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(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司， 四川 自貢 643001)

我國深海石油項目中使用的儀器、儀表及管路閥門等設(shè)備均需從國外進(jìn)口，且無法驗證其性能是否滿足深海使用要求。為此，需要建造能檢測驗證水下設(shè)備各項性能的系列裝置，這些裝置中配備有各種規(guī)格參數(shù)的高壓艙。

文中對常用快開結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比介紹，以40 MPa(4 000 m水深)為研究定位，重點(diǎn)研制此壓力下的高壓艙端蓋快開結(jié)構(gòu)，以期為高壓艙的系列化設(shè)計、制造提供參考，推動深海石油項目相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程。

1 高壓艙工作參數(shù)

高壓艙內(nèi)徑Di=2 500 mm，有效深度H=3 500 mm，工作壓力40 MPa，工作溫度4～40 ℃，工作介質(zhì)為無毒、非易爆的淡水。以0 MPa—40 MPa—0 MPa為1次循環(huán)，共循環(huán)10 000次。高壓艙開啟方式為快開門式，要實現(xiàn)?2 500 mm頂部端蓋的快速開啟。

2 常用快開結(jié)構(gòu)介紹

2.1 卡箍式快開結(jié)構(gòu)

卡箍式快開結(jié)構(gòu)一般分為2種[1]，一種是螺栓連接的卡箍連接結(jié)構(gòu)(圖1a)，各拼片由橫向螺栓連接組成。另一種是快卸卡箍式快開結(jié)構(gòu)， 即快卸卡箍連接結(jié)構(gòu)(圖1b)。

圖1 卡箍式快開結(jié)構(gòu)

2.2 齒嚙式快開結(jié)構(gòu)

齒嚙式快開結(jié)構(gòu)有2種，一種是齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)(圖2a)[2]?？ü繛閁形，上下圓周方向均勻加工有若干齒槽，封頭端蓋及筒體端部圓周方向亦分別加工有若干齒形，卡箍上的齒槽須與封頭端蓋及筒體端部上的齒形相對應(yīng)，且卡箍上的齒槽能夠順利旋入封頭端蓋及筒體端部上的齒形內(nèi)。一般在齒形法蘭與卡箍齒槽的接觸平面上用埋頭螺釘固定多對斜墊，卡箍旋轉(zhuǎn)時斜墊之間即產(chǎn)生相互擠壓，從而使齒形法蘭產(chǎn)生軸向力壓緊密封墊，以此達(dá)到密封作用。

另一種是整體相連的齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)(圖2b)。與齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)不同的是，此種結(jié)構(gòu)的卡箍與筒體端部是一體結(jié)構(gòu)，即卡箍為筒體端部的一部分。

圖2 齒嚙式快開結(jié)構(gòu)

2.3 壓緊式快開結(jié)構(gòu)

壓緊式快開結(jié)構(gòu)(圖3)主要是利用活節(jié)螺栓、旋柄、手輪、凸輪等快速擰緊或松開門蓋來達(dá)到快開的目的。一般采用強(qiáng)制式密封結(jié)構(gòu)，即通過活節(jié)螺栓、旋柄的擰緊或凸輪的壓緊達(dá)到預(yù)緊密封目的，因此其承壓能力不高，一般只適用于常壓、低壓或真空容器。

圖3 壓緊式快開結(jié)構(gòu)

2.4 剪切環(huán)式快開結(jié)構(gòu)

剪切環(huán)式快開結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是由剪切環(huán)承受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力，密封件采用全自緊式密封結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)備直徑將剪切環(huán)分割成多塊，通過控制剪切環(huán)的張開與收攏實現(xiàn)設(shè)備的快速開啟。

2.4.1伍德密封結(jié)構(gòu)

剪切環(huán)式快開結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)見圖4a，若將密封墊位置由內(nèi)部移到外部，即成為典型的伍德密封結(jié)構(gòu)(圖4b)[3-4]。

圖4 剪切環(huán)式快開結(jié)構(gòu)

