一种小型压力容器的设计与研究

刘晓芳

（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌 443003）

一种小型压力容器的设计与研究

刘晓芳

（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌 443003）

简要说明了一种小型压力容器的组成，并详细介绍了压力容器的试验过程，对其压力试验中出现泄漏的原因进行了理论与ANSYS分析，且根据分析结果提出了优化改进方法，并重新做了压力检测。试验结果表明优化改进后的压力容器满足技术指标要求。

压力容器；泄漏；改进

1 概述

在人口膨胀、资源短缺和环境污染日益突出的今天，海洋开发受到沿海各国的高度重视，我国已经把海洋开发纳入国家发展战略[1]。为探索海洋秘密，就必须对海底沉积层构造进行探测和观察，这样就要使测试设备处于水下一定深度范围内工作。为开发的需求，各种水下平台、水中探测设备便不断涌现和应用。然而，无论何种水下平台和探测设备在其进行探测试验前，都必须对其关重件的密封性能及整体耐压密封性能进行验证，在满足耐压密封要求后，才能下水进行探测。因此针对水下探测设备耐压密封性能测试的压力容器的研制便显得十分重要。

本文主要是针对小型海洋探测设备关重件的耐压密封试验要求设计了一种小型压力容器，并根据试验结果对其结构进行了优化，最终满足了技术指标要求。

图1 压力容器整体结构示意图

2 系统组成

压力容器主要由筒体、卡箍、上端盖、盖板、O形圈及吊环等组成，其总体结构示意图如图1所示。其中上端盖与筒体、盖板与上端盖均采用端面O形圈密封形式，O形圈沟槽尺寸均按标准设计；同时上端盖与筒体的紧固采用了卡箍压紧方式来实现，这样设计的目的是使压力容器的安装及拆卸方便，若采用传统的法兰联接，拆装将相当复杂。上端盖及卡箍的结构示意图如图2、图3所示。上端盖设计有两个连接孔，分别为加压孔和排气孔，其中加压孔与活塞式压力计连接，通过活塞式压力计可向压力釜内加液压油，当排气孔开始冒油时，说明压力容器内已灌满液压油，此时可用专用堵头将排气孔堵住，再通过活塞式压力计向压力釜内加压至设定压力，从而实现对探测设备的耐压密封试验。试验完成后同样也是通过活塞式压力计将压力釜内的压力卸掉。装配时，首先将要做耐压密封测试的设备放在筒体内，并灌一定量的液压油，再在筒体上装配好配套的O形密封圈，然后通过吊环将上端盖安置在筒体上面并保证上端盖与筒体对齐，再安装好两个半环卡箍使上端盖与筒体压紧，最后安装盖板，完成整体装配。

图2 上端盖结构示意图

图3 卡箍结构示意图

压力容器的主要设计指标如下：

压力≥20 MPa；筒体内径≥ϕ350 mm；筒体内部高度≥250 mm。

根据技术指标要求进行设计，其中筒体内径为ϕ350 mm，筒体总高度为275 mm，筒体壁厚为25 mm，采用合金结构钢40 Cr加工制造，其屈服极限σs为785 MPa；上端盖同样采用合金结构钢40 Cr加工制造，两端厚度为25 mm，其中与盖板连接处的厚度为40 mm。盖板采用合金结构钢40 Cr加工制造，厚度为27 mm。

3 试验及结构优化

压力容器加工完成后，对其进行加压检验，以确认样机是否满足指标要求。压力容器装配完成后，通过活塞式压力计给压力容器内部加压，当压力达到15 MPa后，压力容器内的压力上升速度明显变慢，并出现不稳定现象，在15 MPa～16 MPa之间来回晃动，再加压一段时间后，液压油从卡箍处漏出，压力迅速下降。将压力容器内压力卸完后，拆开发现O形圈局部被挤压扁，并断裂。

