一种压力容器密封锁紧结构的计算方法与流程

本发明属于压力容器设计领域，具体是涉及一种压力容器密封锁紧结构的计算方法。

背景技术：

gb150.1～150.4-2011《压力容器》中设计压力不高于35mpa的压力容器推荐选用的密封结构有金属平垫密封、双锥环密封、伍德密封、卡扎里密封、卡箍快开式密封等型式。《高压容器设计》中推荐快开类高压容器密封结构选用无螺栓联接型式，包含卡箍联接、抗剪螺栓联接、抗剪销联接及抗剪环联接。近年来压力容器的发展不断走向高参数化,选用抗剪联接的密封结构在压力作用下抗剪部件易发生咬死，不易拆卸，运行效率低；选用卡箍和其他法兰联接的锁紧结构采用大型锻件加工，制造难度大，成本高。针对上述结构的问题，技术人员设计了一种新型的压力容器密封锁紧结构，如图1、2所示，该密封锁紧结构包括在压力容器的筒体端部1内壁面周向上开设的第一环状凹槽以及在压力容器的顶盖4外周面上开设的第二环状凹槽，所述顶盖4安装在所述筒体端部1上后所述顶盖4外周面与所述筒体端部1内壁面贴合，所述第一环状凹槽与第二环状凹槽两者槽口相对且形成截面为圆形的环状通道a，所述环状通道a内填充有使得所述筒体端部1与顶盖4实现锁紧的抗剪钢球3，所述筒体端部1上开设有与所述环状通道相通的进球孔6以及出球孔7。所述密封锁紧结构通过抗剪钢球实现压力容器筒体端部与顶盖的安装锁紧，改变了以往密封锁紧结构采用的法兰联接、卡箍联接、抗剪螺栓联接、抗剪销联接及抗剪环联接等锁紧结构型式，所述密封锁紧结构大大的降低了筒体端部及顶盖的重量，降低了容器的造价，运行安全性好，经济效益显著。所述抗剪钢球是所述密封锁紧结构的关键部件，那么在安装、使用前，如何对所述抗剪钢球建立相应的失效判定依据以及如何确定抗剪钢球数目就显得尤为重要。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种压力容器密封锁紧结构的计算方法。该方法提供了抗剪钢球的失效判断依据及数目确定方法，为相应密封锁紧结构的应用推广提供了理论计算依据。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种压力容器密封锁紧结构的计算方法，包括以下步骤：

s1、明确压力容器设计参数和抗剪钢球材料；

s2、根据力平衡原则，计算在压力容器设计压力作用下所需的最小密封力f，计算公式如下：

式中p为压力容器设计压力，d为密封面直径；

s3、通过步骤s2计算得到最小密封力f来计算得到抗剪钢球中间剖面的平均剪应力τ，计算公式如下：

式中n为抗剪钢球个数，r为抗剪钢球半径；

s4、圆形环状通道中心圆直径l和抗剪钢球半径r之间关系如下：

πl＝2nr，

s5、将步骤s4中的关系式代入步骤s3，可以得到如下公式：

s6、根据tsg21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》要求，所述抗剪钢球材料的允许剪应力应满足下列要求：

[τ]＝σs/n，

式中σs为抗剪钢球材料的屈服应力下降值，n取值为2.5～3.5；

s7、将步骤s5的计算结果和步骤s6的计算结果对比，如τ＜[τ]，则满足使用要求，否则调整参数r再按照上述步骤重新计算；

s8、所述步骤s7的计算结果满足τ＜[τ]后，利用步骤s4的关系式计算抗剪钢球的数目，计算公式如下：

对计算结果取整数即为所需的抗剪钢球的数目；

s9、完成计算。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明对上述新型压力容器的密封锁紧结构的关键部件抗剪钢球进行了计算，保证了在设计压力条件作用下，抗剪钢球满足设计使用要求，为此种密封锁紧结构的应用推广提供了理论计算依据。本发明用于计算在压力容器设计压力作用下，抗剪钢球剖面所承受的最大剪切应力，使得剪切应力小于抗剪钢球材料的允许剪应力，保证抗剪钢球在高压作用下不会被剪切破裂，并选择合适的钢球数目。本发明计算方法设计的密封锁紧结构应用在相应的压力容器上，结果显示：压力容器运行稳定、安全，满足使用要求。

