一種小型壓力容器的設(shè)計(jì)與研究

劉曉芳

（宜昌測試技術(shù)研究所，湖北宜昌 443003）

一種小型壓力容器的設(shè)計(jì)與研究

劉曉芳

（宜昌測試技術(shù)研究所，湖北宜昌 443003）

簡要說明了一種小型壓力容器的組成，并詳細(xì)介紹了壓力容器的試驗(yàn)過程，對其壓力試驗(yàn)中出現(xiàn)泄漏的原因進(jìn)行了理論與ANSYS分析，且根據(jù)分析結(jié)果提出了優(yōu)化改進(jìn)方法，并重新做了壓力檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化改進(jìn)后的壓力容器滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

壓力容器；泄漏；改進(jìn)

1 概述

在人口膨脹、資源短缺和環(huán)境污染日益突出的今天，海洋開發(fā)受到沿海各國的高度重視，我國已經(jīng)把海洋開發(fā)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略[1]。為探索海洋秘密，就必須對海底沉積層構(gòu)造進(jìn)行探測和觀察，這樣就要使測試設(shè)備處于水下一定深度范圍內(nèi)工作。為開發(fā)的需求，各種水下平臺(tái)、水中探測設(shè)備便不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用。然而，無論何種水下平臺(tái)和探測設(shè)備在其進(jìn)行探測試驗(yàn)前，都必須對其關(guān)重件的密封性能及整體耐壓密封性能進(jìn)行驗(yàn)證，在滿足耐壓密封要求后，才能下水進(jìn)行探測。因此針對水下探測設(shè)備耐壓密封性能測試的壓力容器的研制便顯得十分重要。

本文主要是針對小型海洋探測設(shè)備關(guān)重件的耐壓密封試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)了一種小型壓力容器，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，最終滿足了技術(shù)指標(biāo)要求。

圖1 壓力容器整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)組成

壓力容器主要由筒體、卡箍、上端蓋、蓋板、O形圈及吊環(huán)等組成，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中上端蓋與筒體、蓋板與上端蓋均采用端面O形圈密封形式，O形圈溝槽尺寸均按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；同時(shí)上端蓋與筒體的緊固采用了卡箍壓緊方式來實(shí)現(xiàn)，這樣設(shè)計(jì)的目的是使壓力容器的安裝及拆卸方便，若采用傳統(tǒng)的法蘭聯(lián)接，拆裝將相當(dāng)復(fù)雜。上端蓋及卡箍的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2、圖3所示。上端蓋設(shè)計(jì)有兩個(gè)連接孔，分別為加壓孔和排氣孔，其中加壓孔與活塞式壓力計(jì)連接，通過活塞式壓力計(jì)可向壓力釜內(nèi)加液壓油，當(dāng)排氣孔開始冒油時(shí)，說明壓力容器內(nèi)已灌滿液壓油，此時(shí)可用專用堵頭將排氣孔堵住，再通過活塞式壓力計(jì)向壓力釜內(nèi)加壓至設(shè)定壓力，從而實(shí)現(xiàn)對探測設(shè)備的耐壓密封試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后同樣也是通過活塞式壓力計(jì)將壓力釜內(nèi)的壓力卸掉。裝配時(shí)，首先將要做耐壓密封測試的設(shè)備放在筒體內(nèi)，并灌一定量的液壓油，再在筒體上裝配好配套的O形密封圈，然后通過吊環(huán)將上端蓋安置在筒體上面并保證上端蓋與筒體對齊，再安裝好兩個(gè)半環(huán)卡箍使上端蓋與筒體壓緊，最后安裝蓋板，完成整體裝配。

圖2 上端蓋結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 卡箍結(jié)構(gòu)示意圖

壓力容器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

壓力≥20 MPa；筒體內(nèi)徑≥?350 mm；筒體內(nèi)部高度≥250 mm。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中筒體內(nèi)徑為?350 mm，筒體總高度為275 mm，筒體壁厚為25 mm，采用合金結(jié)構(gòu)鋼40 Cr加工制造，其屈服極限σs為785 MPa；上端蓋同樣采用合金結(jié)構(gòu)鋼40 Cr加工制造，兩端厚度為25 mm，其中與蓋板連接處的厚度為40 mm。蓋板采用合金結(jié)構(gòu)鋼40 Cr加工制造，厚度為27 mm。

3 試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

壓力容器加工完成后，對其進(jìn)行加壓檢驗(yàn)，以確認(rèn)樣機(jī)是否滿足指標(biāo)要求。壓力容器裝配完成后，通過活塞式壓力計(jì)給壓力容器內(nèi)部加壓，當(dāng)壓力達(dá)到15 MPa后，壓力容器內(nèi)的壓力上升速度明顯變慢，并出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在15 MPa～16 MPa之間來回晃動(dòng)，再加壓一段時(shí)間后，液壓油從卡箍處漏出，壓力迅速下降。將壓力容器內(nèi)壓力卸完后，拆開發(fā)現(xiàn)O形圈局部被擠壓扁，并斷裂。

