T-Bolt O型圈快開封頭泄漏失效分析及改善措施

田有良 劉慶榮 陳立軍 董 坤 張增軍

（山東豪邁機械制造有限公司，濰坊 261500）

1 研究背景

T-Bolt活節螺栓O型圈密封快開封頭常用于油氣行業壓力容器。為了減輕質量且便于快速開啟，它通常采用開槽的支耳加活節螺栓的結構[1]。該結構的螺栓和螺母不需要完全拆卸，且O型圈形式為自緊式密封，密封性能良好，能夠多次重復使用。但是，該結構一般用于壓力較低和直徑較小的場合。

失效模式有很多，如強度失效、剛度失效、泄漏失效等[2]。在壓力容器結構設計中，很多設計者往往只關注強度，卻忽視了剛度和密封問題[3]。實際上，在很多情況下，結構的失效往往不是因為強度不足而是因為剛度不足所致，且發生事故不是因強度破壞而是因泄漏所致[4]。壓力容器事故的主要原因是結構的失效。GB 150—2011壓力容器規范提出以失效模式為基礎的壓力容器的設計理念，旨在引導設計人員正確評估壓力容器在各個工況下的失效模式，以便針對不同的失效模式采取針對性的預防措施[5]。

GB 150.3—2011提出的法蘭剛度校核規定[6]，對于預防壓力容器的密封失效，不僅僅要保證強度，更重要的是要滿足剛度的需求。對于T-Bolt O型圈封頭結構，由于封頭、螺栓支耳、法蘭、螺栓、筒體和O型圈是個復雜的變形系統[7]，任何一個零件的過度變形都會對系統的變形產生影響，由此引起密封結合面的間隙變化。當間隙超過一定的極限，O型圈在壓力的作用下被擠出損壞，導致發生泄漏[8]。

某項目一臺分離器，設計標準為ASME Ⅷ-1—2019，設計壓強達到8.9 MPa，水壓試驗壓強為11.6 MPa， 采用T-Bolt活節螺栓O型圈密封的快開封頭結構，在未達到水壓試驗壓強時即發生泄漏，遂對其展開調查分析。

2 快開封頭基本結構和參數

快開封頭的基本結構和參數分別如圖1和表1所示。

表1 快開封頭基本參數

3 泄漏失效現象概述

對裝置進行水壓試驗的過程中，當裝置壓強升至 3.6 MPa時，即會發生大量泄漏，且O型圈會從密封結合面處擠出。拆卸后，發現O型圈發生嚴重塑性變形，如圖2所示。水壓試驗期間，螺栓連接處發生異常金屬敲擊的聲響。初步判斷為螺栓的扭矩不足導致泄漏，于是增大螺栓扭矩后重新打壓，但再次發生泄漏。

4 原因分析

發生泄漏后，將封頭拆下，采用關節臂檢查密封面的平面度，檢查密封表面的粗糙度，以及密封槽的尺寸是否符合要求。封頭密封槽為焊后加工，經測量，槽的尺寸及表面粗糙度均滿足設計要求。與封頭結合的短接在密封面加工后又與筒體進行了焊接，經測量其結合面的平面度為1.5 mm，粗糙度基本滿足要求。

對螺栓支耳與封頭焊縫位置進行表面PT檢測，發現部分支耳在焊趾處存在疑似裂紋或者未融合的情況。查看結構的應力分析報告，各元件的最大應力均在許用的應力極限之內，強度滿足設計要求。初步分析裂紋可能是未進行焊接預熱及熱處理所致。于是，將支耳焊縫刨開，重新進行了焊接，再次焊接時保持預熱溫度不低于95 ℃，并將密封槽進行了焊接填補。焊接完成后進行消應力熱處理，之后對密封槽重新進行機械加工。重新加工時，筒體密封面采用鏜銑床重新加工，以保證其平面度。加工完成后重新進行水壓試驗，試驗過程中安裝測量位移的儀表，并通過視頻監控觀察快開封頭在升壓期間的變形和位移，以及結合面的變化和泄漏情況。

