参考N．E．C轴向自紧式密封机理，将有机玻璃成功应用于80MPa压力等级的高压窥视装置，实现了传感设备在常压状态下对容器内部承压设备工作状况的窥视问题。同时运用Ansys—workbench14．5对有机玻璃视镜在承压工况下的应力应变进行了详细地分析与模拟计算，提出了通过检测有机玻璃最大变形量来预判其失效的方案，样机实际应用情况验证了该方案正确有效。该装置的研制思路和分析方法，对高压和超高压领域窥视装置设计和研制具有一定的参考价值。

本文所述高压窥视装置是自行研制的特种试验装置，该窥视装置应用于工作压力80±5MPa，温度为常温，工作介质为氮气的高压试验装置中。整台高压试验装置需在80MPa压力等级下工作时间不少于5min，窥视装置中视镜玻璃的公称直径不小于φ50mm，通过布置在高压视镜装置外侧的传感器(无耐压能力)检测容器内部试验件承压状态下的变化情况。针对国内市场暂无类似产品的现状，本文详细分析了此型高压窥视装置的技术难点、选材及设计思路、风险分析及安全性考虑等一系列问题。

高压窥视装置在设计和制造过程中面临着几个关键的技术难点：

1.1 视镜材料的挑战

高压窥视装置的核心在于其视镜，它必须能够承受高压力的同时保持良好的透光性。根据我国的现行标准，目前常用的视镜材料如硼硅玻璃虽然具有一定的承压能力，但其最大工作压力限制在6.4MPa以下，无法满足更高压力环境下的需求。而有机玻璃作为一种高分子透明材料，不仅具有出色的透光率和强度，还具备优良的加工性能，因此成为高压环境下视镜材料的理想选择。

1.2 密封结构的优化

高压容器的密封性对于其安全运行至关重要。传统的强制密封结构虽然有效，但在高压环境下可能因尺寸限制和密封性能问题而失效。相比之下，自紧密封结构能够根据容器内部压力的增加而自动增强密封效果，更适用于高压窥视装置。因此，在设计高压窥视装置时，应优先考虑采用自紧密封结构，以确保装置的密封性和安全性。

1.3 可靠性及寿命评估

高压窥视装置作为一种特殊的压力容器，其可靠性和寿命直接关系到整个系统的安全稳定运行。由于装置中使用的视镜材料不在标准允许材料之列，因此需要对其进行全面的风险评估和寿命估算。这包括对装置在各种工况下的性能进行模拟和分析，评估其可能面临的风险和潜在问题，并制定相应的预防措施和应急预案。同时，还需要对装置的寿命进行估算，以确保其在整个使用寿命内能够保持稳定的性能和安全性。

2. 窥视装置的结构设计与风险评估

2.1 结构设计的详细阐述

基于上述技术难点及分析的结论，我们在设计窥视装置时，首选了有机玻璃作为视镜材料，并充分利用其良好的塑韧性。为了确保高压环境下的密封性能，我们参考了N.E.C式轴向自紧式密封结构，将视镜与视镜座之间设计成锥台结构，以实现自紧密封。

整个窥视装置由高压容器筒体、有机玻璃视镜、径向密封圈、视镜座、视镜挡板、螺纹压环、螺纹压环手柄、螺纹压环挡板、螺栓等部件组成。这些部件的材质经过精心选择，除有机玻璃视镜和径向密封圈分别采用有机玻璃和氟橡胶外，其他部件均采用与筒体同质的PCrNi3MoVA材料。

装置中的视镜座与高压容器筒体间采用了径向密封结构，确保了整体密封性。而视镜座与有机玻璃视镜间的轴向自紧密封结构则是通过锥台设计实现的。这种设计保证了有机玻璃视镜在受压时能够均匀受力，提高了其使用寿命和安全

在使用前，我们会严格确保有机玻璃视镜外锥面及视镜座内锥面的表面精度，并通过研磨达到至少80%的贴合率。随后，通过螺纹压环将两者紧密贴合，以实现装置的初始密封。在工作过程中，随着介质压力的增加，有机玻璃视镜会被推向视镜座，使得锥面间的预紧密封比压转变为工作密封比压，从而确保在高压环境下也能保持可靠的密封性能。

2.2 极限承载能力的分析与计算

为了确保窥视装置在高压环境下的稳定性和安全性，我们采用了Ansys Workbench 14.5软件对其进行了工作状态下的有限元分析。在分析中，我们选择了PCrNi3MoVA的三级锻件参数作为筒体材料的参考，并分别设置了PCrNi3MoVA间及与有机玻璃间的摩擦系数。随后，对模型施加了80MPa的压力载荷和位移约束，以模拟实际工作条件。

通过Ansys Workbench 14.5的仿真分析，我们得出了有机玻璃视镜在高压下的位移变形和应力分布图。这些数据为我们评估装置的极限承载能力提供了重要依据，并帮助我们进一步优化了结构设计，以确保装置在高压环境下的稳定性和安全性。

图：80MPa下有机玻璃视镜变形图

图：80MPa下有机玻璃视镜应力图

为简化计算，文中将每次位移量设为2mm，通过Ansys－workbench14．5中的ParameterSet函数进行重复加载计算，计算结果见表1。

3．380MPa条件下重复加载试验

图：有机玻璃80MPa首次耐压试验图

图：有机玻璃80MPa重复耐压试验后失效图 

试验中，对有机玻璃视镜进行80MPa条件下重复加载寿命试验。当多次试验，有机玻璃突出视镜座达9mm左右，此时有机玻璃视镜与视镜座有效接触厚度约46mm，进行下一次80MPa耐压试验后，整个窥视装置失效。视镜装置试验前后状态如图5，6所示，有机玻璃视镜试验后状态如图所示。

图：有机玻璃视镜试验后状态 

从图7可以看出，整套窥视装置虽已失效，有机玻璃小端锥面挤压视镜挡板，造成视镜锥面小端呈粉末状、视镜挡板变形;整个视镜仍呈块状，但视镜锥面大端由中心向四周有大量裂纹，形成了未爆先漏的现象。

反之，通过严格控制有机玻璃与视镜座的有效接触厚度，便可控制该结构视镜材料实际应用中的最大应力值，从而达到精确预测该结构窥视装置的使用寿命的目的。

将有机玻璃视镜设计成锥台结构，并成功应用于80MPa压力级别的窥视装置中，实现了在高压容器外部窥视容器内部状态的目的。并通过数字模拟分析并结合压力试验的方式，验证了结构的合理性、安全性及可靠性。

实践证明:

(1)锥台式的有机玻璃自紧密封结构可在80MPa压力等级下多次、可靠工作，其失效形式为未爆先漏，失效后不会发生爆裂现象;

(2)锥台式的有机玻璃自紧密封结构可通过控制有机玻璃视镜与视镜座最小接触厚度的方式限制有机玻璃视镜的最大应力，从而达到预测其使用寿命的目的。