伍德密封結(jié)構(gòu)已在高壓設(shè)備人孔結(jié)構(gòu)中被廣泛使用，其最大特點(diǎn)是全自緊式密封，壓力和溫度的波動不會影響密封的可靠性。同時因取消了主螺栓，故裝拆的勞動強(qiáng)度比有螺栓的密封結(jié)構(gòu)低得多，但其結(jié)構(gòu)笨重，零件較多，加工過程繁瑣。雖然伍德密封結(jié)構(gòu)無需拆裝主螺栓，但當(dāng)工作壓力高且工作時間較長時，壓墊(通常是金屬加增強(qiáng)柔性石墨纏繞墊)被嚴(yán)重擠壓變形，與頂蓋及筒體端部貼合過緊，只得強(qiáng)行敲擊頂蓋，使頂蓋與壓墊松動，從而將壓墊拆卸取出。因此，在大直徑情況下不選用此結(jié)構(gòu)。

2.4.2設(shè)置輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)

伍德密封結(jié)構(gòu)的密封元件在頂蓋外側(cè)，密封元件即GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[4]中的壓墊，GB 150.1～150.4中壓墊的材料為金屬材料，如20鋼、3003鋁材、T2M紫銅材料，還是無法避免在使用過程中的泄漏。經(jīng)過多方調(diào)研，將密封元件由純金屬材料改換為非金屬材料加金屬材料的纏繞式結(jié)構(gòu)，即異形纏繞墊結(jié)構(gòu)[5]。此處的密封元件直接安裝在頂蓋與四合環(huán)上即可，不需要單獨(dú)設(shè)置輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)。

當(dāng)采用剪切環(huán)式快開結(jié)構(gòu)時，為保證高壓艙密封的可靠性和穩(wěn)定性，除了在頂蓋圓周側(cè)加工矩形密封槽之外，還需要在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置輔助密封結(jié)構(gòu)，由密封托架、軸向O形圈、徑向O形圈共同組成，密封托架上的密封溝槽選用矩形結(jié)構(gòu)。安裝密封結(jié)構(gòu)后能夠同時實現(xiàn)軸向通道和徑向通道的密封，在徑向通道上通過機(jī)加工裝配公差實現(xiàn)O形圈的預(yù)緊和操作狀態(tài)的壓緊。由O形圈的密封原理可知，軸向通道上無需施加過大的預(yù)緊力就能實現(xiàn)初始密封，操作狀態(tài)下則通過設(shè)備內(nèi)部壓力將密封托架向上托舉產(chǎn)生的力來實現(xiàn)壓緊密封[6]。

3 快開結(jié)構(gòu)對比選定

各種快開結(jié)構(gòu)在最佳適用范圍內(nèi)的定性對比見表1。

在使用介質(zhì)(淡水或者水)、使用溫度(50 ℃)、設(shè)計壓力(42 MPa)以及設(shè)備內(nèi)直徑(2 500 mm)均相同的情況下，考慮不同功能時各快開結(jié)構(gòu)適用性對比見表2。表2中的大直徑是指設(shè)備的內(nèi)徑大于1 200 mm。

分析表2可以看出，若僅實現(xiàn)快開功能，而不考慮其他功能要求時，表2中列出的所有快開結(jié)構(gòu)均可滿足要求。

同時考慮快開和高壓功能，除壓緊式快開結(jié)構(gòu)很少在高壓設(shè)備中使用外，其他結(jié)構(gòu)在工程中已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用，且運(yùn)行情況良好。其中卡箍式快開結(jié)構(gòu)、齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)、整體相連齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)及伍德密封結(jié)構(gòu)在GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》[4]、HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定》[2]中均有計算方法。剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)的計算方法已有文獻(xiàn)報道[7-19]，類似結(jié)構(gòu)在某些高校、科研單位中有過使用，且已在西部原油成品油管道快開人孔中得到成功使用。