原因分析：壓力容器內(nèi)的壓力逐漸增加時(shí)，上端蓋和筒體在內(nèi)壓作用下會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)壓力達(dá)到15 MPa后，上端蓋和筒體之間因變形產(chǎn)生的縫隙達(dá)到一定值，此時(shí)O形圈在液壓油的壓力下被擠出O形圈槽并進(jìn)入到上端蓋和筒體之間的縫隙內(nèi)，從而被壓扁；繼續(xù)向壓力容器內(nèi)加壓，O形圈則繼續(xù)沿縫隙向外擴(kuò)張，直至斷裂，液壓油從縫隙向外泄漏。為驗(yàn)證原因分析是否正確，并為下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，對壓力容器進(jìn)行了ANSYS仿真分析[2-3]，圖4為筒體受內(nèi)壓15 MPa時(shí)的應(yīng)力分析，可以看出最大應(yīng)力（筒體底部）為428 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服極限σs，因此筒體強(qiáng)度滿足要求[4]。圖5為筒體受內(nèi)壓15 MPa時(shí)的位移變化分析，可以看出在O形圈內(nèi)側(cè)，位移量約為0.08 mm。圖6、圖7分別為上端蓋的應(yīng)力、位移變化仿真分析，可以看出上端蓋最大應(yīng)力為275 MPa，滿足強(qiáng)度要求，O形圈密封處最大位移變化量約為0.12 mm。從仿真分析結(jié)果可以看出，當(dāng)壓力容器內(nèi)壓力達(dá)到15 MPa時(shí)，O形圈處因筒體和上端蓋變形所產(chǎn)生的間隙約為：d=0.08 mm+ 0.12 mm=0.2 mm。此處O形圈的尺寸為?365 mm× 5.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)槽深為4.24mm，其標(biāo)準(zhǔn)壓縮量為20%，當(dāng)壓力增大至15 MPa產(chǎn)生間隙后，其壓縮量減小至約16%，壓縮量減少導(dǎo)致了O形圈密封不住，所以出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，這與上述分析結(jié)果一致。

圖4 筒體應(yīng)力分析

圖5 筒體位移變化分析

圖6 上端蓋應(yīng)力分析

圖7 上端蓋位移變化分析

針對上述分析的原因，采取了以下兩種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖8 優(yōu)化后的上端蓋結(jié)構(gòu)示意圖

（1）增加上端蓋的剛度，減小受壓下的位移變化量

因上端蓋受壓下變形較大，因此需要增加其剛度，減少位移變化量，增加O形圈的壓縮量，從而達(dá)到密封效果。重新設(shè)計(jì)的上端蓋結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。其兩端厚度由原來的25 mm增加至45 mm，其中與蓋板連接處的厚度由原來40 mm增加至75 mm，并在20 MPa內(nèi)壓下進(jìn)行了仿真計(jì)算（如圖9所示），可以看出O形圈密封處最大位移變化量約為0.05 mm，位移變化量大大減小。

圖9 優(yōu)化后的上端蓋位移變化分析

（2）在筒體上增加一道O形密封圈及增加金屬擋圈

因筒體加工難度大且成本高，因此本次改進(jìn)不重新設(shè)計(jì)筒體，只對原筒體進(jìn)行局部改動(dòng)，改進(jìn)內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面，一是在原O形圈外側(cè)再增加一道O形密封圈，原因?yàn)樵璒形圈外側(cè)筒體及上端蓋在內(nèi)壓作用下其位移變化量要小得多，有利于O形圈密封。二是擴(kuò)大原O形圈槽的寬度，以便安裝金屬擋圈[5]，其目的是通過金屬擋圈來阻止O形圈在內(nèi)壓作用下擠入到筒體與上端蓋間的縫隙內(nèi)，從而確保密封。優(yōu)化后的筒體結(jié)構(gòu)局部剖面示意圖如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的筒體局部剖面示意圖

在完成壓力容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，再次對其進(jìn)行加壓檢驗(yàn)，以確認(rèn)優(yōu)化后的壓力容器是否滿足指標(biāo)要求。通過活塞式壓力計(jì)對壓力容器進(jìn)行加壓至20 MPa，并保壓12小時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓力容器保壓效果良好。試驗(yàn)結(jié)束后拆開壓力容器，檢查O形密封圈，發(fā)現(xiàn)其并無擠壓損壞痕跡，通過加壓檢驗(yàn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化后的壓力容器滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

利用ANSYS分析了一種小型壓力容器在壓力試驗(yàn)過程中出現(xiàn)泄漏的原因，其與理論分析結(jié)果一致，并根據(jù)分析結(jié)果對壓力容器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對優(yōu)化改進(jìn)后壓力容器進(jìn)行了壓力試驗(yàn)，其滿足試驗(yàn)指標(biāo)要求。

［1］羅冬梅，汪文學(xué)，高雄善裕.深海鈦合金壓力容器在靜水壓力作用下的彈塑性分析［J］.船舶力學(xué)，2009，13（4）：603-608.

［2］緱林虎，鄭錫濤，程勇.平面纏繞炭纖維壓力容器大變形有限元分析［J］.固體火箭技術(shù)，2010，33（2）：205-208.

［3］駱曉玲，劉亮亮.復(fù)合材料壓力容器的性能分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（5）：220-222.

［4］朱瑞林.圓筒形壓力容器自增強(qiáng)若干問題研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（6）：126-133.

［5］金志江，韓樹新.基于循環(huán)J積分的壓力容哭疲勞壽命預(yù)測的數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（10）：191-195.

The Design and Research of a Minitype Pressure Vessel

LIU Xiao-fang
（Yichang Testing Technique Research Institute，Yichang 443003，China）

The article introduces the compose of a minitype pressure vessel and particular explain the test process， the theory and ANSYS analyse have done for the leak reason，and raise the optimize methods according as the analysis result，and rework the pressure test.The test result indicates that the optimize pressure vessel has achieved the request.

pressure vessel；leak；improvement

TH49

：A

：1009－9492(2014)11－0048－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.013

劉曉芳，女，1980年生，吉林長春人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文2篇。

(編輯：阮 毅)

2014－07－05