螺紋孔密封是高壓容器中的一大難題，密封元件失效是造成泄漏的主要原因。以石油化工設(shè)備中的蓄能器為例，設(shè)計(jì)一種新型的雙級(jí)螺紋孔密封結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在試壓過程中取得了很好的效果。

　　蓄能器是石油化工設(shè)備中的一款高壓容器，工作負(fù)載壓力70MPa，法蘭盤圓周預(yù)留的4處螺紋接口，用于聯(lián)接外圍的多條高壓管路，安全性能尤為重要。根據(jù)客戶技術(shù)要求，工件出廠時(shí)需進(jìn)行靜水壓密封試驗(yàn)，最大額定壓強(qiáng)105MPa(1.5倍安全系數(shù))，不允許出現(xiàn)液體泄漏和滲透現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)這一目的，首先要設(shè)計(jì)一套安全可靠的試壓工裝。

1、分析設(shè)計(jì)難點(diǎn)

　　105MPa屬于超高壓試驗(yàn)，對(duì)試壓裝置和試壓場地都有著嚴(yán)格的要求。公司以前沒有這方面的產(chǎn)品和案例，設(shè)計(jì)人員通過有限元分析得出的理論數(shù)據(jù)缺少信服力，操作工人擔(dān)心試壓過程中發(fā)生意外事故，心理壓力很大。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，蓄能器孔口(D100)采用傳統(tǒng)的法蘭式擋板密封結(jié)構(gòu)(見圖1)，擋板厚度大于容器壁厚的1.5倍(材料與工件相同)，與法蘭盤配合的密封端面安裝多道O形膠圈，8條M30的高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊后，能夠承受二百噸以上的拉伸載荷，完全可以滿足試壓要求。相比之下，法蘭盤圓周的4個(gè)螺紋聯(lián)接孔成為工裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)的強(qiáng)化措施來增加安全系數(shù)。根據(jù)帕斯卡定律，在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓強(qiáng)將以等值同時(shí)傳遞到容器各點(diǎn)，并垂直于作用面。當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，壓力大小與受力面積成正比(F =p /S)，由此計(jì)算，M36螺紋孔截面承受的壓力將近1萬公斤力，足可以擊穿5mm的鋼板。聯(lián)接孔由兩段螺紋和一段D40的光孔組成(見圖2)，油田廠家出于自身利益和技術(shù)保密，不肯提供專用的管匯密封元件，試壓工序中的螺紋密封只能自己想辦法解決，要求在不損傷螺紋和內(nèi)孔的前提下，達(dá)到高壓密封的效果。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，直螺紋多采用端面密封的結(jié)構(gòu)，螺紋端面鑲裝延伸效果較好的金屬銅圈來實(shí)現(xiàn)密封，但前提條件是必須有較為完整的密封平面。很明顯，圖2中的兩處內(nèi)孔臺(tái)階因?yàn)榻孛娣e太小，不能夠作為密封平面使用。如果改用螺紋堵頭+O形膠圈的徑向密封結(jié)構(gòu)，也很難承受如此高的壓力，輕則密封元件失效，產(chǎn)生泄漏，重則損傷螺紋和內(nèi)孔，直接造成工件報(bào)廢和安全事故。金屬銅圈與O形膠圈組合后的密封效果如何?我們曾嘗試過以下兩種方法。

圖1 蓄能器

圖2 螺紋聯(lián)接孔

　　圖3采用螺紋堵頭1密封結(jié)構(gòu)，D40外圓配置高強(qiáng)度的O形膠圈，端面鑲裝紫銅墊圈。使用M45螺紋，涂抹絲扣油鎖緊后，實(shí)現(xiàn)端面和直徑的雙向密封。首件試壓到70MPa后，發(fā)現(xiàn)螺紋受力變形，造成連接部位抱緊，用了好多方法才將堵頭取出，險(xiǎn)些造成質(zhì)量事故。

圖3 螺紋堵頭1

　　圖4采用螺紋堵頭2密封結(jié)構(gòu)，D40外圓采用高強(qiáng)度的O形膠圈，臺(tái)階根部鑲裝紫銅墊圈。使用強(qiáng)度較好的M36螺紋，涂抹絲扣油鎖緊后，首件試壓到70MPa后，銅圈和膠圈相繼受力變形，失去應(yīng)有的密封作用，造成高壓液體滲漏，壓力值不再上升。

圖4 螺紋堵頭2

　　兩次實(shí)驗(yàn)均不成功，我們可以得出這樣的結(jié)論。

　　(1)O形膠圈和金屬銅圈在螺紋孔高壓密封中的效果均不理想。因?yàn)�，密封元件的耐壓等�?jí)與密封形式和自身材料有關(guān)，橡膠硬度決定了O形密封圈的變形壓縮量和允許擠出間隙，一般用于低壓密封。當(dāng)壓力超過50MPa時(shí)，配合間隙處的橡膠容易失效或者被直接擊穿，形成液體泄漏。即使硬度較高的O形膠圈與格來圈組成的斯特封，用于固定密封時(shí)，承載壓力也很難超過100MPa，造成泄漏的原因主要有兩個(gè)方面：一是密封面上存在間隙;二是密封部位的兩側(cè)存在較大的壓力差。蓄能器的設(shè)計(jì)壓力不能減小，螺紋結(jié)構(gòu)也不能改變。金屬銅圈的材料硬度和密封效果雖然很好，但在高壓負(fù)荷下容易產(chǎn)生屈服變形，當(dāng)壓力卸去后，銅圈的形狀和尺寸無法復(fù)原，卡死在孔壁上，造成拆卸困難。