表1 快開結(jié)構(gòu)最佳適用范圍定性對比

表2 不同功能時各快開結(jié)構(gòu)適用性對比

同時考慮快開、高壓及大直徑功能時，齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)、整體相連齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)及伍德密封結(jié)構(gòu)的制造、安裝、運(yùn)行難度大，故很少用于大直徑設(shè)備，未見相關(guān)報道?？ü渴娇扉_結(jié)構(gòu)較笨重、輔助卡箍運(yùn)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，在大直徑設(shè)備中的使用也非常少見，但在沒有更安全、可靠的結(jié)構(gòu)被提出，工藝上需要實現(xiàn)大直徑設(shè)備的快速開啟以及工作壓力高的情況下，此結(jié)構(gòu)也可作為選擇之一。剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)緊湊，輔助啟閉結(jié)構(gòu)可靠、實用，在大直徑設(shè)備中使用優(yōu)勢明顯，但密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計及密封組件的加工是此結(jié)構(gòu)的劣勢。隨著密封材料、密封結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工及有限元仿真模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，劣勢已逐步得到改進(jìn)。目前剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)在科研機(jī)構(gòu)中已有用于1 000 mm直徑設(shè)備的成功案例。

卡箍式快開結(jié)構(gòu)的主要零件是卡箍、封頭(含法蘭)和筒體端部。剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)的主要零件是封頭(亦叫端蓋)、剪切環(huán)和筒體端部。同時考慮快開、高壓、大直徑及經(jīng)濟(jì)性時，若2種結(jié)構(gòu)同時滿足技術(shù)要求，對比各自主要零部件，封頭及筒體端部必不可少，同壓力、同直徑下，兩者的尺寸、質(zhì)量相差不大，但卡箍放置在設(shè)備外部，剪切環(huán)放置在設(shè)備內(nèi)部，故卡箍式快開結(jié)構(gòu)的尺寸及質(zhì)量比剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)的大?？ü颗c剪切環(huán)材料均采用鍛件，兩者均為主要受力元件，不得拼接成型，故剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)的成本要低于卡箍式快開結(jié)構(gòu)的成本。

通過表1、表2可以看出，剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)高壓、大直徑快速開啟的功能上比其他快開結(jié)構(gòu)略占優(yōu)勢，其安全程度、啟閉速度、操作方便性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、機(jī)械加工復(fù)雜程度及經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于其他快開結(jié)構(gòu)，但在密封設(shè)計難度、密封墊加工難度、密封墊易損程度和工程實踐方便性等方面均遜于其他快開結(jié)構(gòu)。

綜合考慮各種快開結(jié)構(gòu)的利弊，選用剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)作為深水模擬高壓艙頂部端蓋快開結(jié)構(gòu)。

4 高壓艙快開結(jié)構(gòu)

深水模擬高壓艙內(nèi)徑大，頂蓋上自帶的自緊式密封墊圈很難完成密封功能。綜合考慮各因素，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在頂蓋內(nèi)側(cè)靠近頂蓋的位置設(shè)置輔助密封構(gòu)件，形成以密封托架為主體和以頂蓋上的密封元件為基礎(chǔ)的多道密封結(jié)構(gòu)。

高壓艙快開結(jié)構(gòu)示意見圖5，高壓艙剪切環(huán)快開結(jié)構(gòu)啟閉示意見圖6。

圖5 高壓艙快開結(jié)構(gòu)示圖

5 結(jié)語

高壓艙頂部端蓋快開結(jié)構(gòu)的設(shè)計是整個高壓艙設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容，選擇不同的快開結(jié)構(gòu)會對后續(xù)頂蓋處密封、頂蓋和剪切環(huán)快速開啟方式密封結(jié)構(gòu)的研發(fā)造成一定影響，應(yīng)綜合考慮密封的可靠性和密封的備用方案。

本深水模擬高壓艙為立式結(jié)構(gòu)， 綜合考慮設(shè)備整體的安全性、結(jié)構(gòu)的緊湊性及安裝操作的方便性等因素，確定采用剪切環(huán)式輔助密封構(gòu)件結(jié)構(gòu)作為頂部端蓋快開結(jié)構(gòu)。深水模擬高壓艙頂部快開結(jié)構(gòu)和內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)均一次性通過設(shè)備耐壓試壓，耐壓試驗前快開結(jié)構(gòu)的安裝和調(diào)試方便快捷，耐壓試驗過程中設(shè)備無異常響動，無液體泄漏，充分驗證了本高壓艙快開結(jié)構(gòu)的安全性和密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖6 高壓艙剪切環(huán)快開結(jié)構(gòu)啟閉示圖