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。以石油化工設備中的蓄能器為例，設計一種新型的雙級螺紋孔密封結構，具有結構簡單、裝拆方便、安全可靠等優點，在試壓過程中取得了很好的效果。

　　蓄能器是石油化工設備中的一款高壓容器，工作負載壓力70MPa，法蘭盤圓周預留的4處螺紋接口，用于聯接外圍的多條高壓管路，安全性能尤為重要。根據客戶技術要求，工件出廠時需進行靜水壓密封試驗，最大額定壓強105MPa(1.5倍安全系數)，不允許出現液體泄漏和滲透現象。為實現這一目的，首先要設計一套安全可靠的試壓工裝。

1、分析設計難點

　　105MPa屬于超高壓試驗，對試壓裝置和試壓場地都有著嚴格的要求。公司以前沒有這方面的產品和案例，設計人員通過有限元分析得出的理論數據缺少信服力，操作工人擔心試壓過程中發生意外事故，心理壓力很大。根據以往的經驗，蓄能器孔口(D100)采用傳統的法蘭式擋板密封結構(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的高強度螺栓預緊后，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個螺紋聯接孔成為工裝設計的難點，必須優化設計，采取相應的強化措施來增加安全系數。根據帕斯卡定律，在密閉容器內，施加于靜止液體上的壓強將以等值同時傳遞到容器各點，并垂直于作用面。當壓強一定時，壓力大小與受力面積成正比(F =p /S)，由此計算，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孔的前提下，達到高壓密封的效果。按照傳統的設計思路，直螺紋多采用端面密封的結構，螺紋端面鑲裝延伸效果較好的金屬銅圈來實現密封，但前提條件是必須有較為完整的密封平面。很明顯，圖2中的兩處內孔臺階因為截面積太小，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構，也很難承受如此高的壓力，輕則密封元件失效，產生泄漏，重則損傷螺紋和內孔，直接造成工件報廢和安全事故。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 螺紋聯接孔

　　圖3采用螺紋堵頭1密封結構，D40外圓配置高強度的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，實現端面和直徑的雙向密封。首件試壓到70MPa后，發現螺紋受力變形，造成連接部位抱緊，用了好多方法才將堵頭取出，險些造成質量事故。

圖3 螺紋堵頭1

　　圖4采用螺紋堵頭2密封結構，D40外圓采用高強度的O形膠圈，臺階根部鑲裝紫銅墊圈。使用強度較好的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

　　兩次實驗均不成功，我們可以得出這樣的結論。

　　(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。因為，密封元件的耐壓等級與密封形式和自身材料有關，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。當壓力超過50MPa時，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，承載壓力也很難超過100MPa，造成泄漏的原因主要有兩個方面：一是密封面上存在間隙;二是密封部位的兩側存在較大的壓力差。蓄能器的設計壓力不能減小，螺紋結構也不能改變。金屬銅圈的材料硬度和密封效果雖然很好，但在高壓負荷下容易產生屈服變形，當壓力卸去后，銅圈的形狀和尺寸無法復原，卡死在孔壁上，造成拆卸困難。

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

2、優化密封結構

　　本例中的管匯聯接孔由兩段螺紋組成，正好可以利用雙級螺紋的特征，改進密封結構，增加試壓工裝的連接強度，工藝人員從實際出發，決定改變設計思路。

　　(1)同時利用兩個螺紋孔，采用(頂絲——V形圈——壓蓋)三者合一的密封結構(見圖5)，增加聯接強度和密封效果，提高安全系數。

　　(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現自緊密封，受力越大，密封效果越好。

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

圖5 密封結構設計

　　新的密封結構從雙級螺紋和密封元件入手，同時利用兩處螺紋的聯接強度和中間內孔的配合精度，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驗中出現的問題。設計的巧妙之處在于為高性能的密封元件準備一個高強度的基體，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、密封圈、壓環三部分組成。密封效果好且結構簡單、拆卸方便，克服了金屬銅圈和O形膠圈的缺點。在自由狀態下，V圈外徑略小于密封腔的內徑，內徑略大于頂絲的外徑，便于安裝和拆卸。軸向預緊力對V形圈的密封性能影響較大，對V圈組合施加6000N的預緊力，密封效果最好，密封圈在壓環作用下受力擠壓，內徑和外徑均產生一定的膨脹量。與密封面的接觸部位產生很大的彈性力，幾組V形圈疊加在一起，可以承受很高的壓力。同時，V形圈組合屬于典型的徑向自緊密封。當承載的軸向壓力升高時，V形圈通過徑向膨脹加大接觸應力，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，其特點是增加密封圈的硬度和強度，特別適用于高壓密封。

3、做好有限元分析與防護措施

　　螺紋孔靜水壓試驗中，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。膠圈受力后內孔和外圓同時膨脹，鎖緊在頂絲和孔壁上，起到很好的密封作用。運用Ansys軟件，模擬承壓狀態下整個密封結構的受力分布情況，計算出螺紋聯接強度和密封元件的接觸應力，作為工裝設計的理論依據。為預防意外事故發生，工藝人員增加了具體的安全防護措施，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鐵箱，試壓時將蓄能器完全放置在箱體內，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，未發現異常，二次試壓攀升到105MPa后，保壓10min，壓降控制在合理的范圍內，沒有出現泄漏和滲透，卸載壓力后，拆除工裝，用強力扳手旋下頂絲壓蓋，V形圈復原到原來尺寸，擰動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孔都沒有一點損傷，取得了預期的效果。

4、結語

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