外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗裝置的設(shè)計與應(yīng)用

唐 宇，盧泉澄，高 健，常哲浩，韓秋宇

外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗裝置的設(shè)計與應(yīng)用

唐 宇，盧泉澄，高 健，常哲浩，韓秋宇

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

設(shè)計研制了一種新型外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗裝置，用于測量外壓容器失穩(wěn)時的臨界壓力值。介紹了該裝置的主要結(jié)構(gòu)、密封部件、工作原理及其操作應(yīng)用，運(yùn)用ANSYS軟件對該裝置的密封部件進(jìn)行了分析計算和強(qiáng)度校核。實(shí)踐表明，該裝置的密封部件性能良好可靠，可完成容器在真空狀態(tài)和外壓狀態(tài)兩種工況下的失穩(wěn)。

外壓容器；失穩(wěn)失效；臨界壓力；密封性能；有限元分析

外壓容器的失穩(wěn)是指容器的內(nèi)部壓力低于外部壓力，當(dāng)內(nèi)外壓差達(dá)到一定程度時使得容器發(fā)生失穩(wěn)屈服的一種現(xiàn)象[1]，用于完成此現(xiàn)象并能記錄失穩(wěn)臨界壓力的裝置稱之為外壓容器的失穩(wěn)裝置，該裝置多用于壓力容器失效破壞的教學(xué)演示和實(shí)驗案例[2-3]。通過外壓容器失穩(wěn)裝置，使實(shí)驗者能夠掌握容器發(fā)生失穩(wěn)屈服的全部過程，并能實(shí)測分析外壓容器失穩(wěn)時的臨界壓力值和失穩(wěn)后的波紋數(shù)。

目前，外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗裝置大多研究的是容器內(nèi)部為常壓，在外部載荷不斷增加的狀態(tài)下，容器發(fā)生失穩(wěn)屈服的過程，但裝置上的密封部件由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計不夠牢靠，很容易出現(xiàn)在加壓過程中壓力升不上去或是介質(zhì)從密封處泄露等狀況，使得容器難以發(fā)生失穩(wěn)屈服失效的現(xiàn)象，也間接造成了失穩(wěn)臨界壓力讀取不準(zhǔn)的問題。同時，單一工況的實(shí)驗數(shù)據(jù)也無法支撐對外壓容器失穩(wěn)臨界壓力的深入研究。因此，設(shè)計研制了一種新型外壓容器失穩(wěn)裝置，對裝置的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理地設(shè)計，并應(yīng)用ANSYS軟件對裝置的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，模擬出裝置密封結(jié)構(gòu)的受載情況及約束條件，得出了該裝置密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。此外，在功能上加入了容器發(fā)生失穩(wěn)屈服的內(nèi)部負(fù)壓工況，即容器在真空泵的作用下內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，外部為常壓狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到失穩(wěn)臨界壓力時容器發(fā)生失穩(wěn)屈服現(xiàn)象。這樣，通過該裝置可完成容器在兩種工況下的失穩(wěn)屈服過程，豐富了外壓容器失穩(wěn)的實(shí)驗條件，為失穩(wěn)臨界壓力的理論分析提供了較為可靠的依據(jù)。

1 總體設(shè)計

1.1 實(shí)驗裝置的組成

外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗裝置[4]由離心泵、真空泵、不銹鋼容器、長頸法蘭、鋼化有機(jī)玻璃圓筒、法蘭壓蓋、密封端蓋、壓力傳感器、智能攝像頭、鋼架、水箱及管路等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.離心泵 2.電磁開關(guān)閥Ⅰ 3.真空泵 4.不銹鋼容器 5.長頸法蘭 6.有機(jī)玻璃圓筒 7.測試試件 8.法蘭壓蓋 9.密封端蓋 10.壓力變送器Ⅰ 11.智能攝像頭 12.壓力變送器Ⅱ 13.操作面板 14.電磁開關(guān)閥Ⅱ 15.水箱 16.鋼架

圖1中，不銹鋼容器起到緩沖加壓罐的作用，容積約為20 L，公稱直徑450 mm，壁厚4 mm，通過兩側(cè)的支耳固定于鋼架上，在不銹鋼容器的上封頭處開設(shè)直徑120 mm的圓孔，用于焊接安裝長頸法蘭，在不銹鋼容器的下封頭處設(shè)有進(jìn)壓管路，通過管線與離心泵及水箱相連接；在長頸法蘭的頸處設(shè)有排壓管路，用于裝置的壓力測量及介質(zhì)的泄壓排放；裝置上的有機(jī)玻璃圓筒密封連接于長頸法蘭，而有機(jī)玻璃圓筒的上端密封連接于法蘭壓蓋。此外，裝置上還配有操作面板，面板上的按鈕開關(guān)可以控制真空泵及離心泵的啟停，而智能攝像頭安裝在有機(jī)玻璃圓筒外部，對應(yīng)測試試件及壓力變送器的表頭位置，用于錄制試件發(fā)生失穩(wěn)屈服的全部過程，并通過無線網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)連接通信。

