超高壓試驗(yàn)裝置的應(yīng)力分布和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牛菲（沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽110801）

超高壓試驗(yàn)裝置的應(yīng)力分布和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牛菲（沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽110801）

本文簡述了超高壓試驗(yàn)裝置的主要結(jié)構(gòu)組成，分析了超高壓試驗(yàn)裝置在生產(chǎn)中存在以下幾個(gè)問題。針對(duì)現(xiàn)階段存在的相關(guān)問題提出了新的解決辦法，即：采用自增強(qiáng)處理和縮套裝置相結(jié)合的方法。同時(shí)提供了超高壓試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法，并給出了相關(guān)計(jì)算，得出了該方案的可行性，解決了現(xiàn)有技術(shù)中難點(diǎn)問題。

超高壓容器；密封結(jié)構(gòu)

1 超高壓試驗(yàn)裝置的特征分析

(1)超高壓試驗(yàn)裝置方案針對(duì)其研究重點(diǎn)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行制定。

超高壓試驗(yàn)裝置的應(yīng)力分布具有如下特點(diǎn)：首先裝置所受的周向應(yīng)力為其承受的三個(gè)應(yīng)力中最大的一個(gè)，而內(nèi)壁應(yīng)力又是周向應(yīng)力分布中最大的，此外應(yīng)力沿裝置壁厚分布很不均勻，隨著內(nèi)徑的增大，不均勻程度變得更為嚴(yán)重。針對(duì)以上問題，超高壓試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)該是改變其結(jié)構(gòu)形式，從而改變應(yīng)力分布；而不是單純的增加材料的厚度和強(qiáng)度。

(2)超高壓試驗(yàn)裝置的另一個(gè)重要組成部分是密封機(jī)構(gòu)。密封的合理性直接決定試驗(yàn)裝置能否正常運(yùn)行。密封機(jī)構(gòu)主要研究以下三點(diǎn)：①.大直徑密封；②.提高使用安全可靠性的密封機(jī)理；③.在震動(dòng)、變載荷以及高壓等極端條件下使用的密封結(jié)構(gòu)。目前，密封結(jié)構(gòu)的主要研究方向是：根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，包括裝置直徑、壓力、溫度、材料匹配、制造和維修能力進(jìn)行合理選擇。

本文在裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了創(chuàng)新。本課題采用了預(yù)應(yīng)力法來改善裝置的應(yīng)力分布，提高圓筒的承載能力。通常采用縮套裝置和自增強(qiáng)處理兩類辦法來使厚壁圓筒產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。本文采用自增強(qiáng)處理和縮套裝置相結(jié)合的方法，通過確定徑向幾何尺寸，確定自增強(qiáng)條件和初始屈服壓力以及最佳彈塑性界面的半徑，進(jìn)而求出最佳自增強(qiáng)壓力，同時(shí)分析了雙層縮套裝置的應(yīng)力計(jì)算條件，討論最佳化設(shè)計(jì)條件，得到最大過盈量的計(jì)算公式。

艙門和密封機(jī)構(gòu)：超高壓試驗(yàn)裝置艙門的選擇需改善裝置端部的應(yīng)力分布，增加裝置端部強(qiáng)度。由于超高壓裝置軸向載荷很大、高壓密封較復(fù)雜性，我們對(duì)受力模型分析并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確定采取用了新型的密封機(jī)構(gòu)。

2 具體實(shí)施方式及實(shí)例計(jì)算

本文結(jié)合具體實(shí)施例，做了一下分析計(jì)算。

例：已知條件為：工作內(nèi)壓pi=160MPa，材料3Cr13屈服極限δs=835MPa，強(qiáng)度極限δb=980MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，超高壓裝置內(nèi)徑（半徑）ri=23/2=11.5mm.

估算徑比k值，確定超高壓裝置的尺寸

取爆破安全系數(shù)nb=2.5

則爆破壓力為PB=nbp1

由Faupel-Furbe公式

得lnk=0.3613

所以k=e0.8583=1.435

由于超高壓裝置內(nèi)徑（半徑）為ri=15mmm

將城市綠化工作正式納入法制管理中的是在1992年5月通過的《城市綠化條例》，它是新中國成立以來第一個(gè)有關(guān)城市綠化的法規(guī)。同年，建設(shè)部發(fā)布了CJJ 48—1992《公園設(shè)計(jì)規(guī)范》，確保公園能夠全面發(fā)揮游憩和改善環(huán)境的功能，同年又開展了“創(chuàng)建‘園林城市’”的工作，以此帶動(dòng)各地風(fēng)景園林建設(shè)水平的提升。1995年，建設(shè)部印發(fā)了《城市園林綠化企業(yè)資質(zhì)管理辦法》和《城市園林綠化企業(yè)資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，將園林綠化企業(yè)從建工企業(yè)中分離以來，各地相關(guān)部門也開始城市園林立法工作，地方性行政法規(guī)與行業(yè)規(guī)范進(jìn)入完善期。

則超高壓裝置外徑為r0=kri=2152.5

因此，超高壓裝置的內(nèi)外徑（直徑）分別為：

內(nèi)徑（直徑）：Di=3000mm

外徑（直徑）：Do=4305mm

下一步確定自增強(qiáng)條件和初始屈服壓力以及最佳彈塑性界面半徑

由于超高壓裝置在工作過程中，高壓液體的溫度最高不超過200℃，因此高壓鋼材料的彈性模量變化不大，可以近似認(rèn)為彈性模量保持不變。

A=2ln(rc/ri)=0.331

B=eA=1.39

所以，可得最佳自增強(qiáng)壓力

PA=δs（1+A-B/k2）=316MPa

△P=PA=316MPa＜Pf=348MPa；△P＞Ps

所以，該超高壓裝置自增強(qiáng)后不會(huì)出現(xiàn)反屈服現(xiàn)象，方案可行。

超高壓分體式齒嚙快速啟動(dòng)密封裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器相關(guān)的開啟與關(guān)閉的工作原理詳見相關(guān)文獻(xiàn)，本文不在贅述。

本文針對(duì)超高壓試驗(yàn)裝置在筒體應(yīng)力不均勻的問題上進(jìn)行分析，并列舉實(shí)例做了自增強(qiáng)實(shí)例的計(jì)算分析，在密封結(jié)構(gòu)上提出了新型密封結(jié)構(gòu)并做了詳細(xì)說明。本文通過列舉實(shí)例說明采用自增強(qiáng)處理和縮套裝置相結(jié)合的方法在現(xiàn)實(shí)工作當(dāng)中的可行性。

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[5]馬歆，《自保護(hù)快速啟閉式超高壓海產(chǎn)品加工容器關(guān)鍵技術(shù)研究》，2006.08.01

[6]馬麗娟，《超高壓容器損傷自增強(qiáng)的應(yīng)力分析》，2008.03.29

[7]王戰(zhàn)軍《超高壓反應(yīng)器管疲勞性能分析及自增強(qiáng)》2003.02.20