大型快开门式压力容器齿啮式卡箍连接件的设计与分析

张婧婧

（上海华谊集团装备工程有限公司）

设计与计算

大型快开门式压力容器齿啮式卡箍连接件的设计与分析

张婧婧*

（上海华谊集团装备工程有限公司）

快开门式压力容器的应用越来越广泛。对于压力高、尺寸规格大的大型齿啮式卡箍连接件，掌握其应力分布情况，正确合理地进行结构设计极为重要。采用公式计算和有限元分析两种方法进行了分析对比，提出了适用于大型快开门式压力容器卡箍连接件的设计要点。

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0 引言

齿啮式卡箍连接的快开门式压力容器采用齿啮式法兰和卡箍等结构来实现连接。其具有不需要采用螺栓紧固、开启方便快捷、易于实现自动化控制等特点，因而广泛应用于需要经常开启的各种压力容器中，并取得了非常良好的应用效果。例如，在轻工、食品、医药、建筑、化工及能源等行业的蒸煮罐、杀菌罐、木材浸注罐、防爆试验罐等设备上都采用了这种结构。由于在GB 150—2011《压力容器》标准中尚未对齿啮式卡箍连接件的设计方法作出规定，在HG/T 20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》中仅给出了平盖封头的齿啮式卡箍连接件的设计方法，采用凸形封头的大型齿啮式卡箍连接快开门式压力容器应如何正确设计值得探讨。

本文以公称直径（DN）3450 mm的防爆试验罐为例，重点介绍参照HG/T 20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》，并结合有限元分析的方法对采用凸形封头的大型齿啮式卡箍连接的快开门式压力容器的主要零部件——齿啮式法兰和卡箍进行设计计算和分析讨论，并提出相关的设计要点。

1 设备简介

DN3450防爆试验罐的设备简图及基本参数分别如图1、表1所示。

图1 DN3450防爆试验罐结构

表1 设备基本参数表

2 齿啮式卡箍连接件设计与分析

如图2所示，该设备中的齿啮式卡箍连接件主要包括封头法兰、筒体法兰和卡箍。由于该设备的尺寸比较大，设计压力也比较高，为了确保设备的安全可靠和经济合理，对该设备的齿啮式卡箍连接件采用了两种方法进行设计。方法1，参照HG/T 20582—2011进行设计计算，初步确定各个连接件的主要尺寸；方法2，使用有限元分析的方法进行核算，适当调整尺寸，以达到最终的满意效果。

2.1 根据方法1的设计计算

根据HG/T 20582—2011的设计方法，齿啮式法兰主要是校核法兰颈部的轴向总应力、法兰齿根的轴向剪切应力、法兰齿根的弯曲应力、法兰环的径向剪切应力、法兰齿根处的高峰应力等五个应力；齿啮式卡箍体主要是校核卡箍体的轴向总应力、卡箍齿根的轴向剪切应力、卡箍齿根的弯曲应力、卡箍齿和法兰齿接触面上的挤压应力、卡箍齿根处的高峰应力等五个应力，每个计算应力值都满足许用值即为合格。表2是该设计方法的计算结果。

