整体多层夹紧式高压容器超压试验的应力分析及压力确定

压缩应力 ,于是包扎层板出现了一定程度的松弛 ,直
接结果就是中间包扎的层板原本是比较紧密地包裹
在筒体上 ,但当后面包扎层板包扎夹紧后 ,最初包扎
的层板出现了松弛 。
3 超水压试验的压力范围
根据文献 [ 1 ]的 3. 5. 5. 2,整体多层夹紧式高压 容器的水压试验压力为 1. 25倍设计压力 。与单层 式结构相比 ,由于整体多层夹紧式高压容器在包扎 夹紧的过程中产生了一定的预紧力 ,这种预紧力的 宏观特征概括说就是 :内壁受压 、外壁受拉 。
GB 150—1998《钢制压力容器 》对水压试验的 目的作了说明 ,在超过设计压力下 ,考核缺陷是否会 发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏 ,检验密封 结构的密封性能 。
文献 [ 1 ]中 3. 5. 5. 2指出 :“水压试验压力按照 GB 150—1998 中 3. 8. 1 和 3. 8. 2 的规定 ”。简单 讲 ,整体多层夹紧式高压容器的水压试验压力为 1. 25倍设计压力 。有关压力试验的问题已经有很多 论述 [ 4～9 ] ,但由于整体多层夹紧式高压容器在包扎 夹紧过程中筒体产生了预紧力 ,这与单层高压容器 不同 。文中以整体多层容器的受力情况为基础 ,推 导得到容器包扎夹紧预应力的计算公式 ,结合应力 测试获得的实测数据对整体多层夹紧式高压容器的 超水压试验压力进行探讨 ,希望能对此类结构高压 容器的设计 、制造 、检验有参考和借鉴作用 。
+1
-
) 1
(3)
式中 σ拉 ———包扎层板拉应力 ,M Pa
简言之 ,随着包扎层板的增加 ,圆筒内壁受到压
缩 ,环向应力在负方向得到了强化 ,而包扎层板外
壁 ,由于拉伸作用 ,环向应力出现了正向的强化 ,同
时在整体多层包扎容器中间部分的应力处于负向的
压缩和正向拉伸的中间 ,而且层板包扎抵消了部分
ZHEN L iang, J IANG Nan ( School of M echanical & Automotive Engineering, SCUT, Guangzhou 510640, China)
Abstract: The stepped p reload stress was generated in the p rocess of w rapp ing and clamp ing. The distri2 bution of the p reload stress was comp ressed in the inner wall, and tensed at the outer wall while the con2 tact of the m iddle layers was slack. The purpose of the super hydrostatic test was not only to detect the whole strength and the capacity of seal, but also to enhance the contact and to redistribute the stress of the m iddle layers, which the stress of inner wall was yielded by the super hydrostatic test. On the basis of the theoretical analysis, the lower lim it p ressure of super hydrostatic test was the initial yield p ressure, and the upper lim it p ressure was the fully yield p ressure. The scope of the hydrostatic test p ressure, which is about 1. 5 to 1. 8 times of the design p ressure, was verified by the test when the diam eter ratio was 1. 2 to 1. 4. Key words: integrated multi - layer high - p ressure vessel; super hydrostatic; stress analysis; p ressure scope; test
