隔爆外壳设计——紧固件与螺孔结构设计指南
紧固件是隔爆外壳的"生命线"——它既要承受内部爆炸压力的冲击不松动、不断裂，又要保证隔爆接合面间隙在长期运行中不变化。本文依据 GB/T 3836.2-2021 及 GB/T 3836.1-2021 标准，从紧固件的螺纹、抗拉强度、屈服强度要求，到螺孔的沉孔/护圈设计、不穿透要求，再到螺栓抗拉拔力计算案例与试验评估方法，系统梳理隔爆外壳紧固系统的设计要点。
一、紧固件设计要求
1.1 紧固件的作用与总体要求
隔爆外壳的紧固件承担着双重使命：
- 保持隔爆接合面：将门、盖、法兰压紧在壳体上，维持接合面间隙不超过标准限值；
- 承受爆炸压力：内部爆炸时，紧固件不得断裂、不得松脱，否则接合面间隙瞬间增大，火焰外泄。
GB/T 3836.2-2021 第 11 章对紧固件提出了总体要求：
| 条款 | 要求 |
|---|---|
| 11.1 | 从外侧装配的紧固件须符合 GB/T 3836.1 的特殊紧固件要求；I 类设备头部还须有护圈或沉孔（或设备结构内在保护） |
| 11.2 | 不准许使用塑料材质或轻合金紧固件 |
| 11.3 | 型式试验时应使用制造商规定的螺栓和螺母，性能等级或屈服强度须在设备上标志 |
| 11.4 | 双头螺栓应固定牢固，用熔焊或铆牢永久固定到外壳上 |
| 11.5 | 紧固件不应穿透隔爆外壳壁（除非构成隔爆接合面且不可分开） |
| 11.6 | 不穿透的螺孔，外壳壁剩余厚度 ≥ 螺栓直径的 1/3，最小 3mm |
| 11.7 | 螺栓不带垫圈拧入盲孔时，孔底至少保留一整扣螺纹裕量 |
| 11.8 | 外壳壁上除引入装置外的开口，须用合适装置封堵保持隔爆性能 |
| 11.9 | 螺纹式门或盖应另借助内六角紧定螺钉或等效方法固定 |
1.2 螺纹要求
（1）特殊紧固件的螺纹
按 GB/T 3836.1 的要求，特殊紧固件须满足：
- 螺距符合大螺距公制螺纹要求（公差等级符合 GB/T 197 和 GB/T 2516 规定的 6g/6H）；
- 螺栓或螺母符合 GB/T 5782、GB/T 5783、GB/T 6170 或 GB/T 70.1 等相应标准。
（2）螺纹隔爆接合面的啮合要求
当螺纹本身构成隔爆接合面时（如螺纹式门盖、引入装置螺纹），须满足 GB/T 3836.2-2021 表 4 要求：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 螺距 | ≥ 0.7mm（螺距 > 2mm 时可能需要特殊结构措施） |
| 螺纹形状和配合等级 | GB/T 197、GB/T 2516 规定的中级或精密公差级 |
| 啮合螺纹 | ≥ 5 扣 |
| 啮合深度 | 容积 ≤ 100cm³：≥ 5mm；容积 > 100cm³：≥ 8mm |
工程口诀： 螺栓拧入深度——钢件不小于螺栓直径，铸铁、铜、铝件不小于螺栓直径的 1.5 倍；螺孔深度不足时，螺栓必须拧满螺孔。
1.3 抗拉强度与屈服强度要求
GB/T 3836.2-2021 附录 F（资料性）给出了螺栓或螺母的机械性能参考数据：
| 紧固件材质 | 性能等级 | 标称抗拉强度 (MPa) | 最小抗拉强度 (MPa) | 标称屈服强度 (MPa) | 最小屈服强度 (MPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| 碳钢 | 4.8 | 400 | 420 | 320 | 340 |
| 碳钢 | 5.8 | 500 | 520 | 400 | 420 |
