一種防止超高壓容器薄壁內筒失穩的方法
2023-06-12 20:26:56 2
專利名稱：一種防止超高壓容器薄壁內筒失穩的方法
技術領域：
本發明涉及一種超高壓容器的設計方法，具體的說是一種防止超高壓容器薄壁內筒失穩的設計方法。
背景技術：
對用於食品、生物加工的超高壓容器，其內壁需耐蝕，衛生；有些高壓化學反應用到高腐蝕性介質，需在高壓反應器的內壁襯高耐蝕材料。因此超高壓容器/反應器的內壁耐蝕設計在生物、食品、醫藥、化工領域是經常遇到的問題。一個簡單的辦法似乎是將超高壓容器/反應器整體用高合金超高強度鋼製造，例如馬氏體時效不鏽鋼、鈦合金等。但高合金超高強度鋼多要求真空冶煉和重熔，而超過10噸的真空自耗爐很少，對容積大於500L、工作壓力達600MPa級的超高壓容器，即便是採用纏繞式結構，其內筒鍛件的自重也多在10噸以上。這樣，若用高合金超高強度鋼製造大型超高壓容器的整體鍛件就很困難。人們想到了採用內、外兩層的筒體結構，內筒用高合金超高強度鋼製造，外筒用低合金超高強度鋼製造，如圖I所示。內筒與外筒一起承內壓時，設計主要關注點在結構強度和材料疲勞失效問題。但內筒往往還會受外壓，例如外部有預應力鋼絲纏繞層的內筒、熱套的內筒均會受外壓。超高壓容器受外壓，設計時不僅要考慮爆破強度、塑性變形和疲勞損傷問題，還要消除筒體的失穩之虞。當內筒的外徑與內徑之比K < I. 2 (通常視為薄壁容器)時，外壓若超過某個較小限值，就可能發生內筒失穩，即發生波紋狀內陷塌癟。要保證內筒不失穩，通常需將內筒徑比K取得很大(K越大，內筒壁越厚)，一旦內筒徑比K增大，勢必帶來筒體不易製造和成本過高的問題。工程界希望找到一種既能將內筒做薄(例如內筒徑比小於I. 2)，又不致失穩的超高壓容器設計新方法。
發明內容
本發明旨在提供一種既能將內筒做薄(徑比小於I. 2)，又不致失穩的超高壓容器的設計方法，所要解決的技術問題是保證內筒能承受一定限度的外壓而不致失穩。本發明是讓內筒有一定柔性，但始終不失穩定。即在內筒的周向和軸向設置若干波紋結構，利用波紋的膨脹或收縮削減內筒的軸向和周向應力；將內外筒間隙設計成封閉空間，並在此空間內充滿耐壓液體，傳遞內筒所受壓力、降低工作時內筒內外壁的壓力差，卸壓時協助波紋恢復原狀，從而給出一種既能降低內筒壁厚又不致失穩的超高壓容器設計方法。本設計方法包括薄壁內筒I (為敘述方便下簡稱內筒I)的設計和外筒2的設計，與現有技術的區別是在內筒I上設置波紋結構3，在內外筒之間預留有間隙並兩端封閉形成封閉空間4，在封閉空間4內充滿耐壓液體5。所述的在內筒上設置波紋結構是指在內筒的周向(筒壁圓周方向)和軸向(筒壁母線方向)中至少一個方向上設置N條凹槽式波紋3，N > I。優選在內筒的周向和軸向兩方向上各設置N條凹槽式波紋3，N彡1，如圖2所示。周向波紋為環狀，如圖3所示。軸向波紋縱貫母線，如圖4所示。波紋的斷面形狀選自圓弧形、U形或V形等形狀。封閉空間充填的耐壓液體包括但不限於液壓油、蓖麻油、癸二酸二辛酯、甘油、乙二醇或它們之間的混合物。波紋的補償作用如圖5所示。
