钛制压力容器的稳定性设计探析

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稳定性分析是压力容器设计时，必须要考虑的一个方面，其主要目的是确定容器的临界失稳压力。钛具有很高的比强度、特殊的抗腐蚀性以及优良的物理性能。但是钛材在制造过程中极易出现织构现象，由此导致在宏观上的各向异性。目前对于钛制压力容器进行设计时，主要还是按照各向同性材料进行计算。

1　压力容器常规稳定性分析

在对简单结构容器，如外压圆筒、外压球壳等，进行压力稳定性设计时，可依据经典公式（欧拉、米西斯等人推导）进行计算，求得理论临界载荷。

为了解决外压筒体的稳定性问题，常用的解决方法有：

（1）采用高强度材料

对于仅受周向均布外压的长圆筒临界压力，分析可知，提高材料的弹性模量可以提高筒体的临界压力值。对于厚壁圆筒，将发生屈服失效，提高材料的屈服应力可以提高承载能力，采用高强度材料较为经济。而对薄壁圆筒，因各类材料的弹性模量变化不大，采用高强度材质提高圆筒的稳定性作用不显著。

（2）增加筒体壁厚

根据仅受周向均布外压的长圆筒临界压力，计算可知，提高筒体的壁厚是一种提高筒体临界压力值的有效方法。同时，随着容器筒体壁厚的增加，压力容器设备的整体强度和刚度也会随之提升。更为重要的是，刚度的增加反应在筒体临界压力值上，会导致临界压力显著增大。在钛制压力容器的临界压力值高于外界对圆筒产生的压力的情况下，钛制压力容器圆筒就具有了相对稳定的安全系数。

（3）在设备筒体上设置环向加强圈

环向加强圈对承受周向外压作用的薄壁圆柱壳是非常重要的。在筒体外壁或内壁上焊接数个加强圈，就可以实现对圆筒的加强作用，起到增加圆筒刚度的目的，提高圆筒筒体的临界压力值，保持筒壁上任意微体在外界压力作用下处于稳定的平衡状态，使得圆筒形状以及压力状态不会改变。可以看到，选用此种方法具有多种优点：投资费用相对低廉，加工工序简单，易于制作，制造工时较短等。

2　钛制压力容器稳定性分析

钛制容器最容易发生失稳的部位是圆筒、封头等，这

些部分在受压缩载荷的作用下，发生周向失稳或轴向失稳

的可能性最大。圆筒周向失稳的结果是形成几个轴对称的波形，这种波形的方向是沿圆筒周向或凸形封头过渡区周向；轴向失稳造成的波形或皱折是沿着轴向出现。在实际应用中，有很多因素能够影响压力容器稳定性，对影响其稳定性的因素进行理论分析是比较复杂的，在实际操作中难以应用，为了方便工程计算，在进行压力容器的设计中，最常使用的办法是引入稳定安全系数。

2.1　钛制压力容器外压筒体稳定性分析

在进行钛制压力容器外压校核时，为解决强度不达要求的问题，可采用的方法有以下两种：一是增设加强圈；二是加大筒体壁厚。现对以上两种方法进行具体分析。

通过理论外压计算分析，分别对壳体按增设加强圈和增加壳体壁厚两种方案进行探讨。增设加强圈相比较于增加筒体壁厚，筒体总重增加较少。很显然，增设加强圈比增加圆筒厚度更节省材料。对于钛这种贵重有色金属，此方法更为经济。此外加强圈还可减少大直径薄壁容器的形状缺陷影响，提高结构的可靠性。

2.2　钛制压力容器凸形封头稳定性分析

椭圆形封头在内压作用下，由于趋圆效应，会在椭圆形封头底边产生周向压缩应力（在封头的过渡区这种现象最为显著），这种周向的压缩应力可能引起封头的周向失稳。椭圆形封头在外压作用下，长轴方向有伸长的趋势，同时周向存在拉伸应力的作用，通常情况下周向失稳问题在过渡区基本不存在。但是，封头位置的受力情况不同，在封头中心部分，短轴方向存在压缩倾向，压缩应力在径向和周向都存在，由此带来中心部位的失稳问题。可以看出，在主要考虑外压的钛制压力容器设计中，短圆筒的临界压力要大于长圆筒，在外压圆筒上加设加强圈能够有效提高圆筒容器的稳定性，而且相较于增加筒体厚度的方法，更加经济。

3　结束语

本文在一般压力容器稳定性分析的基础上，详细阐述了钛制压力容器外压筒体和凸形封头的稳定性分析，希望能给今后从事钛制压力容器设计的工作人员提供一定的参考和借鉴。

参考文献

[1]谢全利. 压力容器稳定性分析[J]. 化工设备与管道，2009，46（2）：9-11.

[2]刘凡. 应变强化压力容器的稳定性研究 [D]. 华南理工大学，2012.

钛制压力容器的稳定性设计探析

王娜1　马锐2　张金晓2

1.沈阳派司钛设备有限公司　辽宁　沈阳　110168

2.铁岭黄海专用车制造有限公司　辽宁　铁岭　112609

摘要：本文从常规压力容器稳定性分析入手，深入研究了钛制压力容器稳定性分析的常用手段，并就钛制压力容器外压筒体和凸形封头的稳定性进行了详细的探讨。

关键词：钛制　压力容器　稳定性

Discussion on stability design of titanium pressure vessel

Wang Na 1，Ma Rui 2，Zhang Jinxiao 2

1. Shenyang Pass Titanium Equipment Co.，Ltd. Shenyang 110168，China

Abstract：This paper starts from the analysis of conventional pressure vessel stability，and gives an in-depth study on the stability analysis of pressure vessel made of Titanium，and then discusses the stability on the external pressure cylinder and convex head of titanium-made pressure vessel in detail.

Key words：Titanium-made；pressure vessels；stability