| 碳钢 | 6.8 | 600 | 600 | 480 | 480 |
| 碳钢 | 8.8（≤M16） | 800 | 800 | 640 | 640 |
| 碳钢 | 9.8 | 900 | 900 | 720 | 720 |
| 碳钢 | 10.9 | 1000 | 1040 | 900 | 940 |
| 碳钢 | 12.9 | 1200 | 1220 | 1080 | 1100 |
| 不锈钢（奥氏体） | A4-80 | — | 800 | — | 600 |
| 不锈钢（马氏体） | C4-80 | — | 800 | — | 640 |
理解性能等级： 性能等级的数字代表抗拉强度与屈强比。如 8.8 级 = 抗拉强度 800MPa，屈强比 0.8，屈服强度约 640MPa。A2-70 表示奥氏体不锈钢、加工硬化、最小抗拉强度 700MPa。
标志要求（表 14 中 a 项）： 设备上应设置警示标志——"使用屈服应力（值）的紧固件，该（值）由适用的试验确定"，或在防爆合格证上作为特殊使用条件规定。
上图为紧固件性能等级标志示例（4.8 级内六角螺栓）。设计文件须明确螺栓的性能等级或屈服强度，型式试验将按此规定的紧固件进行。
1.4 防松要求
紧固件须有防锈、防松措施，以保证平面式隔爆接合面的间隙在长期运行中不变化：
| 防松方式 | 使用要点 |
|---|---|
| 弹簧垫圈 | 压平即可，不宜拧得太紧；规格须与螺栓一致 |
| 双螺母 | 用于振动环境，锁紧可靠 |
| 螺纹胶 | 涂覆后固化，防松效果持久 |
| 点漆标识 | 便于巡检发现松动（拧紧后点漆） |
| 开口销/止动垫圈 | 用于重要部位 |
| 内六角紧定螺钉 | 螺纹式门盖的附加固定（11.9 条） |
注意： 螺栓应上满扣，不满扣即为失爆。弹簧垫圈断裂或失去弹性时，须检查该处防爆间隙，超限即判失爆。
二、隔爆螺孔设计
2.1 沉孔与护圈
GB/T 3836.1 定义：
- 护圈：按规定要求环绕螺钉头或螺母而构成一个特殊紧固件的凸圈；
- 沉孔：按规定要求环绕螺钉头或螺母而构成一个特殊紧固件的凹孔。
I 类设备（矿用）的特殊要求（11.1 条）： 从外侧装配的紧固件，其头部应具有护圈或沉孔，或通过设备结构内在保护，目的是防止紧固件头部在正常使用中受到机械冲击损坏而使防爆型式失效。
护圈/沉孔设计要求：
- 螺栓头或螺母设在护圈内，使用专用工具才能打开；
- 紧固后螺栓头或螺母的上平面不得高出护圈（沉孔同理）；
- 护圈形状可为全封闭的圆环或有开口的 U 形；
- 护圈直径、高度与螺栓通孔直径须符合标准表 2 的尺寸要求。
上图为隔爆外壳特殊紧固件的三种结构：普通沉孔（凹孔）、护圈（凸圈）、U 型护圈（开口式）。
2.2 螺孔不穿透要求
隔爆螺孔设计的核心原则是：紧固件不应穿透隔爆外壳壁。
上图为外法兰螺栓紧固与不通孔螺栓紧固两种结构的对比。左侧为从外侧穿透法兰的紧固方式，右侧为不通孔（盲孔）紧固方式——后者才是隔爆外壳允许的结构。
具体尺寸要求（11.5～11.7 条）：
- 不穿透：紧固件不应穿透隔爆外壳壁，除非它与壳壁构成隔爆接合面且与外壳不可分开（焊接、铆牢等）；
- 剩余壁厚：螺孔或双头螺栓孔的底部至外壳内壁的剩余厚度 t ≥ 螺栓直径 d 的 1/3，且最小 3mm：
- 选 M10 螺栓 → t ≥ 10/3 ≈ 3.3mm → 取 4mm；
- 选 M12 螺栓 → t ≥ 12/3 = 4mm；
- 选 M6 螺栓 → t ≥ 2mm → 按最小值取 3mm；
