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    超高压套筒锻件的结构发展过程

    超高压套筒锻件主要是圆筒容器,其应力分布的特点是:三个主应力中轴向应力最大;周向应力的分布以内壁应力最大,且沿壁厚分布不均匀,K值越大,不均匀程度越严重(K为筒体外径与内径比值);当操作压力时,内壁不可避免地将出现屈服。根据以上应力特性,超高压套筒锻件设计时不应单纯从增加厚度和提高材料强度来降低操作工况下的应力水平,而是应从结构上改变其应力分布。超高压套筒锻件设计大致有预应力圆筒、液体支承式圆筒(充液式或直接外压式)、剖分式圆筒、综合式圆筒、框架式绕丝结构等型式,各种结构的筒体都在工业上有所应用。

    套筒锻件

    预应力套筒锻件结构是在制造过程中先给圆筒产生一定的预应力,利用和工作应力方向相反的预应力来部分抵消工作应力。具体的结构型式有多层缩套、绕丝、绕带、套箍以及自增强筒体等,其中多层热套式是最早采用的结构,自增强筒体接管用于制作高压聚乙烯管式反应器,可以承受320MPa压力。但是,预应力筒体都有一个共同的缺点,即当筒壁温度超过500℃或使用周期较长后会产生应力松弛,使预应力大大降低或丧失,生产上存在较大安全隐患。

    液体支承式套筒结构是利用结构中夹套液体的压力对内筒施加外压,用以代替内筒的预应力,且夹套压力可以调节控制。此外,直接对内筒加外压,还可使内筒壁垂直于径向平面的剪应力减至最小,使平均周向应力变成压缩应力,提高了抗疲劳强度、抑制了裂纹扩散。因此这种型式的超高压容器可用于超过1000MPa和1000℃以上的操作工况。但是,液体支承式结构的缺点是结构较复杂,需设置一套可控液压系统,且夹套内压力须调节适当,否则会导致套筒锻件失稳。

    套筒锻件

    剖分式筒体结构是根据筒体内壁表面周向应力最大的应力分布特点,将筒体分为2-3层,并将应力最大的套筒做成扇形剖分式,并使介质只与内表面接触(扇形块之间垫以薄垫片,防止接触面泄漏),由于剖分层在周向不连续,剖分块上不产生周向应力,从而使内壁的最大周向应力得以消除。而外层筒体的周向应力只由扇形块的径向压力产生,随着受力点半径的增大,周向应力值将大大减少。这种结构的缺点是扇形块加工要求高,需采用抗压性能特别强的材料,如果扇形块之间接触面密封垫片泄露,将会使外筒承受相当大的周向应力。

    综合式筒体结构是将扇形块剖分式套筒、充液式夹套和预应力缩套外筒组合为一体,它综合了以上三种型式的优点,但结构和制造较复杂,这种结构可用于24000MPa、1500℃操作工况。

    套筒锻件

    框架式绕丝结构是由工作圆筒和框架两部分组成,绕丝筒体与平封头承受介质压力,框架由两根立柱和两个半圆梁构成,起压紧平封头作用和承受轴向力。这种结构具有强度高、抗疲劳、结构紧凑、制造较简单等优点,可用于金属压力成型的静液压挤压过程,操作压力和温度可达1200MPa和1500℃。

    我国超高压容器套筒锻件的发展过程大致与国外类似。工作压力100-300MPa的设备,大多采用超高强度钢进行单层锻造或双层热套(近期多用热套);300-800MPa的设备,多采用双层或三层热套(压力不很高时可采用续丝式结构);800-1000MPa的设备采用三层热套加自增强筒体结构;>1000MPa的设备则采用内层剖分扇形块结构。


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