等容重柱形壳和球壳的耐外压实验研究

    工程设计的最主要任务是保证结构设计强度,使其能在规定的工作时间内,在具体的载荷条件下安全地工作.结构设计、材料的选用、成形工本因素[1-2].石油工业需要一种表面光洁耐腐蚀的薄壁结构件实现密封,并要求能在原油中浮起且能承受一定的静水外压.为此本文根据弹性稳定性理论[3]计算和比较了在静水压下柱形壳和球壳的耐压强度,通过优化选择设计并利用板料粘性介质压力成形技术[4]制造了球形和球台形件,成形后的工件经修边焊接而成球台封头的柱形壳及球壳两种薄壁结构.利用试验进行了强度校核和验证,分析了薄壁结构几何参数对结构强度的影响.

    1　理论计算

    根据要求,需要一种薄壁结构壳体能承受静水外压为13 MPa且局部直径小于75 mm的球形面来实现密封,为此首先利用弹性稳定性理论计算直径均为70 mm的不同厚度薄壁不锈钢闭口圆柱壳和球壳在保证能在原油中浮起的前提下的耐静水外压的性能指标.

    1.1　柱壳能承受的理论压力

    柱壳能承受的理论压力可根据下式确定[2]:

E为材料的弹性模量,γ为泊松比,n为周向波数,m为纵向半波数,L为柱壳长度,t为柱壳的厚度,R为柱壳的半径.

    表1为数值计算结果,其中第二列数据由浮起条件给出.由于材料并非理想材料且结构上不够理想,实际承受的压力通常是理论值的0.25-0.5倍.

式中:G,V分别为闭口圆柱壳的重量和容积,不锈钢的密度取ρ1=7.9 g/cm3.

    由表1可见,柱壳厚度不同,浮起所需的长度也不一样,导致能承受的理论压力也不一样.满足承压要求的柱壳厚度为1.8~1.9 mm,但长度太长,不便于工程应用.因而考虑选用厚度约为1·0 mm的规格钢管,并加上加强筋以增强钢管的承压能力.

    1.2　球壳能承受的理论压力

　　球壳能承受的理论压力可根据下式确定[2]:

式中:E为材料的弹性模量,ν为泊松比,t为球壳的厚度,R为球壳的半径.

    球壳能在油中浮起的尺寸及可以承受的理论压力见表2.同样,由于材料并非理想材料且结构上不够理想,实际承受的压力通常是理论值的0·25~0·5倍.

    由表2可见,当球壳外径等于70 mm时,若实际承受压力为理论值64.23 MPa的0.25倍,即约16 MPa时其最大厚度应为1.10 mm,否则将不能浮起,因而成形后的球壳的当量厚度应小于该值.对比表1与表2,可以看到,等容重球壳的承受理论压力值远远大于柱壳.

    2　结构设计和成形工艺

    根据上述的理论结果,对圆柱壳和球壳结构几何尺寸的进行优化选择,设计了如图1所示的两种形式的结构壳体,球面部分的直径皆为70 mm.图1(a)为不锈钢柱形壳.考虑到密封需要,采用球台封头.根据文献[1],图1(a)所示的柱形壳的耐压能力的计算近似转化为一定长度的圆柱壳的稳定性问题,因此可用上节柱壳能承受的理论压力结果来进行优化设计,参照表1选取柱壳长度为120 mm;另外,考虑到在原油中柱壳应保持竖直,因而柱壳下底面选用4 mm较厚圆板以便使整体重心在下部.由于其刚度稍差,需设法增加刚度.图1(b)为选用厚度为1.0~1.1 mm的球壳.