外压容器失稳实验装置的设计与应用

唐 宇，卢泉澄，高 健，常哲浩，韩秋宇

外压容器失稳实验装置的设计与应用

唐 宇，卢泉澄，高 健，常哲浩，韩秋宇

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）

设计研制了一种新型外压容器失稳实验装置，用于测量外压容器失稳时的临界压力值。介绍了该装置的主要结构、密封部件、工作原理及其操作应用，运用ANSYS软件对该装置的密封部件进行了分析计算和强度校核。实践表明，该装置的密封部件性能良好可靠，可完成容器在真空状态和外压状态两种工况下的失稳。

外压容器；失稳失效；临界压力；密封性能；有限元分析

外压容器的失稳是指容器的内部压力低于外部压力，当内外压差达到一定程度时使得容器发生失稳屈服的一种现象[1]，用于完成此现象并能记录失稳临界压力的装置称之为外压容器的失稳装置，该装置多用于压力容器失效破坏的教学演示和实验案例[2-3]。通过外压容器失稳装置，使实验者能够掌握容器发生失稳屈服的全部过程，并能实测分析外压容器失稳时的临界压力值和失稳后的波纹数。

目前，外压容器失稳实验装置大多研究的是容器内部为常压，在外部载荷不断增加的状态下，容器发生失稳屈服的过程，但装置上的密封部件由于结构的设计不够牢靠，很容易出现在加压过程中压力升不上去或是介质从密封处泄露等状况，使得容器难以发生失稳屈服失效的现象，也间接造成了失稳临界压力读取不准的问题。同时，单一工况的实验数据也无法支撑对外压容器失稳临界压力的深入研究。因此，设计研制了一种新型外压容器失稳装置，对装置的密封结构进行了合理地设计，并应用ANSYS软件对装置的密封结构进行了应力分析和强度校核，模拟出装置密封结构的受载情况及约束条件，得出了该装置密封结构的应力情况。此外，在功能上加入了容器发生失稳屈服的内部负压工况，即容器在真空泵的作用下内部产生负压，外部为常压状态，当达到失稳临界压力时容器发生失稳屈服现象。这样，通过该装置可完成容器在两种工况下的失稳屈服过程，丰富了外压容器失稳的实验条件，为失稳临界压力的理论分析提供了较为可靠的依据。

1 总体设计

1.1 实验装置的组成

外压容器失稳实验装置[4]由离心泵、真空泵、不锈钢容器、长颈法兰、钢化有机玻璃圆筒、法兰压盖、密封端盖、压力传感器、智能摄像头、钢架、水箱及管路等组成，其结构示意图如图1所示。

1.离心泵 2.电磁开关阀Ⅰ 3.真空泵 4.不锈钢容器 5.长颈法兰 6.有机玻璃圆筒 7.测试试件 8.法兰压盖 9.密封端盖 10.压力变送器Ⅰ 11.智能摄像头 12.压力变送器Ⅱ 13.操作面板 14.电磁开关阀Ⅱ 15.水箱 16.钢架

图1中，不锈钢容器起到缓冲加压罐的作用，容积约为20 L，公称直径450 mm，壁厚4 mm，通过两侧的支耳固定于钢架上，在不锈钢容器的上封头处开设直径120 mm的圆孔，用于焊接安装长颈法兰，在不锈钢容器的下封头处设有进压管路，通过管线与离心泵及水箱相连接；在长颈法兰的颈处设有排压管路，用于装置的压力测量及介质的泄压排放；装置上的有机玻璃圆筒密封连接于长颈法兰，而有机玻璃圆筒的上端密封连接于法兰压盖。此外，装置上还配有操作面板，面板上的按钮开关可以控制真空泵及离心泵的启停，而智能摄像头安装在有机玻璃圆筒外部，对应测试试件及压力变送器的表头位置，用于录制试件发生失稳屈服的全部过程，并通过无线网络与计算机连接通信。

1.2 实验装置的特点

(1)密封部件设计合理

实验装置的密封部件主要由密封端盖和法兰压盖组成，其结构如图2所示。

1.进气管路 2.排气管路 3.环状小凸台 4.环状T型凸台 5.凹槽Ⅰ 6.凹槽Ⅱ 7.凹槽Ⅲ

在法兰压盖顶端开设2个凹槽，一个位于法兰压盖的中心开孔处，用于安装测试试件，一个凹槽用于与密封端盖的配合连接；而法兰压盖底端开设一个凹槽，通过密封胶连接有机玻璃圆筒。这样，通过透明的玻璃圆筒可以看到实验的试件及失稳过程。

