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傳統主螺栓或大螺紋套筒等連接方式在石油、化工、核能等工業的高壓容器頂蓋密封裝置上應用廣泛，但存在結構笨重、裝拆困難等問題。針對此不足，設計開發了D形軸向抗剪螺栓連接結構，這是一種新型高壓容器頂蓋密封法蘭連接裝置。該裝置能實現容器頂蓋的快速裝拆，同時具有結構部件制造方便、重量輕、密封可靠和適用范圍廣等特點。為此，就D形螺栓連接C形環高壓密封裝置進行結構設計及關鍵部件進行有限元分析，目的是為其工程應用提供理論依據。
D形螺栓連接C形環高壓密封裝置如圖所示。將頂蓋置于端部法蘭內部并平齊，在頂蓋與端部法蘭之間的環隙中均布“偏心”安裝的D形螺栓，即D形螺栓的連接螺孔有1/4圈加工在端部法蘭上，其余在頂蓋上。頂蓋與端部法蘭之間應留有環隙，以方便C形環和壓墊的安裝。定位環將D形螺栓固定于頂蓋上，其上的螺紋孔需與頂蓋和端部法蘭上的螺紋孔一次性定位加工。在介質內壓作用下，C形環有一定的自緊密封作用，而預緊螺釘可以單獨調節壓緊力，從而實現密封可調。安裝之前將頂蓋上的所有D形螺栓調整為圖所示的松開狀態，然后將頂蓋組件(包括頂蓋、定位環固定的D形螺栓及預緊螺釘、C形環及壓墊)裝入端部法蘭腔內，進行軸向定位和周向定位后，旋轉所有D形螺栓，便可將頂蓋與端部法蘭連接上；拆卸時，只需將D形螺栓反向旋轉，即可將頂蓋組件從端部法蘭內取出。從而實現容器頂蓋的快速裝拆。
上述密封裝置的主要受力部件有：C形環、D形螺栓、端部法蘭和頂蓋。C形環主要受到密封力F及壓墊壓緊力N作用，圖所示為C形環力學模型。D形螺栓主要在兩側螺紋處受到方向相反的剪切力作用，以及底部由預緊螺釘傳遞的密封反力N1和由此產生的摩擦力F1。上述力的綜合作用形成了螺栓的傾覆力矩，為平衡這一力矩，在兩側螺紋上作用著能形成反向力矩的正向線性分布壓力。為簡化力學分析，可假設D形螺栓兩側螺紋處的剪應力簡化為分別作用在各自截面形心處的集中力W和Q2，D形抗剪螺栓的力學模型如圖所示。端部法蘭內壁螺紋受到D形螺栓傳遞的剪力Q和正向線性分布壓力q作用，由于D形螺栓數量較多，可按軸對稱問題處理，即切應力和正向分布壓力沿內壁周向均布，端部法蘭的力學模型如圖式中DG為C形環外側線密封接觸處直徑；q為線密封比壓，一般取200~300N/mm；a為端部法蘭密封面與垂直方向夾角；P為C形環與端部法蘭密封面摩擦角；p為容器設計內壓，作用在D形螺栓端部法蘭側的切應力，db為D形抗剪螺栓的公稱直徑；al為D形抗剪螺栓與端部法蘭的螺紋實際嚙合弧度，a為D形抗剪螺栓與頂蓋的螺紋實際嚙合弧度；Z為D形抗剪螺栓的實際嚙合長度；h為D形抗剪螺栓數量。D形螺栓兩側連接處需滿足的強度條件，端部法蘭和頂蓋與螺栓的連接，在設計溫度下兩側材料的許用切應力的較小值。推薦取材料抗拉許用應力的0.577倍。由此可知，作用在端部法蘭內圓周單位長度上的分布壓力q的最大值是端部法蘭可簡化成半無限長彈性基礎梁，其強度計算類似于GB150-1998《鋼制壓力容器》有關卡扎里密封，其危險截面位于圖的a-a截面。頂蓋可以是平蓋，也可以是半球形等凸形封頭，可按照GB150-1998的有關規定計算，C形環也有類似的選形和設計(限于篇幅不做詳細討論)。
以上對快開式D形螺栓和C形環高壓密封裝置進行了結構設計，并對關鍵部件進行了強度分析，可以作為該裝置在工程上應用的設計依據。該裝置是通過結構本身的合理連接方式實現容器頂蓋的快速裝拆，無需借助于液壓扳手等輔助工具；頂蓋置于筒體端部法蘭內，可以顯著減小頂蓋直徑和厚度，使得結構整體十分緊湊，質量得以減輕；該結構的加工也很方便。因此，在化工、能源等工程中的高壓和超高壓容器密封裝置上有很大的應用前景。
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