螺栓联接式快开压力容器设计及计算方法研究
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第４２卷第１期 ２０１４年１月 广州化工
Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．１
Ｊａｎ．２０１４
螺栓联接式快开压力容器设计及计算方法研究
周洋，郭建伟
（中国核电工程有限公司，北京１００８４０）
摘 要：以化学加药罐为例，介绍螺栓联接式快开压力容器的结构设计及计算方法。将传统的螺栓联接结构与齿啮式快开
装置的密封方式相结合，实现容器快开功能。完成了工作情况下螺栓及支耳板的受力分析，对标准中公式进行了修正，提出了螺
栓连接式快开装置的计算方法。一定程度上为化工、石油等快开压力容器的设计提供了参考。
关键词：快开装置；螺栓联接；压力容器；受力分析
中图分类号：ＴＱ０５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—９６７７（２０１４）０１—０１０７—０３
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｂｏｌｔ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
Ｔｙｐｅ Ｑｕｉｃｋ Ｃｌｏｓｕｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ
ＺＨＯＵ ｙｎ ，ＧＵＯ ｇｉａｎ—ｗｅｉ
（Ｃｈｉｎａ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８４０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅｅｄ ｔａｎｋ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｏｌｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｑｕｉｃｋ
ｃｌｏｓｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｂｏｌｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｏｏｔｈ—ｌｏｃｋｅｄ
ｑｕｉｃｋ ｃｌｏｓｕｒｅ ｄｅｖｉｃｅ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｑｕｉｃｋ ｃｌｏｓｕｒｅ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ａｎｄ ｌｕｇ ｐｌａｔｅ
ｕｎｄｅｒ ｗｏｒｄｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｆｉｎｉｓｈｅｄ，ｓｏｍｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｗｅｒｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ，ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｏｌｔ
ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｑｕｉｃｋ ｃｌｏｓｕｒｅ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｃｔ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｑｕｉｃｋ ｃｌｏｓｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅ１．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｑｕｉｃｋ ｃｌｏｓｕｒｅ ｄｅｖｉｃｅ；ｂｏｌｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ
在化工设备中，一些容器的功能需要通过频繁启闭来实
现，同时还需要承受一定的工作压力。例如化学加药罐，其作 用就是为系统储备某种化学药品，按需注入以维持系统安全稳
定的运行，这就需要频繁的启闭来完成化学药品的补充添加。
这类容器的端盖和封头必须采用可打开式的，而且为了提高工
作效率，启闭端盖和封头的工作量应尽量减小，以实现容器的 快速启闭。 传统的法兰联接使用紧固件配合密封垫片的密封结构，由 于需要逐个螺栓的拧紧和拧松，工作量大，装拆时间长，不符
合快速启闭的要求。快开门式压力容器，是指进出容器通道的 端盖或者封头和主体问带有互相嵌套的快速密封锁紧装置的容
器…。齿啮式快开装置是目前常见的快开门式压力容器之一，
大致可分为平盖封头齿啮合式和凸形封头齿啮合式两类。齿啮 合式快开装置启闭快，承压能力强，但是由于需要频繁启闭， 承受升压、降压、温度变化等过程，对容器的强度和疲劳强度 都提出了较高的要求 Ｊ。
本文结合传统法兰螺栓联接方式及齿啮合式的密封方式，
提出了一种螺栓联接式快开压力容器。这种快开装置的主要结 构特点有二：一是联接的螺栓螺母不必全部拆下而是将其拧松
使其从两块支耳板的间距处滑落即可开启封头；二是采用齿啮 式的密封结构，在简体端部法兰上加工密封槽，通过小孔和筒 体内部相连实现自紧密封。这种快开封头将传统联接方式和齿
啮式封头密封方式相结合，在保证强度及密封的前提下达到了 拆装简单、快速启闭的功能要求。
文章以某核电机组中央冷冻水系统化学加药罐为例，详细
阐述螺栓联接式压力容器的结构设计及计算分析。
１ 结构设计
１．１ 设备简介
封 铰链装置
简体
图１ 化学加药罐主要结构 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅｅｄ ｔａｎｋ
螺栓联接式化学加药罐主要由简体、封头、螺栓联接装 置、铰链装置、简体端部筒节（或法兰）、裙座等组成，并附
有接管、吊耳、把手及铭牌等，见图１。筒体端部法兰与简体
作者简介：周洋（１９８６一），女，助理工程师，主要从事核工程设备设计与研究。
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和封头焊接在一起，螺栓连接装置和铰链装置分别焊接在密封 面两侧的简体端部法兰上。 化学加药罐的设计主要包括承压边界零件、裙座支撑、吊
耳、螺栓联接装置、铰链装置及密封结构等。
１．２螺栓联接式快开装置
螺栓联接装置主要由支耳板、活节螺栓、螺母、垫片、销
轴等组成。支耳板是上下各两块独立的钢板，通过全焊透与筒 体端部筒节（法兰）联接到一起，活节螺栓在两块支耳板中间 通过销轴进行位置固定，并能以销轴固定点为中心自由旋转，
如图２所示。当处于工作状态时，将螺母拧紧，容器闭合。当 需要打开罐子时，不必将螺母卸下，只需将螺母拧松至可使螺
栓从侧面滑落的位置即可。
拈
１一端盖筒节；２－密封槽；３－筒体端部筒节 ４一端盖：５简体：６－连通孔
图３密封结构 Ｆｉｇ．３ Ｓｅａｌｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
２主要计算内容
化学加药罐的主要计算内容除了包括筒体、封头等承压部 件的壁厚计算和裙座、吊耳受力计算等常规压力容器设计计算
外，还包括螺栓联接装置的受力计算，简体端部的受力计算， 铰链装置的受力计算等特殊结构的计算。常规压力计算可参考
ＧＢ１５０．３—２０１１《压力容器》本文不作过多介绍，重点说明螺 栓快开装置等特殊结构的设计计算。
２．１ 螺栓受力分析
当螺栓联接件处于预紧状态时，螺栓受预紧力Ｑ 作用，
伸长量为Ａ ，被联接件在预紧力作用下压缩变形量为Ａ 。当 螺栓进入工作状态后，在工作载荷Ｆ的作用下，所受拉力由Ｑ 增大至Ｑ，伸长量增加△Ａ，总伸长量为Ａ ＋△Ａ。与此同时，
被压缩件因螺栓伸长而被放松，被压缩量减少，根据变形协调 原理可知，其压缩变形减少量等于螺栓伸长量△Ａ，则此时总
的压缩变形量为Ａ 一△Ａ。被联接件上作用的压缩载荷由原来
的Ｑ 减小至Ｑ ，Ｑ 被称作残余预紧力 。 当螺栓联接件承受工作压力Ｆ时，螺栓所承受总拉力为Ｑ。 Ｑ＝Ｑ ＋ ’ 为了保证联接的紧密性，必须防止在承受工作载荷后联接 面分离，即要保证残余预紧力Ｑ ０。一般情况下，对有密封