在密封端盖顶端开设两个直径为6的内螺纹接管，一个与真空泵排气接口相连接，另一个则用于安装压力传感器；密封端盖底端则设计有能够伸入到法兰压盖中部开孔的环状T型凸台，通过环形橡胶圈与测试试件密封连接；密封端盖还设有环状小凸台，通过环形橡胶圈与法兰压盖的凹槽形成凹凸面密封。这种密封部件不仅有效保证了装置在两种工况下发生失稳屈服时的密封性能，同时也便于测试实验试件的安装和拆卸。

(2)操作平台上安装智能摄像头

在实验装置的操作平台上安装了智能摄像头，摄像头的位置正对于有机玻璃圆筒里的实验试件，在整个实验过程中，可通过VideoCap软件进行全程录制，将实验试件的变化和压力传感器的表头示值在失稳屈服过程中拍摄下来，并存档于计算机的数字硬盘中，最后运用PR软件对录制的视频进行回放慢放及逐帧播放，即可找到试件失稳瞬间所对应的压力值和临界状态[5]，能够测出精确的失稳临界压力测量值。

2 密封部件的有限元分析

2.1 ANSYS建模及求解结果

有限元分析的过程主要包括前处理、求解与后处理3部分[6-7]。前处理部分主要完成的是建立几何模型与有限元网格的划分，首先利用Solidworks软件对失稳装置进行了3D模型的绘制，将其另存为STEP格式，打开ANSYS软件后，双击Static Structure指令建立静力学分析项目流程，在菜单栏Geometry处右键导入该模型，然后通过Engineering Data指令进入到零件材质参数的设置界面，依次设置304不锈钢，有机玻璃，密封橡胶等零件参数，参数设置完毕后通过Model指令进入到网格划分界面，在划分网格前需要对几何体进行清理，以降低网格划分的质量和所需密度。网格划分则是前处理中最重要的工作，本次分析采用的是自由网格划分，几何形状规则的区域采用映射划分方法，筒体采用六面体单元，其它采用四面体单元[8]，网格划分后对该模型施加载荷及边界条件，在模型的顶部以及塔底上法兰面施加Y方向约束；在模型的两侧面施加对称约束。接下来开始设置模型的载荷条件，设置壳体内表面介质压力=1.6 MPa（容器的设计压力），密封压环下表面压紧力=6 MPa（设计温度下的许用应力），运用ANSYS分析软件进行求解，在Solid95下选择50节点3D单元，对分析模型进行网格划分，最后得出该装置的应力分析结果，如图3～图6所示。

图3 上法兰应力分布

图4 下法兰应力分布

2.2 结果分析

从密封垫环的形变云图(见图6)可知，密封垫环的最大形变为0.32 mm，形变量小于垫环（厚度2 mm）30%的压缩量，故密封垫环没有泄露的风险，密封性可靠。

图5 法兰压环应力分布

图6 密封垫环形变云

本文依据《钢制压力容器—分析设计标准》(JB 4732—95)来进行安全性评定，通过设置路径来评定一些典型的截面，如结构不连续、高应力强度的截面[9]。在这些截面上设置好路径后进行线性化处理，得到相应的薄膜应力和弯曲应力。

法兰压盖(SUS 304)的设计温度下的材料许用应力强度为137 MPa，故判据为：一次薄膜应力为105.46 MPa，一次薄膜加一次弯曲应力为122.24 MPa，如图7所示。

图7 法兰压盖的薄膜应力和弯曲应力

密封压环（橡胶）的设计温度下的材料许用应力强度为6 MPa，故判据为：一次薄膜应力为0.46 MPa，一次薄膜加一次弯曲应力为1.41 MPa。如图8所示。

根据以上判据以及经过对各路径上的应力强度的比较，可以得出结论：法兰压盖和密封压环的强度满足设计要求。

图8 密封压环的薄膜应力和弯曲应力

3 实验装置的应用

3.1 实验操作步骤

(1)将试件安装于法兰压盖的凹槽内，密封端盖通过双头螺柱与长颈法兰进行连接固定。

(2)通过管路将真空泵的排气口与密封端盖顶部的进气口相连接，并检查连接处是否牢固。

(3)启动真空泵，在真空的作用下试件内部产生负压，当试件内部压力达到失稳临界压力时，试件发生失稳屈服失效，同时发出响声并被压扁。

(4)当试件发生失稳屈服后立即关闭真空泵。

(5)依次卸下密封端盖和法兰压盖，取下失稳后的试件，记录试件失稳的波纹数。

(6)在电脑上查看整个实验过程的录像，找到试件在真空状态下失稳瞬间的临界压力值。

采用离心泵对试件外部加压实现外压失稳的工况操作与上述操作步骤大致相同，主要的不同之处就是通过离心泵将装置底部水箱的水泵入至容器内部，随之液位的上升，容器内部产生压力，从而使得试件的外部受压，当达到试件的失稳临界压力时，试件发生失稳屈服失效，同样可通过查看实验过程的录像，找到试件在外压状态下失稳瞬间的临界压力值。