2 整体多层夹紧式高压容器预应力分析
2. 1 力学模型 整体多层夹紧式高压容器通过机械装置将层板
逐层包扎夹紧在内圆筒上 ,通过焊接完成层板与内 筒的固定 ,使内筒和包扎层板成为整体 。由于整体 多层夹紧式高压容器筒体长度远远大于直径 ,属于 平面应变问题 ,这里主要讨论远离边缘的横截面的 情况 。如图 1所示 ,内圆筒的厚度比包扎的层板的 厚度要大 ,需要包扎夹紧的层板要预先滚卷成为圆
图 2 包扎层板微观受力模型
当包扎层板在机械装置作用下拉伸达到可以焊 接的位置 ,包扎层板每个微单元的受力都可以用图 2 ( b)表示为沿圆周方向的拉伸力和指向圆心的径 向力 。从整体来说 ,包扎层板受到圆周方向的拉伸 力和径向的收缩力 ,内圆筒受到径向的压缩力 ,受力 模型如图 3所示 ,即内筒可看成受外压的容器 ,层板 可视为受内压的容器 。
但是由于不同层板之间所受抵消的次数不同 ,于是
在相同包扎夹紧力作用下 ,不同层板的包扎夹紧应
力在内圆筒和已经包扎的层板中不断线性叠加 ,最
终沿厚度方向就出现了台阶状的应力分布 。
根据 Lame公式 ,包扎 m 次层板后 ,内圆筒环向
应力沿厚度 r方向的分布为 :
∑ σθm c
=
-
(1
+
R2i r2
)
图 3 内圆筒以及包扎层板受力模型
2. 2 容器预应力分析以及预应力的台阶分布 图 3中内圆筒属于外压容器 ,经过多层包扎后 ,
内圆筒厚度在增加 ,相应地各层板的包扎夹紧压力
不断作用在内圆筒上 ,最终在内壁面产生了一定的
包扎夹紧预应力或残余应力 。包扎夹紧压力所产生
的应力属于弹性范围 ,根据弹性理论的叠加原理 ,内 圆筒的最终受力是将各层板在包扎夹紧后所产生的
整体多层夹紧式压力容器的重要特征是先制造 一个壁厚不大的内筒 ,然后在内筒上逐层地将钢板 包扎到圆筒上直到厚度达到设计要求 ,而且在包扎 夹紧过程中通过错开包扎位置避免了深环焊缝 。这 样的制造工艺不需要大型锻压设备 ,而且层板在包 扎夹紧过程中对容器内筒产生了一定的预紧力 ,改 善了厚壁容器沿壁厚方向的应力分布 ,对提高容器 整体的承载能力有帮助 [ 3 ] 。水压试验是压力容器 检验的一项重要手段 。随着我国对压力容器产品制 造 、监检的日益规范 ,对水压试验也越来越重视 。一 般认为 ,水压试验的目的是检验压力容器的宏观强 度以及致密性 。
中图分类号 : TH49; TQ051. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 4837 (2009) 07 - 0023 - 06 doi: 10. 3969 / j. issn. 1001 - 4837. 2009. 07. 006
Stress Ana lysis and Pressure Conf irma tion of Super Hydrosta tic Test of In tegra ted M ulti - layer C lam p ing H igh Pressure Vessel
对于包扎层板来说 ,在机械夹紧装置的作用下 产生了拉伸变形 ,当层板被焊接起来就固定了这个 拉伸应力 。根据图 3 所示的模型 ,层板的拉伸应力 就是包扎层板受包扎夹紧压力所产生的环向应力 ,
用 Lame公式就能得到层板与内圆筒的包扎夹紧压
力 pm c。从宏观角度看 ,多层包扎夹紧结构容器外表 面经过包扎后出现了拉伸的环向应力 ,与传统的厚 壁容器相比外壁的应力得到了拉伸强化 。
设 计 计 算
整体多层夹紧式高压容器超压试验的 应力分析及压力确定