性要求的联接，取残余预紧力Ｑ ＝（１．５—１．８）Ｆ；对于一般联
接，且工作载荷稳定的情况下，取Ｑ ＝（０．２～０．６）Ｆ；对于一
般联接，但工作载荷不稳定的情况下，取Ｑ ＝（０．６～１．０）Ｆ；
对于一般地脚螺栓，Ｑ Ｆ。
Ｑ
Ｑ
螺栓受力与变形 被联接件受力与变形 螺栓及联接件受力－ｑ变形
图４螺栓联接件受力与变形分析图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｔｂｏｌｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ
螺栓与联接件受力变形情况分析如图４，根据图中关系可 以得到：
Ｑ。／Ａ６＝ｔａｎＯ６＝ｋ６ （１）
Ｑ ／Ａ ＝ｔａｎＯ ＝ｋ （２） 其中，ｋ ，ｋ 分别表示螺栓和被联接件的刚度。由图４可 知：
Ｑ。＝Ｑ。＋（Ｆ－ＡＦ） （３）
＝ ＝ ｋｂＡＡｔａｎＯ ｋ ㈩ （Ｆ一△Ｆ） 得到：
ＡＦ＝Ｆ焘 （５）
代人公式（３）中，得到：
＝Ｑ ＋Ｆ焘 （６）
螺栓所受总拉力Ｑ为：
Ｑ＝Ｑ ＋△Ｆ＝Ｑ。＋ ６／（ｋ６＋ ） （７） 其中， ／（ｋ ＋ｋ ）称为联接的相对刚度，与螺栓和被联接 件的尺寸、材料及受力位置等因素有关，其值在０～１之间。 在同一外载荷Ｆ的条件下，如果相对刚度小，则螺栓承受总拉 力Ｑ小些。实际计算中，根据螺栓与支耳板的材料代入相应的 值。
２．２支耳板及简体端部筒节受力分析
Ｂ
Ａ
图５筒体端部计算图 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｓｈｅｌｌ ｅｎｄ
本文中设计的支耳板与筒体端部筒节之间采用全焊透联
接，因此在分析支耳板的受力情况时，可将其简化为与筒节一 体的筒体端部，如图５所示。并借鉴ＧＢ１
５０．３中筒体端部法兰 第４２卷第１期 周洋，等：螺栓联接式快开压力容器设计及计算方法研究 １０９
的计算方法对其进行分析计算 。由于与标准的简体端部结构
存在差异，因此在分析计算时对标准中的公式进行了修正，得
到适用于本设备的计算公式。 该端部法兰主要受轴向载荷的作用，对这类法兰的计算采 用巴赫法，即把端部法兰沿纵向剖开，所受的周向载荷在纵向
剖面上构成弯矩，引起沿端部法兰轴向分布的弯曲应力，将此 弯曲应力限制在材料的许用应力以下为满足。
纵向断面上的弯曲应力按下式计算：
ｏｒ ＝Ｍ／ｚ ［ ］ （８） 其中， 为纵向断面弯矩； 为筒体端部截面的抗弯截面 系数。下面对 进行推导。 图５中，Ａ表示由内压所引起在圆筒截面上的载荷，其值
为—｝孚Ｄ 。可将此载荷看成作用在（Ｄ ＋６ 一ｃ）为直径的
半圆弧上，得到（Ｄ ＋艿 一Ｃ）为直径的半圆弧形心至纵向剖
面的距离，则轴向力的力臂为 （Ｄ。＋占 一Ｃ），由此对纵向截
面构成逆时针方向的弯矩，故取正。
Ｂ表示主螺栓在操作状态时的轴向力，Ｑ 。力臂是以螺栓
ｎ 中心圆直径Ｄ 所构成的圆弧形心到圆筒中心的距离，即Ｕ＿Ｌ，
弯矩方向为顺时针，故取负。 Ｃ表示作用在简体端部投影面上的内压所引起的径向力，
其值为ｐＤ Ｈ 。力臂为此力作用点到筒体端部计算截面形心０
之间的距离，即 。此弯矩为顺时针，故取负。 由于简体端部没有采用垫片压紧密封，而是采用密封槽于
简体内部连通自密封的方式，因此暂不考虑操作状态时由垫片 压紧而产生的轴向力。则纵向断面上总的弯矩Ｍ为以上三部分
弯矩的和。即：
： １予Ｄ （Ｄ ＋ 一ｃ）一 Ｏｂ－ｐＤ 厶
令 Ｆｏ：÷Ｄ
则 ＝ （Ｄ ＋６ 一Ｃ）Ｆｏ—Ｑ ＬＩｂ—ｐＤ （９）
式中：Ｄ ——筒体内径，ｍｍ ６ ——简体名义厚度，ｍｍ
Ｃ——腐蚀裕量，ｍｍ
ｐ——设计压力，ＭＰａ
——螺栓中心圆直径，ｍｍ
（上接第８２页）
（３）碳包覆磷酸亚铁锂和钛铝金属离子掺杂改性，使橄榄 石型ＬｉＦｅＰＯ （磷酸亚铁锂）的晶型结构更加稳定，增加了固体 导体离子，从而提高了ＬｉＦｅＰＯ ／Ｃ正极材料的导电性。
参考文献 ［１］钱家盛，陈晓明，何家笙．ＰＭＭＡ／ｎａｎｏ—ＳｉＯ２纳米复合材料的制备 和表征［Ｊ］．应用化学，２００３，２０（１２）：１２００—１２０３． ——筒体端部总高度，ｍｍ ＾——力作用点到筒体端部计算截面形心之间的距