1.2 實(shí)驗裝置的特點(diǎn)

(1)密封部件設(shè)計合理

實(shí)驗裝置的密封部件主要由密封端蓋和法蘭壓蓋組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.進(jìn)氣管路 2.排氣管路 3.環(huán)狀小凸臺 4.環(huán)狀T型凸臺 5.凹槽Ⅰ 6.凹槽Ⅱ 7.凹槽Ⅲ

在法蘭壓蓋頂端開設(shè)2個凹槽，一個位于法蘭壓蓋的中心開孔處，用于安裝測試試件，一個凹槽用于與密封端蓋的配合連接；而法蘭壓蓋底端開設(shè)一個凹槽，通過密封膠連接有機(jī)玻璃圓筒。這樣，通過透明的玻璃圓筒可以看到實(shí)驗的試件及失穩(wěn)過程。

在密封端蓋頂端開設(shè)兩個直徑為6的內(nèi)螺紋接管，一個與真空泵排氣接口相連接，另一個則用于安裝壓力傳感器；密封端蓋底端則設(shè)計有能夠伸入到法蘭壓蓋中部開孔的環(huán)狀T型凸臺，通過環(huán)形橡膠圈與測試試件密封連接；密封端蓋還設(shè)有環(huán)狀小凸臺，通過環(huán)形橡膠圈與法蘭壓蓋的凹槽形成凹凸面密封。這種密封部件不僅有效保證了裝置在兩種工況下發(fā)生失穩(wěn)屈服時的密封性能，同時也便于測試實(shí)驗試件的安裝和拆卸。

(2)操作平臺上安裝智能攝像頭

在實(shí)驗裝置的操作平臺上安裝了智能攝像頭，攝像頭的位置正對于有機(jī)玻璃圓筒里的實(shí)驗試件，在整個實(shí)驗過程中，可通過VideoCap軟件進(jìn)行全程錄制，將實(shí)驗試件的變化和壓力傳感器的表頭示值在失穩(wěn)屈服過程中拍攝下來，并存檔于計算機(jī)的數(shù)字硬盤中，最后運(yùn)用PR軟件對錄制的視頻進(jìn)行回放慢放及逐幀播放，即可找到試件失穩(wěn)瞬間所對應(yīng)的壓力值和臨界狀態(tài)[5]，能夠測出精確的失穩(wěn)臨界壓力測量值。

2 密封部件的有限元分析

2.1 ANSYS建模及求解結(jié)果

有限元分析的過程主要包括前處理、求解與后處理3部分[6-7]。前處理部分主要完成的是建立幾何模型與有限元網(wǎng)格的劃分，首先利用Solidworks軟件對失穩(wěn)裝置進(jìn)行了3D模型的繪制，將其另存為STEP格式，打開ANSYS軟件后，雙擊Static Structure指令建立靜力學(xué)分析項目流程，在菜單欄Geometry處右鍵導(dǎo)入該模型，然后通過Engineering Data指令進(jìn)入到零件材質(zhì)參數(shù)的設(shè)置界面，依次設(shè)置304不銹鋼，有機(jī)玻璃，密封橡膠等零件參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完畢后通過Model指令進(jìn)入到網(wǎng)格劃分界面，在劃分網(wǎng)格前需要對幾何體進(jìn)行清理，以降低網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和所需密度。網(wǎng)格劃分則是前處理中最重要的工作，本次分析采用的是自由網(wǎng)格劃分，幾何形狀規(guī)則的區(qū)域采用映射劃分方法，筒體采用六面體單元，其它采用四面體單元[8]，網(wǎng)格劃分后對該模型施加載荷及邊界條件，在模型的頂部以及塔底上法蘭面施加Y方向約束；在模型的兩側(cè)面施加對稱約束。接下來開始設(shè)置模型的載荷條件，設(shè)置殼體內(nèi)表面介質(zhì)壓力=1.6 MPa（容器的設(shè)計壓力），密封壓環(huán)下表面壓緊力=6 MPa（設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力），運(yùn)用ANSYS分析軟件進(jìn)行求解，在Solid95下選擇50節(jié)點(diǎn)3D單元，對分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后得出該裝置的應(yīng)力分析結(jié)果，如圖3～圖6所示。

圖3 上法蘭應(yīng)力分布

圖4 下法蘭應(yīng)力分布

2.2 結(jié)果分析

從密封墊環(huán)的形變云圖(見圖6)可知，密封墊環(huán)的最大形變?yōu)?.32 mm，形變量小于墊環(huán)（厚度2 mm）30%的壓縮量，故密封墊環(huán)沒有泄露的風(fēng)險，密封性可靠。

