｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，“０”ｒｉｎｇ，ｒｉｇｉｄｎｅｓｓ 数据库确定为“中国科技核心期刊”等。杂志已加入了国 欢迎订阅２０１８年度《压力容器》杂志（月千ｑ） 内所有知名期刊数据库。 邮局征订代号２６—１０请到当地邮局订阅 《压力容器》杂志主要报道超高压、高压、中低压压力 容器和气瓶、换热器、塔器等壳体、大型高压管道、通用机 《压力容器》杂志是经国家新闻出版署批准出版的中 械承压辅助设备等的试验研究、结构设计、材料工程、制 央级技术刊物，中国科学技术协会主管、中国机械工程学 造技术、焊接技术、无损检测技术、技术综述、标准规范、 会压力容器分会主办、合肥通用机械研究院承办，国内外 安全分析、使用管理以及国内外压力容器研究技术进展、 公开发行，国内统一刊号：ＣＮ ３４—１０５８／ＴＨ，国际连续出版 压力容器行业信息等内容。 物编号：ＩＳＳＮ １００１－４８３７。月刊，大ｌ６开本，每期定价８．００ 需要订阅２０１８年度《压力容器》杂志的读者与订户， 元，全年定价９６．ｏ０元（含邮寄费）。国外发行：中国国际 请及时到当地邮局订阅。如错过邮局征订期，可向压力 图书贸易总公司（ｊＥ京３９９信箱），国外发行代号： 容器杂志社索取２０１８年杂志订单。 １５２９ＢＭ。 通信地址：安徽省合肥江西路８８８号 《压力容器》杂志是中国压力容器学会会刊，自１９８４ 邮编：２３００３１ 年创刊以来，一直坚持学术性与实用性相结合的办刊方 联系电话：（０５５１）６５３３５５１５ 针，是压力容器行业的权威杂志之一。《压力容器》杂志 传真：（０５５１）６５３１３５９２ 被评定为“中文核心期刊”，编人《中文核心期刊要目总 电子信箱：ｙｌｒｑ１９８４＠１６３．ｃｏｒｎ 览》（２００８年版）；被科技部“中国科技论文统计源”期刊 网址：ｈｎｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｉｎａｐｖｔ．ｃｏｒｎ 声 明 明 本刊已许可中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、 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