- 盲孔螺纹裕量：螺栓不带垫圈完全拧入盲孔时，孔底至少保留一整扣螺纹的裕量；
- 螺纹式门或盖：应另借助内六角紧定螺钉或等效方法固定，防止螺纹松脱。
2.3 接合面上螺孔的位置要求
当平面接合面被装配隔爆外壳零件的螺纹紧固件孔分隔时，螺孔边缘至接合面边缘的距离 l 须满足（5.2.4 条）：
| 接合面宽度 L | 最小距离 l |
|---|---|
| L < 12.5mm | ≥ 6mm |
| 12.5mm ≤ L < 25mm | ≥ 8mm |
| L ≥ 25mm | ≥ 9mm |
若 l 不满足上述要求，隔爆接合面的有效宽度将被螺栓孔"蚕食"，火焰可能沿螺孔路径外泄。
2.4 常见螺孔设计错误
| 错误类型 | 后果 | 正确做法 |
|---|---|---|
| 螺孔穿透腔体 | 火焰沿螺孔直通外部，隔爆失效 | 采用盲孔，剩余壁厚 ≥ d/3 且 ≥ 3mm |
| 盲孔底部壁厚不足 | 试验时底部崩裂 | 计算并标注剩余壁厚 |
| 螺纹啮合不足 | 螺栓受力后脱扣 | 啮合 ≥ 5 扣，深度满足要求 |
| 钻孔过深攻穿 | 同上 | 控制钻孔深度，留螺纹裕量 |
| 螺栓孔距接合面边缘过近 | 有效隔爆宽度不足 | l ≥ 6/8/9mm |
三、螺栓大小与抗拉拔力计算案例
3.1 受力分析
隔爆外壳内部爆炸时，爆炸压力 P 作用在门盖/法兰的承压面积 A 上，产生总压力 F_total，由 n 个紧固螺栓共同承受：
每个螺栓的拉应力：
其中：
- P：爆炸压力（取过压试验压力，一般为 1.5 × 参考压力）
- A：门盖承压面积（按密封面内缘面积计）
- A_s：螺栓应力截面积（公制粗牙螺纹标准值）
- σ_s,min：螺栓最小屈服强度
- n_s：安全系数（一般取 1.5 以上）
3.2 计算案例
【案例】 设计一台 IIB 类隔爆控制箱的门盖紧固。已知：实测参考压力 P_ref = 0.9MPa，门盖密封面内缘尺寸 500mm × 300mm，初步选用 8 个 8.8 级碳钢螺栓。
第一步：确定设计压力
过压试验压力 = 1.5 × P_ref = 1.5 × 0.9 = 1.35MPa
第二步：计算总爆炸压力
A = 0.5 × 0.3 = 0.15 m²
第三步：单个螺栓受力
第四步：螺栓规格校核
8.8 级螺栓最小屈服强度 σ_s,min = 640MPa，取安全系数 1.5：
试选 M10（应力截面积 A_s = 58mm²）：
改选 M12（应力截面积 A_s = 84.3mm²）：
第五步：抗拉强度校核（防断裂）
8.8 级最小抗拉强度 800MPa，M12 螺栓破断拉力：
安全裕度 = 67,440 / 25,312 = 2.66 倍 ✓
第六步：螺栓数量-规格对照
| 方案 | 单个螺栓受力 (N) | M10 应力 (MPa) | M12 应力 (MPa) | 判定 |
|---|---|---|---|---|
| 6 个 | 33,750 | 582 ✗ | 400 ✓ | M12 勉强 |
| 8 个 | 25,312 | 436 ✗ | 300 ✓ | M12 推荐 |
| 12 个 | 16,875 | 291 ✓ | 200 ✓ | M10 可行 |
| 16 个 | 12,656 | 218 ✓ | 150 ✓ | 均可 |
结论： 8 个 M12（8.8 级）或 12 个 M10（8.8 级）均可满足要求。工程推荐 8×M12、8.8 级，既保证强度余量又兼顾布置空间。
第七步：螺孔壁厚校核
