CN108825777A - 一种新型预应力超高压绕丝容器的筒体结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型的预应力超高压绕丝容器的筒体结构：通过改变筒体端面的斜度，使得缠绕层预紧高度高于内筒内壁承压面高度。在容器与筒体容积及内径一定的条件下，通过一种筒体厚度和钢丝层层数调整优化的试算方法得到一组不同尺寸参数的平端面结构和斜端面结构的模型。采用ANSYS有限元模拟软件对不同结构进行模拟仿真。模拟结果显表明：要达到相同的承载要求，采用斜端面结构代替平端面结构，承压要求所需的内筒厚度和钢丝层层数相比较平端面都可以减小，钢丝层和筒体的总质量下降范围约在10.01％‑17.77％。改变后的斜端面筒体结构采用一种三角垫+空心金属O型环相结合的硬密封+软密封的密封结构，既能承受很高的压力，又能保证良好地密封性能。

Description

一种新型预应力超高压绕丝容器的筒体结构

技术领域：

本发明属于压力容器设备领域，是一种预应力超高压容器。

背景技术：

随着近代技术的快速发展，超高压容器在化学工业、石油化学工业、材料加工等领域中使用越来越广泛。在正常工作下，超高压容器的内壁面承受着较高的压力，一般达到100Mpa以上，如何保证在超高内压下提高压力容器的承载能力一直是研究的热点。按照常规的弹性设计理论，只增大容器壁厚，对超高压容器提高屈服承载能力是有限的，容易导致应力沿壁厚方向分布的不均匀性，降低对容器材料的利用率与承载能力，同时在内壁面附近或者结构突变处产生应力集中现象明显，催生内壁面疲劳裂纹拓展。

绕卷式预应力结构就是使用钢丝或者钢带作为外层材料，用高强度扁钢丝按照预定的预拉紧力逐层缠绕在内筒上，依靠预拉紧力及缠绕层的弹性收缩对内筒施加外压，使内筒产生预紧压应力，该预紧压应力可以抵消工作状态下内筒受到的由内压产生的拉应力，实现均匀筒壁中应力的目的，从而提高了筒体的强度。

在工业生产中厚壁压力容器所承受的工作压力往往高达几百上千兆帕，因此对于极端工作条件下的超大容积、超大壁厚的超高压容器设备的制造、维护以及轻量化成为其主要的技术难题。钢丝以一定初应力缠绕平端面的超高压容器的时候，为了防止缠绕层钢丝脱落，筒体两端会设计有一定厚度的突缘，这种情况下缠绕后的钢丝层高度会小于内筒内壁的高度，钢丝缠绕层对内筒的预紧能力较弱，无法对内筒端部产生有效预紧。

发明内容：

为了增强缠绕层对内筒的预紧作用，进而通过减少内筒以及缠绕层的厚度达到减轻结构质量，降低制造成本的目的，本发明提出在使用钢丝缠绕式预应力结构的基础之上，对筒体端面结构设计提出新的方案：改变筒体端面斜度，将筒体端面加工成斜面，使平端面结构改为斜端面结构，扁钢丝以一定的张力缠绕在内筒体上，使缠绕层预紧高度高于内筒内壁承压面高度，使内筒获得更好地预应力效果。内筒具有一定的环向压缩应力，内部筒体可以承受更大的工作压力，提高了整个筒体的承压能力和疲劳寿命，

运用有限元模拟软件ANSYS的结构模块对多种尺寸模型开展模拟，模拟结果显示：在内筒半径及容积一定的条件下，要达到相同的承载要求，采用斜端面结构代替平端面结构，所需的筒体厚度及缠绕钢丝层层数均可减小，使得钢丝层和筒体的总质量下降范围约在10.01％-17.77％。

O型环密封是一种最为常见的密封，它具有结构简单、自紧性好及适应性强的特点，已在大直径、高压高温容器中得到应用。如果在金属O型环的内侧钻有若干径向小孔，而产生自紧性，只要法兰和紧固件有足够的强度和刚度，理论上可以用来密封很高的压力。这种O型环称作自紧式O型环。改变后的斜端面结构筒体采用空心金属O型环+三角垫组合的形式，实现硬密封和软密封相结合，即能承受高压，又能保证界面无不泄漏。

本发明结构特点：有一个两端加工成斜面的内筒体，使用扁钢丝以一定的张力缠绕在内筒体上，使得筒体具有一定的环向压缩应力，内部筒体可以承受更大的工作压力，提高了整个筒体的承压能力和疲劳寿命，并且在最外层钢丝上涂上防腐材料。筒体端部和端盖采用螺栓连接，密封形式采用O型环和三角垫组合的硬密封与软密封相结合的密封形式。

本发明具有的优势是：在钢丝缠绕初张力不变，内筒半径及容积一定的情况下，采用斜端面结构，由于外层缠绕层的高度可以大于内筒承压面的高度，使得该结构与平端面结构相比，预紧效果更好，同样承载能力要求情况下，所需的筒体厚度及缠绕钢丝层层数均可减小，从而可以达到降低制造成本，实现筒体轻量化的目的。

附图说明

图1为预应力超高压挤压筒结构图

图中(1)螺母，(2)垫圈，(3)筒体，(4)螺栓，(5)扁钢丝缠绕层，(6)防腐涂层扁钢丝，(7) 外护板，(8)端盖，(9)带径向孔的金属O型环，(10)三角垫。

具体实施方式：

下面结合结构示意图对预应力超高压筒体结构进行进一步描述。

本发明中内筒上缠有钢丝层5，防腐材料6涂与最外层钢丝上，外护板7包覆于防腐材料6上，它由两毫米的厚钢板卷制拼焊而成，两端焊接在内筒体的凸缘上，外壳焊接密封无泄漏。筒体端部和端盖采用螺栓连接，，密封形式采用空心金属O型环+三角垫组合的形式。钢丝层5的预紧高度高于筒体3承压内壁的高度，可以增强钢丝层对内筒预紧作用。预紧时，依靠螺栓连接筒体端部和端盖，螺栓上紧时，压紧垫片产生预紧密封比压；同时，O型环和三角垫受到压力作用压紧而变形，回弹时也会产生预紧密封压力，实现初始密封。工作时，介质可以进入带径向孔的金属O型环，依靠介质压力使环张开，贴紧密封面，实现轴向自紧密封，同时三角垫受介质压力，压紧斜面上，进一步实现径向自紧密封，采用空心金属O型环 +三角垫组合实现硬密封和软密封相结合，即能承受高压，又能保证界面无不泄漏。

Claims (4)

1.一种新型的预应力超高压绕丝容器的筒体结构，结构特征：不同于传统的平端面结构，改变端面斜度，采用斜端面结构，使得钢丝绕层预紧高度高于内筒内壁承压面高度。

2.根据权利要求1所述的基于筒体承载要求及筒体内容积和内径一定的条件下，实现筒体厚度和钢丝层层数调整优化的一种试算方法。

3.根据权利要求1、2所述的一种预应力超高压绕丝容器的筒体结构，一种结合有限元仿真软件验证两种端面结构的应力分析的一种模拟方法。

4.一种三角垫+空心金属O型环相结合的硬密封与软密封相结合的密封结构，既能承受很高的压力，又能保证良好地密封性能。