图2 齿啮式卡箍连接件的结构尺寸

2.2 采用方法2的分析计算

2.2.1 计算模型的建立

根据设备的实际尺寸，在扣除腐蚀裕度和壁厚负偏差等因素后进行实体建模，模型中包含封头、封头法兰、卡箍、筒体法兰和筒体等零部件。

由于该设备属于轴对称结构，为了简化计算，模型仅截取设备整个圆周中的1/28，两个纵向剖面分别位于两个齿的中间部位，模型包含一个齿的完整啮合段。

筒体法兰和筒体连接处由于结构不连续会产生边缘应力。为了避免边缘应力对计算结果的影响，取筒体长度大于。计算模型见图3。

2.2.2 边界条件和载荷

根据轴对称结构的特点，对计算模型的两个纵向剖面作为对称面分别进行约束，以限制其周向位移。对筒体的下端面进行轴向约束，以防止整个计算模型的轴向刚性位移。

表2 方法1的计算结果汇总

图3 齿啮式卡箍连接的计算模型

由于封头法兰和筒体法兰的齿啮合面与卡箍的齿啮合面之间是相互接触的，在计算模型中采用了面-面接触模型进行计算。

在封头、封头法兰、筒体法兰、筒体等零部件的内表面施加内压力，在封头法兰和筒体法兰的端面也分别施加内压力。

2.2.3 分析计算结果

（1）总体的应力分布情况

①卡箍连接件的应力分布情况，见图4。

②封头和封头法兰的应力分布情况，见图5。

③筒体法兰和筒体的应力分布情况，见图6。

④卡箍的应力分布情况，见图7。

（2）根据HG/T 20582—2011进行应力分析

①法兰颈部的轴向总应力S1

由图8可见，法兰颈部的轴向应力分布是不均匀的，靠近法兰齿根部的应力变化较大，远离法兰齿根部后应力分布逐步趋于均匀，在法兰齿根部存在较高的局部应力。在不考虑局部应力的情况下，法兰颈部的轴向总应力S1为98.5 MPa。

②法兰齿根的轴向剪切应力S2

由图9可见，法兰齿根的轴向剪切应力S2为12.0 MPa。

图4 卡箍连接件的Von Mises应力

图5 封头与封头法兰Von Mises应力

图6 筒体法兰与筒体Von Mises应力

图7 卡箍Von Mises应力

图8 法兰颈部的轴向总应力S1

图9 法兰齿根的轴向剪切应力S2

③法兰齿根的弯曲应力S3

图10 法兰齿根的弯曲应力S3

由图10可见，法兰齿根啮合面处存在着很高的局部应力，从齿根啮合面向齿根的另外一个面，弯曲应力逐步降低。通过线性化处理，可得法兰齿根的弯曲应力S3最大值为67.9 MPa。

④法兰环的径向剪切应力S4

由图11可见，在法兰齿根处存在着较高的局部应力，法兰环的径向剪切应力S4为0.11 MPa。

图11 法兰环的径向剪切应力S4

⑤法兰齿根处的高峰应力S5

由图12可见，法兰齿根处的应力最高，可达343 MPa。对此处应力进行线性化处理后，可求得峰值应力S5为152 MPa。

图12 法兰齿根处的高峰应力S5

⑥卡箍体的轴向总应力S6

由图13可见，卡箍体的轴向应力分布是不均匀的，外壁最小，向内壁逐步增大，在卡箍齿根部存在较高的局部应力。在不考虑局部应力的情况下，卡箍体的轴向总应力S6为143 MPa。

⑦卡箍齿根的轴向剪切应力S7

由图14可见，卡箍齿根的轴向剪切应力S7为13.5 MPa。

⑧卡箍齿根的弯曲应力S8

由图15可见，卡箍齿根啮合面处存在着很高的局部应力，从齿根啮合面向齿根的另外一个面，弯曲应力逐步降低。通过应力的线性化处理，卡箍齿根的弯曲应力S8最大值为75.7 MPa。

图13 卡箍体的轴向总应力S6

图14 卡箍齿根的轴向剪切应力S7

图15 卡箍齿根的弯曲应力S8

⑨卡箍齿和法兰齿接触面上的挤压应力S9

由图16可见，在卡箍齿和法兰齿的啮合面上存在着较高的挤压应力，齿尖部位的应力较低，齿根部位的应力较高，存在峰值应力；整个啮合面的挤压应力比较均匀，S9为86.0 MPa。

⑩卡箍齿根处的高峰应力S10

由图17可见，卡箍齿根处的应力最高，可达348 MPa。对此处应力进行线性化处理后，可求得其峰值应力S10为163 MPa。

图16 卡箍齿和法兰齿接触面上的挤压应力S9

2.3 两种方法的计算结果对比

表3是采用两种方法的计算结果对比。

3 分析和结论

（1）通过比较可以看到，对于本文中的卡箍连接件，方法1和方法2计算出来的各个应力值基本上还是比较一致的，仅在计算S10时两种方法计算的数值偏差较大。

图17 卡箍齿根处的高峰应力S10

（2）采用方法1计算各个应力值比较简便，但是只能反映结构应力水平的一个粗略情况，而采用方法2计算各个应力值比较复杂，但是能比较精确地反映各个零部件应力水平的真实情况。

