碟形封头对薄壁内压短圆筒爆破压力的影响

摘要：试验研究表明, 有足够强度和刚度的碟形封头可提高钢制薄壁内压短圆筒的爆破压力; 得到确定Q235- A 低碳钢和OCr18Ni9 不锈钢制薄壁内压短圆筒爆破压力的经验公式, 以及区分内压长、短圆筒的临界长度计算公式。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
关键词：Q235-A低碳钢   OCr18Ni9不锈钢   内压短圆筒   爆破压力   碟形封头

0  引言管道切割机，相贯线切割机
   石油、化工、能源、制药和食品等行业常用的钢制薄壁内压圆筒容器, 通常采用标准椭圆封头或碟形封头, 由于其工作条件苛刻, 人们十分关心封头结构对钢制薄壁内压圆筒的屈服或爆破压力是否有提高作用, 如果有, 圆筒的长径比应满足什么条件, 容器的屈服或爆破压力怎样计算。研究发现 , 与圆筒等厚的标准椭圆封头, 可以提高低碳钢和OCr13 不锈钢制薄壁内压圆筒的屈服或爆破压力; 文献[3] 认为, 标准椭圆封头的爆破压力高于等厚内压圆筒的。为此,笔者通过试验, 研究碟形封头对Q235- A 低碳钢和OCr18Ni9不锈钢制薄壁内压短圆筒爆破压力的影响。 管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

1 分析管道切割机，相贯线切割机
1. 1  钢制薄壁内压长圆筒的爆破压力管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
   中径公式没有考虑封头对内压容器的加强作用, 用其可比较准确地计算薄壁内压长圆筒形容器的爆破压力。
                      P1 = 2Rm ( k- 1) /( k+ 1)                   (1)
式中, P1 为薄壁内压长圆筒的爆破压力, MPa; Rm 为圆筒材料的抗拉应力,MPa; k 为圆筒径比, k = 1+ 2δ/Di , δ 为圆筒壁厚, mm, Di 为圆筒内直径, mm。

1. 2  钢制薄壁内压短圆筒的爆破压力
   当薄壁内压圆筒的封头有足够的强度和刚度、 且圆筒的长径比较小时, 封头对筒体有加强作用, 会提高容器的爆破压力。假设确定薄壁内压短圆筒爆破压力的经验公式为:
                                 

(2)

式中, P2 为短圆筒的爆破压力, MPa; a, b 为经验系数, 由试验数据确定; L 为筒体计算长度, mm。

1. 3    区分薄壁内压长、短圆筒的临界长度
   当P1 =P2 时, 由式(1) 、 式(2) 得区分薄壁内压长、短圆筒的临界长度Lc r 的计算公式:
                                

(3)

   L< Lc r 时为薄壁内压短圆筒, L= Lc r时为薄壁内压临界圆筒, L> Lc r 时为薄壁内压长圆筒。

1. 4   试验容器材料的机械性能常数
   通过测量长圆筒的爆破压力可确定材料的抗拉应力Rm , 由式(1) 得:
                    Rmi = P1’( ki + 1)/2( ki - 1)                   (4)
式中, Rmi为第 i 个长圆筒材料的抗拉应力, MPa; P1’为第 i 个长圆筒的爆破压力, MPa; k i 为第i 个长圆筒的径比。
   对于 n 组数据, 可得圆筒材料的平均抗拉应力:
                                

(5)

1. 5  经验系数a 与b
   经验系数a、b 和相关度r 可采用最小二乘法原理回归分析得到, 由式(2) 可得:
   
式中, P2’为第i 个短圆筒的实测爆破压力, MPa。
   对于n 组试验数据, 令:

                 

   x i 与y i 的平均值为: 

               

   根据回归分析, 可得经验系数 a 与 b 的值:
                                

	(6)
	(7)

   相关度为:

   

(8)

        

2  经验公式管道切割机，相贯线切割机
2. 1   试验容器
   本研究采用Q235- A 低碳钢和OCr18Ni9 不锈钢制造的薄壁内压圆筒容器进行常温水压试验。试验容器由单层圆筒与碟形封头构成, 结构尺寸见表1, 编号为L 与D 的容器材料为Q235- A, 编号为Z 与N 的容器材料为OCr18Ni9, 碟形封头的过渡段半径为r , 厚度为δ1。