圖5 法蘭壓環(huán)應(yīng)力分布

圖6 密封墊環(huán)形變云

本文依據(jù)《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(JB 4732—95)來進(jìn)行安全性評定，通過設(shè)置路徑來評定一些典型的截面，如結(jié)構(gòu)不連續(xù)、高應(yīng)力強(qiáng)度的截面[9]。在這些截面上設(shè)置好路徑后進(jìn)行線性化處理，得到相應(yīng)的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。

法蘭壓蓋(SUS 304)的設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力強(qiáng)度為137 MPa，故判據(jù)為：一次薄膜應(yīng)力為105.46 MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力為122.24 MPa，如圖7所示。

圖7 法蘭壓蓋的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力

密封壓環(huán)（橡膠）的設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力強(qiáng)度為6 MPa，故判據(jù)為：一次薄膜應(yīng)力為0.46 MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力為1.41 MPa。如圖8所示。

根據(jù)以上判據(jù)以及經(jīng)過對各路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度的比較，可以得出結(jié)論：法蘭壓蓋和密封壓環(huán)的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

圖8 密封壓環(huán)的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力

3 實(shí)驗裝置的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗操作步驟

(1)將試件安裝于法蘭壓蓋的凹槽內(nèi)，密封端蓋通過雙頭螺柱與長頸法蘭進(jìn)行連接固定。

(2)通過管路將真空泵的排氣口與密封端蓋頂部的進(jìn)氣口相連接，并檢查連接處是否牢固。

(3)啟動真空泵，在真空的作用下試件內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)試件內(nèi)部壓力達(dá)到失穩(wěn)臨界壓力時，試件發(fā)生失穩(wěn)屈服失效，同時發(fā)出響聲并被壓扁。

(4)當(dāng)試件發(fā)生失穩(wěn)屈服后立即關(guān)閉真空泵。

(5)依次卸下密封端蓋和法蘭壓蓋，取下失穩(wěn)后的試件，記錄試件失穩(wěn)的波紋數(shù)。

(6)在電腦上查看整個實(shí)驗過程的錄像，找到試件在真空狀態(tài)下失穩(wěn)瞬間的臨界壓力值。

采用離心泵對試件外部加壓實(shí)現(xiàn)外壓失穩(wěn)的工況操作與上述操作步驟大致相同，主要的不同之處就是通過離心泵將裝置底部水箱的水泵入至容器內(nèi)部，隨之液位的上升，容器內(nèi)部產(chǎn)生壓力，從而使得試件的外部受壓，當(dāng)達(dá)到試件的失穩(wěn)臨界壓力時，試件發(fā)生失穩(wěn)屈服失效，同樣可通過查看實(shí)驗過程的錄像，找到試件在外壓狀態(tài)下失穩(wěn)瞬間的臨界壓力值。

3.2 實(shí)驗數(shù)據(jù)分析

對于短圓筒而言，其發(fā)生失穩(wěn)屈服時的臨界壓力Pcr可采用如式(1)所示的Pamm公式[10]得出。

式中：為試件材質(zhì)的彈性模量，為試件的計算厚度；o為試件的外徑；為試件的長度。

實(shí)驗過程中分別采用了不同尺寸不同材質(zhì)的圓筒作為實(shí)驗試件，表1記錄了四種不同類型的試件在真空狀態(tài)和外壓狀態(tài)兩種工況下發(fā)生失穩(wěn)屈服的實(shí)驗數(shù)據(jù)。

表1 不同類型試件失穩(wěn)屈服的數(shù)據(jù)

試件種類E/GPaDo/mmt/mmC/mmL/mm臨界壓力(真空狀態(tài))/MPa相對誤差/%臨界壓力(外壓狀態(tài))/MPa相對誤差/% 理論值實(shí)測值理論值實(shí)測值 實(shí)驗試件119385.100.460.10102.200.484-0.4921.650.4840.5125.79 實(shí)驗試件26866.100.240169.200.058-0.08546.550.0580.09665.52 實(shí)驗試件36866.100.240148.800.064-0.09142.190.0640.11274.98 實(shí)驗試件412666.200.270121.600.189-0.1984.760.1890.22317.99

注：表中t為試件厚度；C為厚度的附加量。

從表1可以看出，實(shí)驗試件1為不銹鋼圓筒，其在兩種工況下失穩(wěn)時的臨界壓力均與理論計算值較接近；而實(shí)驗試件2和3采用的圓筒材質(zhì)為鋁，測得的失穩(wěn)臨界壓力與理論值的相對誤差較大，在外徑和厚度相同時，其臨界壓力主要與試件的長度有關(guān)，長度越大其臨界壓力就越小，這與Pamm理論公式相一致，但采用Pamm公式計算時的厚度應(yīng)為計算厚度，即試件厚度減去厚度的附加量，由于試件較薄，其加工制造時的厚度附加量這里無法確定，在計算臨界壓力時只能將試件的測量厚度作為計算厚度，因此對臨界壓力理論值的計算會產(chǎn)生較大的偏差。