M12 螺栓螺孔剩余壁厚：t ≥ 12/3 = 4mm（最小 3mm）→ 设计取 5mm； 盲孔底部保留 ≥ 1 扣螺纹裕量，钻孔深度 = 螺纹啮合长度 + 1 扣螺距 + 底部裕量。
提示： 实际工程中还应校核预紧力（螺栓受拉预紧使接合面贴合）、法兰弯曲和螺栓间距（间距过大法兰会翘曲）。经验上螺栓间距一般取 100～150mm，且同一接合面螺栓规格必须一致。
四、矿用 I 类与石化 II 类对比（紧固件部分）
| 对比项 | 矿用 I 类（煤矿井下） | 石化 II 类（工厂气体环境） |
|---|---|---|
| 特殊紧固件 | 头部须有护圈或沉孔（或结构内在保护） | 符合 GB/T 3836.1 特殊紧固件要求即可 |
| 紧固件材质 | 不准用塑料/轻合金，防锈要求高 | 不锈钢（A2-70/A4-80）或碳钢镀层 |
| 外壳材质 | 钢板或铸钢为主（采掘面强制），容积≤2000cm³ 可用 HT250 铸铁 | 铸铝、碳钢、不锈钢均可 |
| 非螺纹孔（光孔） | 允许（按 13.3 条文件规定） | 不允许，须用螺纹孔 |
| 引入装置密封试验压力 | 2000kPa | 3000kPa |
| 导管引入 | 不允许 | 允许（仅 II 类） |
| 螺纹精度 | 特殊紧固件 6g/6H | 同左 |
五、紧固件选型指南
| 选型要素 | 推荐 | 说明 |
|---|---|---|
| 材质 | 不锈钢 A2-70/A4-80 或碳钢 8.8/10.9 级 | 户外/化工环境首选不锈钢 |
| 性能等级 | 8.8 级起步，大容积高压设备用 10.9 级 | 按计算确定，至少 1.5 倍安全系数 |
| 头型 | 内六角（GB/T 70.1）、六角头（GB/T 5782/5783） | 便于控制扭矩，防拧花 |
| 防松 | 弹簧垫圈 / 螺纹胶 / 双螺母 | 按振动环境选择 |
| 防锈 | 不锈钢本色 / 镀锌 / 发黑处理 | 与防腐等级匹配 |
| 标志 | 性能等级钢印齐全 | 型式试验按标志等级进行 |
六、相关试验评估方法
6.1 型式试验（第 15 章）
隔爆外壳型式试验须使用制造商规定的螺栓和螺母（11.3 条），确保试验结果与实际产品一致：
| 试验项目 | 内容 | 紧固件相关要点 |
|---|---|---|
| 爆炸压力测定 | 充入标准爆炸性混合物点火，测参考压力 | 紧固件按文件规定力矩拧紧 |
| 过压试验（静压法） | 1.5 × 参考压力，保压 ≥ 10s | 检查紧固件无断裂、无松脱 |
| 过压试验（动压法） | 1.5 倍参考压力爆炸冲击 | 多次爆炸，IIC 每种气体 3 次 |
| 内部点燃不传爆试验 | 腔内点火，外部不传爆 | 接合面间隙无永久性增大 |
| 外壳冲击试验 | GB/T 3836.1 规定冲击能量 | 冲击后紧固件/护圈无损坏 |
合格判据： 试验后外壳无影响防爆型式的永久性变形或损坏，接合面任何部位间隙无永久性增大，紧固件无断裂、无松动。
6.2 例行试验（第 16 章）
- 含焊接结构的外壳应进行例行过压试验；
- 可用批量试验方法代替例行过压试验（16.6 条）；
- 批量 101～1000 台时，应抽取不少于 32 个样品用 1.5 倍参考压力试验，不应有不合格产品。
6.3 紧固件相关专项试验
（1）螺纹引入装置力矩试验（附录 C.3.2.2）：
| 螺纹尺寸 | 最小力矩 |
|---|---|
| M6 | 10 N·m |
| M8 | 20 N·m |
| M10 | 40 N·m |
| M12 | 60 N·m |
| M14 | 100 N·m |
