内压作用下环壳变形的实验测试分析

　　1　引　言

　　环形圆壳简称环壳,是一种结构特殊的承压零部件,在石油化工设备和管道中得到广泛的工程应用。内拱处开口环壳如Ω型密封环,在汽柴油加氢精制装置反应器出口第一台高温(设计温度415℃)高压(8·2MPа)换热器中使用,具有良好的技术经济性[1,2];又如Ω型环壳用作波纹管和膨胀节来缓解管道或换热设备中的热应力,具有耐高压及单波位移量较大等优点[3,4]。闭口整体环壳如催化重整装置轴向反应器的原材料分配室或其他立式容器内的喷洒分布环(图略),对半环壳即是常见的回弯头,四分之一环壳即是常见的90°弯头。近似的环壳如弯曲系数较小的螺旋盘管,等等。因此,环壳也是重要的承压零部件。

　　鉴于环壳具有独特的结构特性,必然引起独特的受力特性和变形特性,特别是内压作用下其弯曲应力的理论求解既因难又过分简化,环壳的薄膜应力解已不能满足工程精度的要求。迄今为止,关于环壳的受力分析很少报道,本文对其在内压作用下的应变变形及应力进行了实验测试分析。

　　2　实验试件及实验方案

　　2·1　Ω型开口环壳的实验方案

　　Ω型环壳试件的圆环内半径为17mm,开口宽为8mm,圆环中心线的直径为329mm,模型名义厚度为0·5mm,材料为奥氏体不锈1Cr18Ni9Ti。

　　应变变形通过电阻应变仪测试系统来测量。图1中的应变测点1位于外拱处,其他各点按顺序沿Ω型环壳外表面作顺时针排例。点1与点2、点2与点3、点3与点4之间的夹角为30°,点4与点5、点5与点6之间的夹角为25°。

　　2·2　塑胶闭口环壳的实验方案

　　环壳1、环壳2和环壳3等3个大小不一的塑胶薄膜游泳圈,环壳4为广州产的珠江牌650—15号橡胶汽车轮胎的内胎。塑胶环壳弹性好,内压下容易变形,能使实验发现明显的变形规律。

　　如图1所示,在每一个环壳试件的外表面规则地划出环向和经向的分格网格线,当环壳内初步充满压缩空气时测量各有关几何尺寸数据,继续向环壳内充入压缩空气,先后在小中大三个具体数额不确定的压力等级停下,确保内压稳定,测量各有关几何尺寸数据。当环壳充满空气后,测量其经向和环向弧段长时,应该使用软尺。

　　3　实测结果

　　Ω型开口环壳应力随内压的变化曲线如图1和图2所示,塑胶闭口环壳变形趋势随环向位置的变化曲线如图3和4所示。

　　4　结果分析

　　4·1　Ω型开口环壳的结果分析

　　由图2及其他结果看出,内压下环向应力和经向应力的实测值均是一条曲线,且因其包含的应力性质与有限元分析的结果一致,曲线的走势均分别与文献[5]中图6、图7所示该Ω型环壳的有限元分析结果曲线走势一致,与其他研究者的成果也一致[3,4]。