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當內筒處於非工作狀態時，靜態開口寬度為LI ；當內筒受內壓變形狀態時，此時波紋開口寬度為L2 ；由於工作開口寬度L2大於靜態開口寬度LI，內筒的周向變形得以補償，故周向應力被削弱。同理，周向波紋開口寬度的變化，可以補償內筒軸向受力所產生的變形。對於多個波紋，其開口的總自由伸縮量，足以補償或削減內筒承壓或卸壓時在周向或軸向的總變形量。當卸除內壓時，充滿於封閉空間的液體液壓協助波紋恢復原狀，卸壓後在非工作狀態下封閉空間內的液體為常壓。本設計方法利用波紋的宏觀變形降低內筒所受周向和軸向應力、利用層間充液傳遞內外筒間壓力、減少內筒的內外壁壓力差，層間的液壓協助內筒在卸壓時恢復原狀，多方面共同作用保證內筒不失穩。本設計方法可降低內筒厚度，減少高合金材料；提高內筒的抗疲勞性能。例如，薄壁內筒用超高強度不鏽鋼製作，外筒用低合金超高強度鋼製造，比內、外筒全部用超高強度不鏽鋼製造，可降低設備成本。薄壁內筒與厚壁內筒相比，也可減少高合金鋼材消耗；此外內筒做成薄壁，若有磨損或損傷也便於更換。
四
圖I是雙筒式超高壓容器結構示意圖。圖2是本發明設計的防薄壁內筒失穩的超高壓容器結構示意圖。圖3是本發明設計的內筒周向波紋結構示意圖。圖4是本發明設計的內筒軸向波紋結構示意圖。圖5是內筒波紋補償作用原理圖。
五具體實施例方式非限定實施例敘述如下I、內筒內徑0.300 mm，材料為超高強度不鏽鋼，壁厚2 3mm，設周向波紋和軸向波紋各I個，波紋斷面形狀均為U型，靜態開口寬度4 8mm ;外筒採用低合金超高強度鋼製造，外徑0950 mm;內外筒間隙O. 5 2mm，內外筒間隙所形成的封閉空間內充滿液壓油。此結構耐壓達400MPa。2、內筒內徑0350mm，採用超高強度不鏽鋼製造，壁厚2 4mm，內筒對稱設置軸向波紋2個，波紋斷面形狀均為圓弧型，靜態開口寬度5 IOmm ;外筒採用炮鋼製造，外徑
01400111111;內外筒間隙0.5 3臟，內外筒所形成的封閉空間內充滿蓖麻油。此結構耐壓達700MPa。
權利要求
1.一種防止超高壓容器薄壁內筒失穩的方法，容器包括薄壁內筒(I)和外筒(2)，其特徵在於在薄壁內筒(I)上設置波紋結構(3)，在內外筒之間預留有間隙並兩端封閉形成封閉空間(4 )，在封閉空間(4 )內充滿耐壓液體(5 )。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於在薄壁內筒的周向和軸向中至少一個方向上設置N條凹槽式波紋(3)，N≥I。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於在薄壁內筒的周向和軸向兩方向上各設置N條凹槽式波紋(3)，N≥I。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在于波紋開口的總自由伸縮量，足以補償或削減內筒承壓或卸壓時在周向或軸向的總變形量。
5.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於封閉空間(4)內充填的耐壓液體選自液壓油、蓖麻油、癸二酸二辛酯、甘油、乙二醇或它們之間的混合物。
全文摘要
一種防止超高壓容器薄壁內筒失穩的方法，容器包括薄壁內筒(1)和外筒(2)，其特徵在於在薄壁內筒(1)上設置波紋結構(3)，在內外筒之間預留有間隙並兩端封閉形成封閉空間(4)，在封閉空間(4)內充滿耐壓液體(5)。本方法利用波紋的宏觀變形降低內筒所受周向和軸向應力、利用層間充液傳遞內外筒間壓力、減少內筒的內外壁壓力差，層間的液壓協助內筒在卸壓時恢復原狀，多方面共同作用保證內筒不失穩。
文檔編號B01J3/04GK102784593SQ20121027914
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者潘見 申請人:潘見