3.2 实验数据分析

对于短圆筒而言，其发生失稳屈服时的临界压力Pcr可采用如式(1)所示的Pamm公式[10]得出。

式中：为试件材质的弹性模量，为试件的计算厚度；o为试件的外径；为试件的长度。

实验过程中分别采用了不同尺寸不同材质的圆筒作为实验试件，表1记录了四种不同类型的试件在真空状态和外压状态两种工况下发生失稳屈服的实验数据。

表1 不同类型试件失稳屈服的数据

试件种类E/GPaDo/mmt/mmC/mmL/mm临界压力(真空状态)/MPa相对误差/%临界压力(外压状态)/MPa相对误差/% 理论值实测值理论值实测值 实验试件119385.100.460.10102.200.484-0.4921.650.4840.5125.79 实验试件26866.100.240169.200.058-0.08546.550.0580.09665.52 实验试件36866.100.240148.800.064-0.09142.190.0640.11274.98 实验试件412666.200.270121.600.189-0.1984.760.1890.22317.99

注：表中t为试件厚度；C为厚度的附加量。

从表1可以看出，实验试件1为不锈钢圆筒，其在两种工况下失稳时的临界压力均与理论计算值较接近；而实验试件2和3采用的圆筒材质为铝，测得的失稳临界压力与理论值的相对误差较大，在外径和厚度相同时，其临界压力主要与试件的长度有关，长度越大其临界压力就越小，这与Pamm理论公式相一致，但采用Pamm公式计算时的厚度应为计算厚度，即试件厚度减去厚度的附加量，由于试件较薄，其加工制造时的厚度附加量这里无法确定，在计算临界压力时只能将试件的测量厚度作为计算厚度，因此对临界压力理论值的计算会产生较大的偏差。

此外，实验试件4的材质主要成分为铸铝铜，其强度要高于铝，但在其材质中还掺杂了轧制铜、镀锡铁等成分，因此，对其弹性模量E的选取仍不够精确，这也导致了理论值和实测值相对误差较大。而对于不锈钢试件其厚度的附加量和弹性模量都较为明确，其临界压力的理论值与两种工况下的实测值均较为接近，产生的相对误差也较少，因此采用不锈钢试件更利于外压容器失稳实验数据的采集和分析，图9则为不锈钢试件失稳前后的对比图，从图中可以观察到试件失稳后周向处形成的波纹数。

图9 不锈钢试件失稳前后对比图

4 结论

本文设计研制的外压容器失稳实验装置可完成外压容器失稳屈服的两种工况，使实验者能够更加全面地掌握外压容器的概念、分类及其失稳屈服的过程，丰富了不同类型的外压容器在失稳时的理论数据，同时装置中合理地安装了智能摄像头，可拍摄记录实验试件失稳屈服的整个过程，便于对临界压力值的准确采集与记录，与传统的应变测定法相比，具有操作简单、测量数据准确、安装拆卸方便、装置便于移动的优点。此外，对装置上的密封结构进行有限元分析和强度校核，得出了该装置密封结构的应力情况。实践应用表明，该装置的密封性能良好可靠，且操作较为方便，具有良好的推广应用前景。

[1] 郑津洋, 桑芝富. 过程设备设计[M]. 北京: 化学工业出版社, 2015.

[2] 徐巧莲, 邹久朋, 王泽武, 等. 设计型外压容器失稳实验研究[J]. 实验科学与技术, 2010, 8(5): 24-27.

[3] 周勇军, 闫伟, 朱延风. 外压容器稳定性教学实验装置研制[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(2): 58-60.

[4] 许琰, 唐宇, 付涵予, 等. 一种外压容器失稳实验的教学装置：ZL202120044150.8 [P]. 2021-09-03.

[5] 徐巧莲, 邹久朋, 王泽武, 等. CCD图像传感器在外压容器失稳实验的应用[J]. 实验科学与技术, 2014, 12(4): 27-29.

[6] 余伟炜, 高炳军, 陈洪军. ANSYS 在机械与化工装备中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.

[7] 周晓来. 某储气罐筒体的稳定性有限元分析[J]. 化学工程与装备, 2010(1): 14-16.

[8] 崔晓韵. 焦炭塔底盖机密封系统的有限元分析[D]. 抚顺: 辽宁石油化工大学, 2011.

[9] 程新宇, 冯晓伟, 李治贵, 等.基于ANSYS/WORKBENCH的压力容器接管应力分析 [J]. 石油与化工设备, 2011, 14(2): 5-8.

[10] 郝光香, 刘岩, 王岩华. 外压容器失稳实验的创新研究[J]. 高师理科学刊, 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

国家级大学生创新创业训练计划项目(202110154011)

唐宇(1986-)，男，辽宁锦州人，实验师，硕士。

责任编辑：陈 明