快开式人孔钩锁的结构设计改进及分析

阳国红（上海东富龙科技股份有限公司，上海201108）

人孔结构几乎是压力容器设计中不可缺少且非常关键的部件之一，其主要作用是用于压力容器内件的拆卸和安装以及在压力容器使用过程中内部的检修。相关的法规和标准也有明确的要求：压力容器应当根据需要设置人孔、手孔等检查孔，检查孔的开设位置、数量和尺寸等应当满足进行内部检验的需要。

对于压力容器来说，人孔属于主要受压元件，其承载的意义几乎是一个小型的压力容器，各元件结构的强度设计计算和校核显得尤其重要。常规罐体中的一些标准人孔通常可以按照标准进行选取，并且强度设计都有标准的力学模型。但是在卫生要求很高的罐体中，人孔通常需要考虑卫生无菌的要求，以及经常需要开启的可操作性，所以选用的人孔都是非标快开式，紧固组件为活节螺栓、钩锁和梅花螺母的组合结构，密封垫片选用O 型圈。快开式人孔与标准人孔最主要的区别就是周围一圈螺栓紧固件设置于法兰最外圈以外，虽然开启比较方便，但是其受力结构要比标准人孔差，在设计压力较高的情况下一般不推荐使用该样式的人孔。其结构示意图见下图1所示。

在很多时候，该样式的快开人孔在罐体做水压试验或实际使用时，经常会出现人孔法兰处泄露的现象，一直以为是螺栓数量不够引起的，或者是由于密封圈变形所导致，未真正找出产生该问题的主要原因所在，最后的解决方案也都是将梅花螺母强行再多拧紧些。有时拧紧后能够解决泄露的问题，但是更多的结果是仍然密封不住。通过核查人孔每个受压元件的强度计算，都满足所需的要求，且螺栓的数量、间距以及所需的螺栓截面积等也都是满足计算要求的。

经过对各种可能的原因进行分析和比对，最终确定主要原因出自梅花螺母下部的钩锁，该钩锁基本都是按各个项目中的使用经验对其结构样式进行选用，在受力计算方面却往往被忽视。从简单的受力传递来看，力是从法兰盖传递到钩锁，再从钩锁传递到螺栓和螺母上的，所以在进行主要受压元件计算时，其关键性和重要性可想而知。对于不同样式的钩锁，其受力情况相差很大。如下以某工程设计的设计参数为例，分别按改进前和改进后的钩锁结构进行力学计算和实例分析：

图1 快开式人孔的结构示意图

1 改进前的钩锁结构分析

钩锁的卡紧缺口处为倾斜面结构，与人孔盖的受力接触面为斜面，缺口的角度一般选45°，并且缺口的端部都比较尖锐。其结构样式以及与法兰盖等的接触样式见下图2所示：

图2 改进前的钩锁结构以及与法兰盖等的接触样式示意图

1.1 改进前的钩锁结构按理论力学模型计算

下表1 中为工程案例已知的设计参数，根据该设计参数对其进行近似的理论力学模型计算和实例分析。

表1 设计参数

根据力学分解的计算，人孔盖对钩锁的受力接触面会产生一个垂直的分力F1，该分力在钩锁的危险截面上会产生一定的弯矩，由于抗弯截面系数较小，最后会产生较大的弯曲应力。如下是详细的计算过程：

(1)人孔盖的受力面积和总受力以及单个人孔钩锁的受力计算：

(2)钩锁缺口处受力分解的计算：

(3)垂直力F1对危险截面的弯矩、危险截面处抗弯截面系数以及弯曲应力的计算：

1.2 改进前的钩锁结构按应力分析计算

按以上相同的设计参数对钩锁进行分析计算，得出该处的应力分析报告，相应的分析计算结果概要详见下表2：

表2 分析计算结果概要

结论：经过如上近似的力学计算和分析计算，在垂直分力的作用下，钩锁缺口处的危险截面产生的弯曲应力是非常大的。在实际受压后仔细检查钩锁的该缺口处，会发现有些已经弯曲变形了。这种结构是非常危险的，轻则只是变形影响密封效果，严重时甚至可能会被拉断，造成的后果将不堪设想。

为了解决如上难题，考虑了很多的解决方案，一开始准备增加螺栓和钩锁的数量，这样虽然可以降低单个钩锁的受力，但在开启方便性方面就打了折扣。于是就只能重点考虑对钩锁自身的结构进行改进，经过对各种改进结构的分析和对比，并分别进行试验校核，最终选择如下改进后的结构。

2 改进后的钩锁结构分析

改进后的钩锁结构与人孔盖的受力接触面为水平面，缺口的角度为0°，其结构样式以及与人孔盖等的接触样式见下图3所示。

2.1 改进后的钩锁结构按理论力学模型计算

按上表1中相同工程案例的设计参数进行近似的理论力学模型计算和实例分析。根据力学的计算，人孔盖对钩锁的受力接触面会产生一个垂直的分力F单，该分力对危险截面产生的弯矩虽然较大，但是由于抗弯截面系数较大，最后产生的弯曲应力就比较小。如下是详细的计算过程：

图3 改进后的钩锁结构以及与法兰盖等的接触样式示意图

(1)人孔盖的受力面积和总受力以及单个人孔钩锁的受力计算同如上计算结果。

(2)垂直力F单对危险截面的弯矩、危险截面处抗弯截面系数以及弯曲应力的计算：

2.2 改进后的钩锁结构按应力分析计算

按以上相同的设计参数对钩锁进行分析计算，得出该处的应力分析报告，相应的分析计算结果概要详见下表3：

表3 分析计算结果概要

通过如上详细的计算和分析，现以文章中工程案例的设计参数为例，将改进前后钩锁结构的主要计算结果参数进行对比汇总，详见下表4所示：

表4 改进前后钩锁结构的主要计算结果参数对比汇总

结论：根据表格中各数据的分析和对比，在受力方面，改进后的钩锁结构明显优于改进前的结构，在安全方面更是得到了很好的保障。

在很多实际的项目中，改进后的结构逐渐替代了原结构被广泛地应用，该样式的快开人孔再也没有出现由于钩锁的原因而引起泄露问题了。不管是在压力试验阶段还是在客户现场使用阶段，设备都能正常、平稳且安全地运行，并在操作方面也得到了使用者的一致好评。

3 结语

在卫生要求很高的罐体中，工作和设计压力都不是很高，基于清洗无死角的卫生要求和开启的方便性，像这种样式的快开人孔被广泛地使用。但是该人孔却无国家标准支撑，往往由于设计压力不高且结构简单而被设计人员忽视许多结构上的细节，给安全带来了一定的隐患。在相关的法规和标准中都有明确的规定：压力容器开孔部分的承压盖及其紧固件属于压力容器的本体，接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件属于压力容器的界定范围内。故该快开人孔的钩锁作为受力的主要紧固件，设计人员应该且必须引起足够的重视，必要的强度计算和校核必不可少。人的行为总是一再重复，重复的同时不能被固有的思维模式所禁锢，专业技术工作同样也是一个不断重复但又不断改进、优化和创新的过程。

对于一个从事技术工作的专业技术人员来说，安全意识应该放于首位，并且要时刻以工匠精神注重每一个细节、思考每一个好的改进方案。技术工作中肯定会遇到各种各样的技术难题，面对难题应该积极分析和验证各种解决方案，并选择最优且最安全的方案。专业技术人员只有在平时的工作中不断地尝试、不断地思考、不断地积累和改进，才能在专业技术中有所收获、有所进步、有所突破和创新。