原因分析：压力容器内的压力逐渐增加时，上端盖和筒体在内压作用下会发生变形，当压力达到15 MPa后，上端盖和筒体之间因变形产生的缝隙达到一定值，此时O形圈在液压油的压力下被挤出O形圈槽并进入到上端盖和筒体之间的缝隙内，从而被压扁；继续向压力容器内加压，O形圈则继续沿缝隙向外扩张，直至断裂，液压油从缝隙向外泄漏。为验证原因分析是否正确，并为下一步结构优化提供依据，对压力容器进行了ANSYS仿真分析[2-3]，图4为筒体受内压15 MPa时的应力分析，可以看出最大应力（筒体底部）为428 MPa，远小于材料屈服极限σs，因此筒体强度满足要求[4]。图5为筒体受内压15 MPa时的位移变化分析，可以看出在O形圈内侧，位移量约为0.08 mm。图6、图7分别为上端盖的应力、位移变化仿真分析，可以看出上端盖最大应力为275 MPa，满足强度要求，O形圈密封处最大位移变化量约为0.12 mm。从仿真分析结果可以看出，当压力容器内压力达到15 MPa时，O形圈处因筒体和上端盖变形所产生的间隙约为：d=0.08 mm+ 0.12 mm=0.2 mm。此处O形圈的尺寸为ϕ365 mm× 5.3 mm，标准槽深为4.24mm，其标准压缩量为20%，当压力增大至15 MPa产生间隙后，其压缩量减小至约16%，压缩量减少导致了O形圈密封不住，所以出现泄漏现象，这与上述分析结果一致。

图4 筒体应力分析

图5 筒体位移变化分析

图6 上端盖应力分析

图7 上端盖位移变化分析

针对上述分析的原因，采取了以下两种方法进行结构优化。

图8 优化后的上端盖结构示意图

（1）增加上端盖的刚度，减小受压下的位移变化量

因上端盖受压下变形较大，因此需要增加其刚度，减少位移变化量，增加O形圈的压缩量，从而达到密封效果。重新设计的上端盖结构示意图如图8所示。其两端厚度由原来的25 mm增加至45 mm，其中与盖板连接处的厚度由原来40 mm增加至75 mm，并在20 MPa内压下进行了仿真计算（如图9所示），可以看出O形圈密封处最大位移变化量约为0.05 mm，位移变化量大大减小。

图9 优化后的上端盖位移变化分析

（2）在筒体上增加一道O形密封圈及增加金属挡圈

因筒体加工难度大且成本高，因此本次改进不重新设计筒体，只对原筒体进行局部改动，改进内容主要包括两个方面，一是在原O形圈外侧再增加一道O形密封圈，原因为原O形圈外侧筒体及上端盖在内压作用下其位移变化量要小得多，有利于O形圈密封。二是扩大原O形圈槽的宽度，以便安装金属挡圈[5]，其目的是通过金属挡圈来阻止O形圈在内压作用下挤入到筒体与上端盖间的缝隙内，从而确保密封。优化后的筒体结构局部剖面示意图如图10所示。

图10 优化后的筒体局部剖面示意图

在完成压力容器结构优化后，再次对其进行加压检验，以确认优化后的压力容器是否满足指标要求。通过活塞式压力计对压力容器进行加压至20 MPa，并保压12小时，发现压力容器保压效果良好。试验结束后拆开压力容器，检查O形密封圈，发现其并无挤压损坏痕迹，通过加压检验试验，验证了优化后的压力容器满足技术指标要求。

4 结论

利用ANSYS分析了一种小型压力容器在压力试验过程中出现泄漏的原因，其与理论分析结果一致，并根据分析结果对压力容器进行了结构优化。对优化改进后压力容器进行了压力试验，其满足试验指标要求。

［1］罗冬梅，汪文学，高雄善裕.深海钛合金压力容器在静水压力作用下的弹塑性分析［J］.船舶力学，2009，13（4）：603-608.

［2］缑林虎，郑锡涛，程勇.平面缠绕炭纤维压力容器大变形有限元分析［J］.固体火箭技术，2010，33（2）：205-208.

［3］骆晓玲，刘亮亮.复合材料压力容器的性能分析［J］.机械设计与制造，2011（5）：220-222.

［4］朱瑞林.圆筒形压力容器自增强若干问题研究［J］.机械工程学报，2010，46（6）：126-133.

［5］金志江，韩树新.基于循环J积分的压力容哭疲劳寿命预测的数值模拟［J］.机械工程学报，2007，43（10）：191-195.

The Design and Research of a Minitype Pressure Vessel

LIU Xiao-fang
（Yichang Testing Technique Research Institute，Yichang 443003，China）

The article introduces the compose of a minitype pressure vessel and particular explain the test process， the theory and ANSYS analyse have done for the leak reason，and raise the optimize methods according as the analysis result，and rework the pressure test.The test result indicates that the optimize pressure vessel has achieved the request.

pressure vessel；leak；improvement

TH49

：A

：1009－9492(2014)11－0048－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.013

刘晓芳，女，1980年生，吉林长春人，大学本科，工程师。研究领域：机械结构设计。已发表论文2篇。

(编辑：阮 毅)

2014－07－05