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    超高壓套筒鍛件的結構發展過程

    2019-03-05 00:00 山西大型鍛造廠家

    超高壓套筒鍛件主要是圓筒容器,其應力分布的特點是:三個主應力中軸向應力最大;周向應力的分布以內壁應力最大,且沿壁厚分布不均勻,K值越大,不均勻程度越嚴重(K為筒體外徑與內徑比值);當操作壓力時,內壁不可避免地將出現屈服。根據以上應力特性,超高壓套筒鍛件設計時不應單純從增加厚度和提高材料強度來降低操作工況下的應力水平,而是應從結構上改變其應力分布。超高壓套筒鍛件設計大致有預應力圓筒、液體支承式圓筒(充液式或直接外壓式)、剖分式圓筒、綜合式圓筒、框架式繞絲結構等型式,各種結構的筒體都在工業上有所應用。

    套筒鍛件

    預應力套筒鍛件結構是在制造過程中先給圓筒產生一定的預應力,利用和工作應力方向相反的預應力來部分抵消工作應力。具體的結構型式有多層縮套、繞絲、繞帶、套箍以及自增強筒體等,其中多層熱套式是最早采用的結構,自增強筒體接管用于制作高壓聚乙烯管式反應器,可以承受320MPa壓力。但是,預應力筒體都有一個共同的缺點,即當筒壁溫度超過500℃或使用周期較長后會產生應力松弛,使預應力大大降低或喪失,生產上存在較大安全隱患。

    液體支承式套筒結構是利用結構中夾套液體的壓力對內筒施加外壓,用以代替內筒的預應力,且夾套壓力可以調節控制。此外,直接對內筒加外壓,還可使內筒壁垂直于徑向平面的剪應力減至最小,使平均周向應力變成壓縮應力,提高了抗疲勞強度、抑制了裂紋擴散。因此這種型式的超高壓容器可用于超過1000MPa和1000℃以上的操作工況。但是,液體支承式結構的缺點是結構較復雜,需設置一套可控液壓系統,且夾套內壓力須調節適當,否則會導致套筒鍛件失穩。

    套筒鍛件

    剖分式筒體結構是根據筒體內壁表面周向應力最大的應力分布特點,將筒體分為2-3層,并將應力最大的套筒做成扇形剖分式,并使介質只與內表面接觸(扇形塊之間墊以薄墊片,防止接觸面泄漏),由于剖分層在周向不連續,剖分塊上不產生周向應力,從而使內壁的最大周向應力得以消除。而外層筒體的周向應力只由扇形塊的徑向壓力產生,隨著受力點半徑的增大,周向應力值將大大減少。這種結構的缺點是扇形塊加工要求高,需采用抗壓性能特別強的材料,如果扇形塊之間接觸面密封墊片泄露,將會使外筒承受相當大的周向應力。

    綜合式筒體結構是將扇形塊剖分式套筒、充液式夾套和預應力縮套外筒組合為一體,它綜合了以上三種型式的優點,但結構和制造較復雜,這種結構可用于24000MPa、1500℃操作工況。

    套筒鍛件

    框架式繞絲結構是由工作圓筒和框架兩部分組成,繞絲筒體與平封頭承受介質壓力,框架由兩根立柱和兩個半圓梁構成,起壓緊平封頭作用和承受軸向力。這種結構具有強度高、抗疲勞、結構緊湊、制造較簡單等優點,可用于金屬壓力成型的靜液壓擠壓過程,操作壓力和溫度可達1200MPa和1500℃。

    我國超高壓容器套筒鍛件的發展過程大致與國外類似。工作壓力100-300MPa的設備,大多采用超高強度鋼進行單層鍛造或雙層熱套(近期多用熱套);300-800MPa的設備,多采用雙層或三層熱套(壓力不很高時可采用續絲式結構);800-1000MPa的設備采用三層熱套加自增強筒體結構;>1000MPa的設備則采用內層剖分扇形塊結構。


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