2. 2    试验数据
   编号L1 ~ L3 与Z1 ~ Z3 的6 个容器长径比比较大, 测得其爆破压力, 用式(4)、式(5) 确定钢材的抗拉应力, 试验和计算结果见表2。

2. 3    经验公式的导出
   初步将表3中的试验数据作为内压短圆筒的爆破压力试验数据, 把编号为D 与N 的7 组试验数据分别采用最小二乘法原理回归分析, 可得计算Q235- A 低碳钢和OCr18Ni9不锈钢制薄壁内压短圆筒爆破压力的经验公式。
   当Q235- A 低碳钢制薄壁内压短圆筒采用碟形封头时,由式(6) ~ 式(8) 可得a= 1. 140, b= -0. 3119 及相关度 r=- 0. 9919。由式( 2)、式(3) 分别可得:
                                  

	(9)
	(10)

当OCr18Ni9不锈钢制薄壁内压短圆筒采用碟形封头时, 由式(6)~ 式(8)可得a= 1.132, b= - 0. 2699, 相关度 r= - 0. 9773。由式(2)、 式(3) 分别可得:
                                 

	(11)
	(12)

   当Di = 400, 600, 800 mm, 圆筒壁厚对应为δ=2, 3, 4 mm时, k= 1. 010, 由式(10)得Lc r / Di= 1. 546, 由式(12) 得Lc r / Di= 1. 613。因此, 表2中的数据为长圆筒爆破压力试验数据,
试验容器材料的抗拉应力可用其确定; 表3 中的试验数据为短圆筒的。

3  讨论管道切割机，相贯线切割机
3. 1   薄壁内压长、 短圆筒的最小临界长度
   低碳钢制薄壁内压圆筒的最小壁厚δmin = 0. 003Di , 即最小径比k= 1. 006。如果容器采用碟形封头, 由式(10)可得最小临界长度Lc r= 1. 534Di , 故计算长度L≤1. 534Di 的低碳钢制薄壁内压圆筒是短圆筒; 不锈钢制薄壁内压圆筒形容器的最小壁厚δmin = 0. 002Di  , 即最小径比 k= 1. 004, 如果容器采用的是碟形封头, 最小临界长度由式(12) 可得Lc r =1. 595Di , 故计算长度L≤1. 595Di 的不锈钢制薄壁内压圆筒是短圆筒。

3. 2   容器材料对薄壁内压短圆筒的影响
   对于采用碟形封头的Q235- A 低碳钢与OCr18Ni9 不锈钢制短圆筒, 由式(9)、式( 11) 得其爆破压力之比: 

                          

当不锈钢制薄壁内压短圆筒容器的L/ Di=1. 534~ 0. 5 时, m= 0. 99~ 1. 04, 表明用式( 9) 、式( 11) 计算不同钢制薄壁内压短圆筒的爆破压力相差不明显。 

   由式(12)、 式(10) 得OCr18Ni9不锈钢与Q235- A 低碳钢制短圆筒临界长度之比:

                           

不锈钢制薄壁内压圆筒形容器的最小径比k= 1. 004, gmin = 1. 361, 表明不锈钢制薄壁内压短圆筒的爆破压力, 对受到碟形封头的加强作用比较敏感。

4   结论管道切割机，相贯线切割机
   (1)采用有足够强度和刚度的碟形封头, 可提高Q235-A 低碳钢和OCr18Ni9 不锈钢制薄壁内压短圆筒的爆破压力。
   (2)Q235- A 低碳钢制薄壁内压圆筒采用有足够强度和刚度的碟形封头时, 在长径比不超过1. 534 时是短圆筒; 采用有足够强度和刚度碟形封头的OCr18Ni9 不锈钢制薄壁制内压圆筒, 在长径比不超过1. 595 时是短圆筒。
   (3)OCr18Ni9不锈钢制薄壁内压圆筒, 其爆破压力对受到有足够强度和刚度的碟形封头加强作用比较敏感。

本文作者：张红卫  刘岑 吴元祥 陈刚 胡成龙 刘小宁 管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

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