再次進行水壓試驗過程中，當試驗壓強升至 5 MPa時，再次發生明顯泄漏。通過監控視頻發現，升壓后密封結合面分離，拉開間隙約2 mm，如圖3所示。泄壓后，結合面重新閉合，間隙消失。拆卸后，發現O型圈再次被擠出變形。由此判斷，泄漏原因可能是結構的整體剛度不足，特別是支耳的剛度不足，從而在壓力的作用下產生過量的變形，導致O型圈結合面間隙超過分離極限。加之O型圈硬度較低，在壓力的作用下，O型圈膠料被擠壓變形，最終從密封結合面處擠出。

水壓期間的異常聲響初步判定為螺栓支耳在載荷作用下產生過度彎曲變形引起螺栓向外滑移摩擦所致，于是通過ANSYS對結構進行了重構并進行了仿真分析，以求得在試驗壓力下結構的變形情況。

5 改善方案

5.1 結構更改

原結構支耳采用的是非整體結構，螺栓支耳剛度嚴重不足，現擬改為整體法蘭環結構，其中法蘭環與封頭采用全焊透結構，封頭與法蘭間用拉筋加固，如圖4所示。

5.2 O型圈及密封槽更改

對于大直徑O型圈，原設計為18.3%的壓縮率偏小，不利于初始的密封，因此需適當提高壓縮率，故將截面尺寸改為Φ8 mm，并將槽的尺寸進行了相應調整，槽深改為5.7 mm，槽寬改為12.1 mm，此時O型圈的壓縮率為（8-5.7）/8=28.7%。另外，為了提高O型圈防擠出的能力，將其邵氏硬度調高為A90±5。

5.3 仿真分析

5.3.1 條件設置

結構更改完成后，利用ANSYS Workbench進行了仿真分析。仿真分析過程中，先采用六面體網格，1/12模型，將零件模型劃分為如圖5所示的網格模型，然后設置對稱邊界條件，并約束環向位移和筒體軸向位移，再將接觸面設為摩擦接觸，施加螺栓預緊力和壓力載荷，采用彈性應力分析，分析設置條件分別如圖6～圖8所示。

5.3.2 分析結果

封頭和軸耳的當量總應力分布分別如圖9和圖10所示。求得當量總應力后，選取路徑，將封頭應力線性化，如圖11所示。此時求得最大一次總體薄膜應力Pm為92.75 MPa，最大一次局部薄膜應力PL為138 MPa，最大薄膜加彎曲應力PL+Pb=93.57 MPa。在不考慮峰值應力的情況下，均小于許用總體薄膜應力S（138 MPa）和許用局部薄膜應力SPL（207 MPa）。

封頭的位移變形情況，如圖12所示。結合面槽邊裂開間隙缺口最大為0.092 mm，如圖13所示。根據相關密封設計手冊，在試驗壓力下，當O型圈的邵氏硬度為A90時，最大允許擠出間隙約為 0.15 mm。分析結果表明，改善后的結構強度和剛度均滿足設計要求。

6 實際檢驗結果

對改善后的結構重新進行水壓試驗，當壓強上升至11.6 MPa時，試驗無泄漏，且試驗期間無可見變形，裝置未出現異常聲響，拆卸后觀察O型圈無任何損傷。另外，試驗結束后，對焊縫進行了表面PT檢測，未發現裂紋等缺陷。

7 結語

本文通過調查分析導致T-Bolt螺栓快開封頭泄漏的原因，認為泄漏主要是結構剛度不足，從而產生過量變形，導致密封結合面被拉開，O型圈壓縮密封應力喪失，最終在壓力作用下，O型圈被擠出破壞所致。因此在設計該結構時，要確保其具有足夠的剛度，以使結合面的間隙不會超過允許的極限，必要時可采用分析的手段確定結構尺寸。

對于高壓T-Bolt O型圈密封結構，由于承受的載荷較大，應對剛度提出較高的要求，因此不宜采用分散的螺栓支耳的形式，而應采用整體法蘭的結構。因為O型圈的硬度是比較重要的性能指標，硬度越大，其在壓力作用下越不容易被擠出，所以當壓力過高時，為了避免擠出，應采用更高的硬度。但是，因為硬度越大越不容易安裝，所以需要根據實際情況選擇硬度合適的O型圈。另外，O型圈的截面尺寸也是影響密封的重要因素，其內徑越大，截面尺寸也應該越大。較大的截面尺寸可以獲得更大的壓縮量，而壓縮量對于O形圈密封來說是個關鍵因素。壓縮量不足，則不能獲得足夠的密封應力，容易導致泄漏。