一種低溫有機玻璃壓力容器的研制

王軍寧，李亞鵬

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

一種低溫有機玻璃壓力容器的研制

王軍寧，李亞鵬

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

介紹了一種可觀察容器內(nèi)部情況的低溫有機玻璃壓力容器。針對有機玻璃容器在低溫狀態(tài)下脆性增大，承壓危險性大，密封困難的特點，設(shè)計了一種金屬與非金屬組合結(jié)構(gòu)的壓力容器，保證了容器的承壓安全，實現(xiàn)了其與上下封頭的安全密封。同時結(jié)合生產(chǎn)實際，介紹了此類容器制造安裝關(guān)鍵技術(shù)，對非金屬壓力容器的制造和設(shè)計有一定的價值。

壓力容器；有機玻璃

0 引言

壓力容器廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等科研生產(chǎn)中，某任務(wù)需設(shè)計一種可觀察容器內(nèi)部情況的壓力容器，提出一種有機玻璃壓力容器設(shè)計要求。工業(yè)有機玻璃一般用于常溫承壓，用于圓柱容器承壓時一般壓力較?。ㄐ∮?.2MPa），且內(nèi)徑小可整體成型制造。筆者介紹的有機玻璃壓力容器使用溫度-40℃，使用壓力0.4MPa，內(nèi)徑692mm，此種低溫下的有機玻璃脆性增大，用于承受高壓愈發(fā)困難，內(nèi)徑較大的情況下，筒體無法整體成型，普通結(jié)構(gòu)不能保證容器的承壓安全，需要一種特殊結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 筒體設(shè)計

為增加筒體的整體強度，保證容器承壓安全，采用了在有機玻璃筒體外部增加金屬框架的方法。在機械制造過程中，為提高結(jié)構(gòu)的整體強度，常采用金屬與非金屬的粘接結(jié)構(gòu)。但由于金屬與非金屬屬于不同材料，它們之間的粘接比較困難，容易發(fā)生脫粘等問題，造成粘接強度降低，影響整體結(jié)構(gòu)的運行安全。為了解決這一問題，采用了一種增加過渡層的設(shè)計，圖1為有機玻璃壓力容器筒體結(jié)構(gòu)簡圖。如圖1所示，為了保證粘接強度，在有機玻璃筒體與金屬框架之間增加了有機玻璃過渡層，筒體與過渡層之間采用粘接結(jié)構(gòu)，過渡層與金屬框架之間采用栓接工藝。同種材料之間的粘接更加牢固，既保證了整體結(jié)構(gòu)強度，又實現(xiàn)了有機玻璃筒體與金屬框架之間的有效連接。

1.2 密封設(shè)計

本次設(shè)計的有機玻璃壓力容器承壓較高，密封時所需的密封力較大。有機玻璃許用應(yīng)力較低，在承受較大彎矩時有發(fā)生破壞的危險。為此，在設(shè)計時，將密封法蘭設(shè)計為金屬與非金屬的組合結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖2。如圖 2所示，密封法蘭采用金屬與非金屬之間增加過渡層的設(shè)計，密封面在有機玻璃筒體端面，同時為了進一步減小密封力，設(shè)計采用了O形圈密封?？紤]加工問題，將O形圈凹槽設(shè)計在金屬封頭一側(cè)。

圖1 有機玻璃壓力容器筒體結(jié)構(gòu)

圖2 有機玻璃壓力容器密封結(jié)構(gòu)

2 制造安裝關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高溫退火消除有機玻璃內(nèi)應(yīng)力[1～4]

有機玻璃筒體屬于非標結(jié)構(gòu)，其加工是通過烘箱整體加熱，板材壓制成型。在冷卻定型的過程中，材料中會留有一定的殘余應(yīng)力，影響筒體強度。同時為保證密封面粗糙度，筒體兩端須進一步加工，而有機玻璃晶向組織為單向流線型，單向內(nèi)應(yīng)力較大，加工后單向變形也較大，往往出現(xiàn)加工到位后尺寸回彈的問題，尺寸精度穩(wěn)定性較差。

有機玻璃是一種記憶材料。記憶材料是指材料在某種特定條件（如溫度）下變形，改變條件后定形，如再回到原有產(chǎn)生變形的條件（溫度）下，又能恢復(fù)變形。利用有機玻璃這一特性，在筒體定型，粗車端面后，對其整體進行高溫退火，保溫一段時間后，材料恢復(fù)到其原始狀態(tài)，內(nèi)部應(yīng)力消除，然后再進行精車。這樣做可以增加材料加工穩(wěn)定性，同時消除殘余應(yīng)力后，筒體強度有所保證。

2.2 采用特定工裝消除附加裝配應(yīng)力

為了減小密封力，容器封頭法蘭選用O形圈密封。在裝配筒體兩端封頭時，預(yù)緊力會使得O形圈對有機玻璃筒體兩端產(chǎn)生擠壓。此時，一旦有螺栓預(yù)緊力不一致，兩端面預(yù)緊力不對稱的情況，就會使得有機玻璃筒體產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響筒體的強度。

為此在裝配時采用特定裝配工藝，圖3為有機玻璃壓力容器裝配工裝。如圖3所示，為保證有機玻璃筒體兩端預(yù)緊力對稱，裝配時，在容器兩端密封法蘭相對的螺孔之間使用同一根長螺桿，根據(jù)牛頓第三定律，螺桿兩端的預(yù)緊力相同。為保證同一法蘭面上的螺栓預(yù)緊力一致，在螺桿之間設(shè)置了螺套對預(yù)緊力加以限制，同時擰緊螺栓時，配合力矩扳手一同使用，進一步保證了螺栓預(yù)緊力的均勻，對稱。

圖3 有機玻璃壓力容器裝配工裝

3 結(jié)論

金屬與非金屬之間增加過渡層的組合結(jié)構(gòu)解決了金屬與非金屬直接粘接容易脫粘的問題，可以有效提高有機玻璃壓力容器強度，保證壓力容器的承壓安全。在制造安裝過程中采用特殊工藝，消除了有機玻璃筒體內(nèi)部應(yīng)力，在容器生產(chǎn)和使用過程中取得良好效果。

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TH49

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.018

1002－6673（2014）01－050－02

2013－11－15

王軍寧，（1983-），女，北京人，工程師。主要從事機械產(chǎn)品設(shè)計工作。