(2)本发明确定了压力容器设计压力p、密封面尺寸d、圆形环状通道中心圆直径l、与抗剪钢球半径r之间的关系，为新型压力容器密封锁紧结构的优化设计确定提供了依据。

(3)本发明确定了抗剪钢球的失效判定依据，提供了允许剪应力的选取依据。本发明还确定了抗剪钢球数目选定的公式。

附图说明

图1为密封锁紧结构示意图。

图2为自紧密封部件结构示意图。

附图中标记的含义如下：

1-筒体端部2-自紧密封部件3-抗剪钢球4-顶盖5-限位部件6-进球孔7-出球孔8-密封面环9-o形密封圈10-弹簧密封圈11-托环a-环状通道

具体实施方式

在对本发明进行具体说明前，首先对图1、2所示的密封锁紧结构进行详细说明：

所述密封锁紧结构包括在压力容器的筒体端部1周向上开设的第一环状凹槽以及在压力容器的顶盖4周向上开设的第二环状凹槽，所述顶盖4安装在所述筒体端部1上后所述第一环状凹槽与第二环状凹槽两者槽口相对且形成横截面为圆形的环状通道a，所述环状通道a内填充有使得所述筒体端部1与顶盖4实现锁紧的抗剪钢球3。本发明改变了以往密封锁紧结构采用的法兰联接、卡箍联接、抗剪螺栓联接、抗剪销联接及抗剪环联接等锁紧结构型式，而采用了抗剪钢球3的型式进行锁紧，这为容器的密封锁紧提供了一种新的方式，本发明密封锁紧结构大大的降低了筒体端部1及顶盖4的重量，降低了容器的造价，运行安全性好，经济效益显著。

所述顶盖4外周面与所述筒体端部1端部内壁面贴合，所述第一环状凹槽截面为半圆形且位于筒体端部1内壁面，所述第二环状凹槽截面为半圆形且位于顶盖4外周面，所述筒体端部1内壁面与顶盖4外周面之间开设有与所述环状通道a相通的进球孔6，所述筒体端部1侧面开设有与所述环状通道a连通的出球孔7，所述抗剪钢球3的直径与所述环状通道a的横截面直径基本吻合。所述抗剪钢球3的剪切剖面与所述筒体端部1的径向垂直。所述进球孔6朝向所述环状通道a倾斜设置，所述出球孔7朝向筒体端部1侧下方倾斜设置。

本发明所述抗剪钢球3及配套进球孔6、出球孔7还解决了传统高压压力容器密封锁紧结构的开启困难问题，本发明使得压力容器顶盖易于被打开和关闭，可以降低操作难度要求且经济性好，本发明摒弃了常用高压容器设计需配套的液压(或机械)辅助机构等，运行成本大幅降低。

所述进球孔6用于在顶盖4安装在筒体端部1上后向所述环状通道a内填充抗剪钢球3，也可以用于顶盖4需要开启时辅助将所述抗剪钢球3通过所述出球孔7排出，本发明使得压力容器的筒体端部1与顶盖4易于被安装锁紧、固定。

所述顶盖4与所述筒体端部1上设有实现定位安装的限位部件5，所述限位部件5包括限位孔和定位销栓，所述筒体端部1上设有定位销栓，所述顶盖4上设有限位孔。所述限位部件5辅助将所述顶盖4按照设计安装尺寸安装到筒体端部1上，确保顶盖4和自紧密封部件2的顺利安装，也能辅助顶盖和自紧密封部件的顺利拆除，避免顶盖4沿筒体端部1周向转动或沿筒体端部1径向发生位置偏移，保证反复安装后所述自紧密封部件2与筒体端部1内壁周向密封的可靠性和安全性。