　　(2)用于鎖緊的三角螺紋聯(lián)接強(qiáng)度較低，在上萬公斤力的拉伸載荷下容易產(chǎn)生受力變形。尤其是在牙形誤差和配合間隙較大的情況下，螺紋堵頭在強(qiáng)大的液力推動(dòng)下產(chǎn)生軸線傾斜，對(duì)連接處的螺紋損害很大。解決方法是提高螺紋強(qiáng)度和表面精度，并適當(dāng)加長螺紋的旋合長度。

2、優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)

　　本例中的管匯聯(lián)接孔由兩段螺紋組成，正好可以利用雙級(jí)螺紋的特征，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增加試壓工裝的連接強(qiáng)度，工藝人員從實(shí)際出發(fā)，決定改變設(shè)計(jì)思路。

　　(1)同時(shí)利用兩個(gè)螺紋孔，采用(頂絲——V形圈——壓蓋)三者合一的密封結(jié)構(gòu)(見圖5)，增加聯(lián)接強(qiáng)度和密封效果，提高安全系數(shù)。

　　(2)使用密封性能較好的V形夾布膠圈，利用其軸向壓緊、徑向膨脹的原理來實(shí)現(xiàn)自緊密封，受力越大，密封效果越好。

　　(3)根據(jù)工作場地，做好具體的安全防護(hù)措施，防范試壓過程中意外事故的發(fā)生。

圖5 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　新的密封結(jié)構(gòu)從雙級(jí)螺紋和密封元件入手，同時(shí)利用兩處螺紋的聯(lián)接強(qiáng)度和中間內(nèi)孔的配合精度，頂絲(見圖6)與V圈密封(見圖7)、壓蓋(見圖8)組合，從根本上解決了前兩次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。設(shè)計(jì)的巧妙之處在于為高性能的密封元件準(zhǔn)備一個(gè)高強(qiáng)度的基體，使之與工件緊密連接在一起。

圖6 頂絲

圖7 V 圈密封組合 圖8 壓蓋

　　V圈密封組合，由支撐環(huán)、密封圈、壓環(huán)三部分組成。密封效果好且結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便，克服了金屬銅圈和O形膠圈的缺點(diǎn)。在自由狀態(tài)下，V圈外徑略小于密封腔的內(nèi)徑，內(nèi)徑略大于頂絲的外徑，便于安裝和拆卸。軸向預(yù)緊力對(duì)V形圈的密封性能影響較大，對(duì)V圈組合施加6000N的預(yù)緊力，密封效果最好，密封圈在壓環(huán)作用下受力擠壓，內(nèi)徑和外徑均產(chǎn)生一定的膨脹量。與密封面的接觸部位產(chǎn)生很大的彈性力，幾組V形圈疊加在一起，可以承受很高的壓力。同時(shí)，V形圈組合屬于典型的徑向自緊密封。當(dāng)承載的軸向壓力升高時(shí)，V形圈通過徑向膨脹加大接觸應(yīng)力，與工件密封面貼合得更緊密。夾織物橡膠是V形圈的常用材料，其特點(diǎn)是增加密封圈的硬度和強(qiáng)度，特別適用于高壓密封。

3、做好有限元分析與防護(hù)措施

　　螺紋孔靜水壓試驗(yàn)中，頂絲前面的M36螺紋連接承受住大部分的軸向壓力，將頂絲牢牢固定在工件上，通過壓蓋預(yù)緊后的V形膠圈阻擋住螺紋連接處的外泄壓力。膠圈受力后內(nèi)孔和外圓同時(shí)膨脹，鎖緊在頂絲和孔壁上，起到很好的密封作用。運(yùn)用Ansys軟件，模擬承壓狀態(tài)下整個(gè)密封結(jié)構(gòu)的受力分布情況，計(jì)算出螺紋聯(lián)接強(qiáng)度和密封元件的接觸應(yīng)力，作為工裝設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。為預(yù)防意外事故發(fā)生，工藝人員增加了具體的安全防護(hù)措施，按照蓄能器的外形尺寸，選用10mm的厚鋼板專門制作了一款防護(hù)鐵箱，試壓時(shí)將蓄能器完全放置在箱體內(nèi)，防止試壓過程中工裝零件飛出傷人。首件蓄能器成功試壓到70MPa，保壓20min，未發(fā)現(xiàn)異常，二次試壓攀升到105MPa后，保壓10min，壓降控制在合理的范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)泄漏和滲透，卸載壓力后，拆除工裝，用強(qiáng)力扳手旋下頂絲壓蓋，V形圈復(fù)原到原來尺寸，擰動(dòng)頂絲可以輕松的從孔壁中旋出密封，檢查兩處螺紋和中間內(nèi)孔都沒有一點(diǎn)損傷，取得了預(yù)期的效果。

4、結(jié)語

　　螺紋孔密封工裝投入使用后，試壓500余件產(chǎn)品未發(fā)生工件螺紋損傷和安全意外事故。工裝結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便，V形圈價(jià)格便宜，并可以重復(fù)使用，最大程度的做到降本增效，為雙級(jí)螺紋孔高壓密封走出了一條新路，具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義。