CN102784593A - 一种防止超高压容器薄壁内筒失稳的方法 - Google Patents
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Abstract
一种防止超高压容器薄壁内筒失稳的方法，容器包括薄壁内筒（1）和外筒（2），其特征在于：在薄壁内筒（1）上设置波纹结构（3），在内外筒之间预留有间隙并两端封闭形成封闭空间（4），在封闭空间（4）内充满耐压液体（5）。本方法利用波纹的宏观变形降低内筒所受周向和轴向应力、利用层间充液传递内外筒间压力、减少内筒的内外壁压力差，层间的液压协助内筒在卸压时恢复原状，多方面共同作用保证内筒不失稳。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种超高压容器的设计方法，具体的说是一种防止超高压容器薄壁内筒失稳的设计方法。
二、背景技术
对用于食品、生物加工的超高压容器，其内壁需耐蚀，卫生；有些高压化学反应用到高腐蚀性介质，需在高压反应器的内壁衬高耐蚀材料。因此超高压容器/反应器的内壁耐蚀设计在生物、食品、医药、化工领域是经常遇到的问题。
一个简单的办法似乎是将超高压容器/反应器整体用高合金超高强度钢制造，例如马氏体时效不锈钢、钛合金等。但高合金超高强度钢多要求真空冶炼和重熔，而超过10吨的真空自耗炉很少，对容积大于500L、工作压力达600MPa级的超高压容器，即便是采用缠绕式结构，其内筒锻件的自重也多在10吨以上。这样，若用高合金超高强度钢制造大型超高压容器的整体锻件就很困难。
人们想到了采用内、外两层的筒体结构，内筒用高合金超高强度钢制造，外筒用低合金超高强度钢制造，如图1所示。
内筒与外筒一起承内压时，设计主要关注点在结构强度和材料疲劳失效问题。但内筒往往还会受外压，例如外部有预应力钢丝缠绕层的内筒、热套的内筒均会受外压。超高压容器受外压，设计时不仅要考虑爆破强度、塑性变形和疲劳损伤问题，还要消除筒体的失稳之虞。
当内筒的外径与内径之比K＜1.2（通常视为薄壁容器）时，外压若超过某个较小限值，就可能发生内筒失稳，即发生波纹状内陷塌瘪。要保证内筒不失稳，通常需将内筒径比K取得很大（K越大，内筒壁越厚），一旦内筒径比K增大，势必带来筒体不易制造和成本过高的问题。
工程界希望找到一种既能将内筒做薄（例如内筒径比小于1.2），又不致失稳的超高压容器设计新方法。
三、发明内容
本发明旨在提供一种既能将内筒做薄（径比小于1.2），又不致失稳的超高压容器的设计方法，所要解决的技术问题是保证内筒能承受一定限度的外压而不致失稳。
本发明是让内筒有一定柔性，但始终不失稳定。即在内筒的周向和轴向设置若干波纹结构，利用波纹的膨胀或收缩削减内筒的轴向和周向应力；将内外筒间隙设计成封闭空间，并在此空间内充满耐压液体，传递内筒所受压力、降低工作时内筒内外壁的压力差，卸压时协助波纹恢复原状，从而给出一种既能降低内筒壁厚又不致失稳的超高压容器设计方法。
本设计方法包括薄壁内筒1（为叙述方便下简称内筒1）的设计和外筒2的设计，与现有技术的区别是在内筒1上设置波纹结构3，在内外筒之间预留有间隙并两端封闭形成封闭空间4，在封闭空间4内充满耐压液体5。
所述的在内筒上设置波纹结构是指在内筒的周向（筒壁圆周方向）和轴向（筒壁母线方向）中至少一个方向上设置N条凹槽式波纹3，N≥1。
优选在内筒的周向和轴向两方向上各设置N条凹槽式波纹3，N≥1，如图2所示。
周向波纹为环状，如图3所示。轴向波纹纵贯母线，如图4所示。
波纹的断面形状选自圆弧形、U形或V形等形状。
封闭空间充填的耐压液体包括但不限于液压油、蓖麻油、癸二酸二辛酯、甘油、乙二醇或它们之间的混合物。
波纹的补偿作用如图5所示。
当内筒处于非工作状态时，静态开口宽度为L1；当内筒受内压变形状态时，此时波纹开口宽度为L2；由于工作开口宽度L2大于静态开口宽度L1，内筒的周向变形得以补偿，故周向应力被削弱。
同理，周向波纹开口宽度的变化，可以补偿内筒轴向受力所产生的变形。
对于多个波纹，其开口的总自由伸缩量，足以补偿或削减内筒承压或卸压时在周向或轴向的总变形量。
当卸除内压时，充满于封闭空间的液体液压协助波纹恢复原状，卸压后在非工作状态下封闭空间内的液体为常压。
本设计方法利用波纹的宏观变形降低内筒所受周向和轴向应力、利用层间充液传递内外筒间压力、减少内筒的内外壁压力差，层间的液压协助内筒在卸压时恢复原状，多方面共同作用保证内筒不失稳。
本设计方法可降低内筒厚度，减少高合金材料；提高内筒的抗疲劳性能。例如，薄壁内筒用超高强度不锈钢制作，外筒用低合金超高强度钢制造，比内、外筒全部用超高强度不锈钢制造，可降低设备成本。薄壁内筒与厚壁内筒相比，也可减少高合金钢材消耗；此外内筒做成薄壁，若有磨损或损伤也便于更换。
四、附图说明
图1是双筒式超高压容器结构示意图。
图2是本发明设计的防薄壁内筒失稳的超高压容器结构示意图。
图3是本发明设计的内筒周向波纹结构示意图。
图4是本发明设计的内筒轴向波纹结构示意图。
图5是内筒波纹补偿作用原理图。
五、具体实施方式
非限定实施例叙述如下：
1、内筒内径材料为超高强度不锈钢，壁厚2～3mm，设周向波纹和轴向波纹各1个，波纹断面形状均为U型，静态开口宽度4～8mm；外筒采用低合金超高强度钢制造，外径
内外筒间隙0.5～2mm，内外筒间隙所形成的封闭空间内充满液压油。此结构耐压达400MPa。
2、内筒内径
采用超高强度不锈钢制造，壁厚2～4mm，内筒对称设置轴向波纹2个，波纹断面形状均为圆弧型,静态开口宽度5～10mm；外筒采用炮钢制造，外径
mm；内外筒间隙0.5~3mm，内外筒所形成的封闭空间内充满蓖麻油。此结构耐压达700MPa。
Claims (5)
1.一种防止超高压容器薄壁内筒失稳的方法，容器包括薄壁内筒（1）和外筒（2），其特征在于：在薄壁内筒（1）上设置波纹结构（3），在内外筒之间预留有间隙并两端封闭形成封闭空间（4），在封闭空间（4）内充满耐压液体（5）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在薄壁内筒的周向和轴向中至少一个方向上设置N条凹槽式波纹（3），N≥1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在薄壁内筒的周向和轴向两方向上各设置N条凹槽式波纹（3），N≥1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：波纹开口的总自由伸缩量，足以补偿或削减内筒承压或卸压时在周向或轴向的总变形量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：封闭空间（4）内充填的耐压液体选自液压油、蓖麻油、癸二酸二辛酯、甘油、乙二醇或它们之间的混合物。
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| CN107989997A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-05-04 | 南京理工大学 | 一种层间充液式超高压装置 |
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