甄 亮 ,江 楠 (华南理工大学 机械与汽车工程学院 ,广东 广州 510640)
摘 要 :整体多层夹紧式高压容器在包扎夹紧过程中产生了台阶状预应力 ,其基本规律是内壁压缩 强化 ,外壁拉伸强化 ,中间接触松弛 。超水压试验不仅能检验宏观强度和致密性 ,同时还使内壁发 生变形以达到消除中间层板的接触松弛和调整容器应力分布的目的 。从理论上看 ,超水压试验压 力的下限是内壁发生初始屈服 ,上限是容器不出现全屈服 ,当容器径比在 1. 2～1. 4之间时 ,试验水 压范围为 1. 5～1. 8倍设计压力 。 关键词 :整体多层夹紧式高压容器 ;超水压 ;应力分析 ;压力范围 ;试验
σθm c
=
-
p1
c
2 K21
K21 -
1
-
p2c
2 K22
K22 -
1
-
p3
c
2 K23
K23 -
1
∑ -
p4
c
2 K24
K24 -
1
-
…=
n m =1
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(-
pm c
2 Km2 Km2 -
) 1
(1) 式中 σθm c ———第 m 层包扎后内圆筒内壁面产生的
环向应力 ,M Pa pm c ———第 m 层包扎夹紧压力 ,M Pa Km ———第 m 层包扎后内圆筒的径比
·24·
缺形 ,然后逐层将层板包扎夹紧到内筒上 ,最终达到 设计厚度 。
图 1 圆筒与包扎层板示意
这里以第 1次包扎的情况为例进行说明 。在机 械装置的作用下包扎层板的间隙逐渐减少 ,达到与 内圆筒紧密接触 ,然后在包扎层板圆缺处进行焊接 以确保层板紧密地包扎在内筒上 。图 2是层板包扎 时的受力图 ,由于内筒外壁是连续的 ,而且厚度大于 层板厚度 ,也即内筒的刚度大于层板的刚度 ,所以变 形主要发生在层板上 ,而内筒外壁可以看成固定面 , 图 2 ( a)为截取的部分包扎层板的受力情况 。图 2 ( b)为层板的微单元放大图 ,内圆筒外壁面的圆弧 可看成直线 ,微单元不仅受到拉伸力 L1同时还受到 指向圆心的径向力 L2。
包扎完成后 ,层板与内圆筒达到紧密结合 ,再次 进行包扎时内圆筒与已经包扎的层板就视为新的内 圆筒 ,新的内圆筒与新的包扎层板的受力与前面模 型是相同的 ,可将本模型推广到一般包扎情况 。
第 26卷第 7期 压 力 容 器 总第 200期
1 概述
随着现代工业的发展 ,石油 、化工等行业对于高 压的需求越来越大 ,高压容器成为一种不可缺少的 重要设备 。但由于高压容器的壁厚较大 ,所以单层
·23·
CPVT 整体多层夹紧式高压容器超压试验的应力分析及压力确定 Vol261No7 2009
式结构加工 、制造的难度比较大 ,而且出现缺陷的可 能性也比较大 。整体多层夹紧式压力容器属于多层 式容器 ,是指在一整体圆筒上采用机械手逐层夹紧 层板 ,且层板纵 、环焊接接头相互错开的一种多层压 力容器 [ 1, 2 ] 。
m
n =1
pm c
(
Km2 Km2 -
) 1
(2)
式中 Ri ———内圆筒内径 , mm
对于各包扎层板 ,后包扎的层板产生的包扎夹
紧压力会部分抵消前一包扎层板拉伸的环向应力 。
因此在包扎层板区域沿厚度 r方向的分布为 :
∑ σθm c =σ拉
-
(1
+
R2i r2
)
m
n =1
pm c
(
Km2 Km2 +1
应力叠加起来 。也即 ,随着包扎层板的增加 ,内圆筒
不断被压缩 ,内壁面的环向应力是负值 ,且随着包扎
层板的增加而增加 。整体多层包扎夹紧式容器结构
对于容器内壁具有压缩加强作用 。经多次包扎后 ,
在圆筒内壁面有最大压缩应力 ,即最大预紧应力 。
根据 Lame公式 ,经过多层包扎夹紧后 ,内壁处
的环向应力可以表达为 :
对于中间层板来说 ,包扎的层板在刚包扎结束
后是受到拉伸作用的 ,但在包扎新的层板时 ,已经包
扎的层板与内圆筒就视为新的内圆筒共同受到包扎
夹紧力的作用 ,这时层板的拉伸应力被包扎夹紧力
产生的压缩应力部分地抵消了 。随着包扎层板的增
加 ,最先包扎层板的拉伸应力不断被抵消 ,由于层板
很薄可以认为层板沿厚度方向应力没有发生改变 ,