此外，實(shí)驗試件4的材質(zhì)主要成分為鑄鋁銅，其強(qiáng)度要高于鋁，但在其材質(zhì)中還摻雜了軋制銅、鍍錫鐵等成分，因此，對其彈性模量E的選取仍不夠精確，這也導(dǎo)致了理論值和實(shí)測值相對誤差較大。而對于不銹鋼試件其厚度的附加量和彈性模量都較為明確，其臨界壓力的理論值與兩種工況下的實(shí)測值均較為接近，產(chǎn)生的相對誤差也較少，因此采用不銹鋼試件更利于外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗數(shù)據(jù)的采集和分析，圖9則為不銹鋼試件失穩(wěn)前后的對比圖，從圖中可以觀察到試件失穩(wěn)后周向處形成的波紋數(shù)。

圖9 不銹鋼試件失穩(wěn)前后對比圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計研制的外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗裝置可完成外壓容器失穩(wěn)屈服的兩種工況，使實(shí)驗者能夠更加全面地掌握外壓容器的概念、分類及其失穩(wěn)屈服的過程，豐富了不同類型的外壓容器在失穩(wěn)時的理論數(shù)據(jù)，同時裝置中合理地安裝了智能攝像頭，可拍攝記錄實(shí)驗試件失穩(wěn)屈服的整個過程，便于對臨界壓力值的準(zhǔn)確采集與記錄，與傳統(tǒng)的應(yīng)變測定法相比，具有操作簡單、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、安裝拆卸方便、裝置便于移動的優(yōu)點(diǎn)。此外，對裝置上的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和強(qiáng)度校核，得出了該裝置密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。實(shí)踐應(yīng)用表明，該裝置的密封性能良好可靠，且操作較為方便，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 鄭津洋, 桑芝富. 過程設(shè)備設(shè)計[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2015.

[2] 徐巧蓮, 鄒久朋, 王澤武, 等. 設(shè)計型外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗研究[J]. 實(shí)驗科學(xué)與技術(shù), 2010, 8(5): 24-27.

[3] 周勇軍, 閆偉, 朱延風(fēng). 外壓容器穩(wěn)定性教學(xué)實(shí)驗裝置研制[J]. 實(shí)驗技術(shù)與管理, 2012, 29(2): 58-60.

[4] 許琰, 唐宇, 付涵予, 等. 一種外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗的教學(xué)裝置：ZL202120044150.8 [P]. 2021-09-03.

[5] 徐巧蓮, 鄒久朋, 王澤武, 等. CCD圖像傳感器在外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗科學(xué)與技術(shù), 2014, 12(4): 27-29.

[6] 余偉煒, 高炳軍, 陳洪軍. ANSYS 在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

[7] 周曉來. 某儲氣罐筒體的穩(wěn)定性有限元分析[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2010(1): 14-16.

[8] 崔曉韻. 焦炭塔底蓋機(jī)密封系統(tǒng)的有限元分析[D]. 撫順: 遼寧石油化工大學(xué), 2011.

[9] 程新宇, 馮曉偉, 李治貴, 等.基于ANSYS/WORKBENCH的壓力容器接管應(yīng)力分析 [J]. 石油與化工設(shè)備, 2011, 14(2): 5-8.

[10] 郝光香, 劉巖, 王巖華. 外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗的創(chuàng)新研究[J]. 高師理科學(xué)刊, 2011, 31(6): 101-104.

Design and Application of Experimental Device for Instability of External Pressure Vessels

TANG Yu, LU Quan-cheng, GAO Jian, CHANG Zhe-hao, HAN Qiu-yu

（College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

A new type of an experimental device for instability of external pressure vessels has been designed and developed, which is used to measure the critical pressure value of external pressure vessels. This paper introduces the main structure, sealing components, working principle and operation application of the device.The sealing structure of the device is analyzed, calculated and strength checked by ANSYS software and through the ANSYS software and the stress of the sealing structure of the device is obtained. The results shows that the sealing components of the device have good and reliable performance, which can complete the instability of the vessel under vacuum and external pressure conditions.

external pressure vessel; instability failure; critical pressure; sealing performance; finite element analysis

10.15916/j.issn1674-3261.2023.02.003

G642.423

A

1674-3261(2023)02-0082-05

2022-04-08

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(202110154011)

唐宇(1986-)，男，遼寧錦州人，實(shí)驗師，碩士。

責(zé)任編輯：陳 明