（3）由于应力分布情况的复杂性和不均匀性，不能仅用一个简单的数值就确定某一零部件的应力值。例如，法兰颈部内外壁的应力水平是不同的，卡箍体的内外壁的应力水平也是不一样的，法兰颈部和卡箍体沿着轴向其应力值都是变化的，在法兰齿和卡箍齿的根部还存在很高的局部应力等。

表3 两种方法的计算结果对比

（4）由于齿啮式连接件的应力分布情况的复杂性，为了确保设备的安全性和经济性，需要针对每一个零部件不同部位的应力情况进行分析，并合理地确定各相关零部件的结构尺寸。

（5）对于一些尺寸较小或者压力较低的快开门式压力容器，由于根据结构要求确定的尺寸通常远大于其承受压力载荷所需要的尺寸，所以其强度和刚度具有较大的富余量，应力水平也较低，比较适合采用方法1进行计算，这样既简捷方便，也有一定的安全余量。

（6）对于尺寸较大、压力较高的大型快开门式压力容器，因为其承受压力载荷所需的尺寸比较大，而结构要求的尺寸所占的比例较小，所以其强度和刚度的富余量就相对比较小，其应力水平也会比较高。这时就需要采用方法2进行设计和计算，以便能更真实地反映各零部件的应力分布情况，使设计更安全可靠、更经济合理。

（7）通常，在法兰齿和卡箍齿的根部位置应力水平是最高的，在设计时要充分关注到这个部位，以防零部件失效。

（8）在法兰齿面与卡箍齿面的啮合处，会产生较高的挤压应力，在设计时也要予以关注，防止零部件失效。

（9）由于结构的原因，在法兰齿和卡箍齿的根部及附近，其应力分布情况非常复杂，并伴随局部的高应力，对于承受循环载荷工况的快开门设备，还需要进行疲劳分析设计。

（10）适当增加法兰大端颈部的厚度、法兰齿和卡箍齿的高度、卡箍体的厚度等，可显著提高整个连接结构的强度和刚度，降低应力水平、减小结构变形、提高密封可靠性。

[1]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器：GB 150—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[2]中国石油和化学工业协会.钢制化工容器强度计算规定：HG/T 20582—2011[S].北京：中国计划出版社，2011.

[3]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器——分析设计标准：JB 4732—1995（2005年确认）[S].北京：机械工业出版社，2005.

[4]丁伯民.齿啮式快开封头设计 [J].化工设备设计，1994（1）： 1－7.

煤气化技术创新发展

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晋华炉是清华大学、山西阳煤化工机械 （集团）有限公司和阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司3家单位在2011年8月共同开发出世界首套水冷壁水煤浆气化炉（临猗4#炉）之后，又研发出的一种更简洁的内置废锅水冷壁水煤浆气化炉技术。据介绍，2016年4月1日，世界首台晋华炉一次投料、并气成功，并连续稳定运行。到2017年3月31日，该气化炉已累计运行345天。

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浙江石化签约乙烯裂解炉合同

浙江石化公司（ZPC）于2017年6月5日宣布，已与惠生工程服务有限公司的子公司签订合同，为其在浙江省舟山新建的4000万t/a炼油化工一体化联合体第一期提供9台乙烯裂解炉。惠生工程（中国）有限公司将为该联合体生产140万t/a乙烯的第一期9台乙烯裂解炉提供工程、采购和施工服务。由于时间安排和场地限制，该项目的设备部件将以模块化的形式建造，在生产能力上将使其成为最大的单一裂解炉。惠生表示，裂解炉设备预计将在2018年初交货。浙江石化公司联合体的第一期将于2018年12月启用，而第二期（即该生产基地加工和生产能力增加近一倍）将于2022年第一季度投入运行。(秋实)

Design and Analysis of Tooth Typical Clamp Connections for Large Quick Actuating Pressure Vessel

Zhang Jingjing

The application of quick actuating pressure vessel is more and more extensive.It is very important to grasp the stress distribution of the large tooth typical clamp connections with high pressure and large dimension,and to design the structural of the connections properly and reasonably.Two methods of formula calculation and finite element analysis are used to analyze and compare,and the design points for large open door pressure vessel clamps are put forward.

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TQ 050.2

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.001

2017-07-05）

*张婧婧，女，1986年生，工程师。上海市，200030。