所述顶盖4内侧面固定有与所述筒体端部1内壁周向密封的自紧密封部件2。所述自紧密封部件2包括固定在所述顶盖4内侧面的密封面环8，所述密封面环8外周面的环状密封槽内安装有与所述筒体端部1内壁周向形成密封配合的o形密封圈9以及弹簧密封圈10。本发明所述自紧密封部件2解决了在制造和设计上对于轴向位移密封问题，密封效果突出，确保了压力容器运行的安全性和可靠性。

以下为所述密封锁紧结构的安装和拆除方法：

步骤1：通过定位结构限位部件5的辅助来将顶盖4安装到筒体端部1之中，确保顶盖4和自紧密封部件2的顺利安装，保证密封的可靠和安全。

步骤2：顶盖4与筒体端部1安装完成后通过进球孔6向筒体端部1和顶盖4之间开设的环状通道a内填充抗剪钢球3，要求填充钢球3的数量不少于计算所需的数量，并保证均匀分布。填充完成后封闭进球孔6，保证抗剪钢球3的稳定性和防止抗剪钢球3在容器操作过程中的脱跳，到此完成了本密封锁紧结构的锁紧，可进行设备的下一步工作。

步骤3：设备运行结束，在确保容器可以安全开启后进行本密封锁紧结构的开启，打开出球孔7，可通过设置在筒体端部1上的拆卸孔、筒体端部1与顶盖4之间的间隙或进球孔等，通过钢条辅助移动抗剪钢球3，使所有抗剪钢球3移出环状通道a，即通过所述钢条拨动位于环状通道a内的所述抗剪钢球3，使得抗剪钢球3从出球孔7滚出。

步骤4：所有抗剪钢球3移出环状通道a后，通过限位部件5辅助将顶盖4从筒体端部1上移除，即完成了本密封锁紧结构的开启。

在实际使用和设计过程中也可以通过调整环状通道的形式来实现抗剪钢球3的自动拆除，也可以通过改良定位部件5来更好的辅助顶盖4和自紧密封部件2的安装，还可以通过改良进球孔6和出球孔7使得抗剪钢球3的安装和拆除更加便捷。

而在制造过程中也应注意筒体端部1与顶盖4和自紧密封部件2装配面的制造公差及配合，通过对配合面的同心度、平整度、垂直度和粗糙度提出对应要求，保证顶盖4的顺利安装和密封的可靠性。还需通过调整筒体端部1与顶盖4之间加工的环状通道a的制造公差、通道处材料硬度及抗剪钢球3的硬度，来保证抗剪钢球3的顺利拆除及筒体端部1与顶盖4之间连接的可靠性。

下面结合实施例对本发明的压力容器密封锁紧结构的计算方法进行详细说明：

步骤1、明确压力容器设计参数和抗剪钢球的材料类型；

本实施例中，压力容器设计压力p＝30mpa，密封面尺寸d＝510mm，圆形环状通道中心圆直径l＝560mm，抗剪钢球屈服强度σs＝345mpa，半径r＝20mm；所述密封面尺寸d指的是所述密封锁紧结构中密封面环8的外径；

步骤2、计算得到抗剪钢球中间剖面的平均剪应力τ；

根据所述公式：

计算得到τ＝110.9mpa；

步骤3、计算最大允许剪应力；

根据公式：[τ]＝σs/n，

式中σs为抗剪钢球材料的屈服应力下降值；n为安全系数，与材质和r相关，取值为2.5，

计算得到最大允许剪应力[τ]＝138mpa；

步骤4、将所述步骤2的计算结果和步骤3的计算结果对比，τ＜[τ]，则抗剪钢球的设计满足；

步骤5、计算所需抗剪钢球数目；

根据公式：

计算得到钢球数目n＝44个。