| M16 | 150 N·m |
（2）Ex 封堵件/管接头力矩试验（表 C.1）：
| 螺纹尺寸 (mm) | 力矩试验旋紧力矩 (N·m) |
|---|---|
| <16 | 2d（d 为螺纹大径 mm） |
| 16 | 40 |
| 20 | 40 |
| 25 | 55 |
| 32 | 65 |
| 40 | 80 |
| 50 | 100 |
（3）冲击试验： 组装后的引入装置组件按 GB/T 3836.1 规定的冲击能量试验，冲击方向垂直于棒轴线方向，试验后无使防爆型式失效的损坏。
试验评估要点： 紧固件系统的试验评估贯穿"设计确认（型式试验）— 批量一致性（例行/批量试验）"全过程，任何环节发现紧固件问题都须追溯设计源头。
七、设计避坑指南
坑1：螺栓性能等级"偷工减料"
问题： 用普通 4.8 级螺栓替代设计的 8.8 级，运行两年锈蚀松动，隔爆性能失效。
避坑： 按计算选等级并钢印标志；图纸注明"使用屈服应力（值）的紧固件"；进货检验核对性能等级；禁止混用不同等级螺栓。
坑2：螺孔"攻穿腔体"
问题： 螺栓孔加工时钻穿外壳壁，内腔与外腔直接连通，隔爆失效。
避坑： 采用盲孔；标注剩余壁厚 ≥ d/3 且 ≥ 3mm；加工后逐一检查孔底。
坑3：盲孔"没有螺纹裕量"
问题： 螺栓拧到底顶住孔底，无余量，受爆炸冲击时螺纹段受力不均而脱扣。
避坑： 孔深 = 啮合长度 + 1 扣以上裕量；螺栓不带垫圈拧入时孔底至少保留一整扣。
坑4：护圈/沉孔"形同虚设"
问题： 护圈高度不足，螺栓头高出护圈，或可用普通工具拆卸。
避坑： 螺栓头/螺母上平面不得高出护圈；护圈直径、高度按标准表 2 执行；须用专用工具才能拆卸。
坑5：螺栓"规格混用"
问题： 同一接合面螺栓长短不一、直径不同，受力不均导致局部间隙超标。
避坑： 同一部位螺栓规格一致；对角均匀紧固；弹簧垫圈规格与螺栓匹配且压平。
坑6：防松措施"缺失"
问题： 无弹簧垫圈、无螺纹胶，振动环境下螺栓松脱。
避坑： 弹簧垫圈压平即合格，不宜过紧；重要部位加螺纹胶或双螺母；定期巡检。
坑7：忽视"螺栓间距"
问题： 螺栓间距过大，爆炸压力下法兰弯曲变形，中部间隙超标。
避坑： 螺栓间距一般 100～150mm；法兰厚度不足时加密螺栓或加厚法兰；按案例方法核算。
总结
隔爆外壳紧固系统的设计核心要点回顾：
- 紧固件：特殊紧固件、6g/6H 公差、性能等级按附录 F 选择并标志，8.8 级起步，禁用塑料/轻合金；
- 螺纹：啮合 ≥ 5 扣、深度 5/8mm，拧入深度钢件 ≥ 直径、铸铁/铝 ≥ 1.5 倍直径；
- 螺孔：盲孔不穿透、剩余壁厚 ≥ d/3 且 ≥ 3mm、孔底留 1 扣裕量；I 类设备须护圈或沉孔保护；
- 螺栓计算：F = P×A/n，σ = F/A_s ≤ σ_s/n_s，推荐安全系数 ≥ 1.5，并校核抗拉破断裕度；
- 矿用 vs 石化：I 类强制护圈/沉孔，II 类以特殊紧固件 + de 复合结构为主；
- 试验：型式试验使用制造商规定的紧固件，过压/不传爆/冲击/力矩试验逐项闭环。
紧固件虽小，却承担着隔爆外壳"最后一道防线"的重任。设计、选型、检验每一环都不可马虎——一颗螺栓的失效，足以让整个隔爆外壳形同虚设。
本文技术参数依据 GB/T 3836.2-2021《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳"d"保护的设备》第 5、11、15、16 章及附录 C、F，GB/T 3836.1-2021 特殊紧固件要求整理，具体设计请以标准原文和防爆认证机构意见为准。
