钢制薄壁内压圆筒静强度的试验研究

    1问题的提出

    钢制薄壁内压圆筒形容器的静强度,指的是其屈服压力和爆破压力,目前通常用中径公式计算钢制薄壁内压圆筒形容器的静强度。尽管这一方法已被工程实例证明具有计算简便和安全可靠的优点,但笔者分析认为存在如下问题值得讨论:①工程实际中有一部分薄壁内压圆筒形容器的长径比较小,当容器封头有足够强度和刚度,且筒体较短时,封头对筒体有加强作用,在满足一定的条件下,这种加强作用会提高容器的静强度,因此钢制薄壁内压圆筒应存在类似于外压容器的长、短圆筒之分;②中径公式未考虑封头对筒体的加强作用,因此用中径公式可计算封头对筒体无加强作用的内压长圆筒静强度,如用其计算封头对筒体有加强作用的短圆筒静强度误差会较大;③内压短圆筒的静强度如何计算?④钢制薄壁内压长、短圆筒如何区分?即其临界长径比应如何计算?

    2计算短圆筒静强度的经验公式

    2.1基本分析

    笔者假定,短圆筒静强度的计算公式形式为

式中a,b—经验系数,待定;

    k—圆筒径比, 

    δ—圆筒壁厚,mm;

    L—计算长度,包括筒体长度和封头直边高度,mm;

    D_i—圆筒内直径,mm;

    σ—筒体材料的机械性能指标,σ可取抗拉极限σb或屈服极限σs,MPa;

    P₁—短圆筒的静强度,当σ取σs时表示圆筒的屈服压力Ps1;当σs取σb时,P1表示圆筒的爆破压力Pb1,MPa。

    2.2经验数据a,b的回归分析

    由式(1)可得

    通过试验测量出P1、k、L与Di,即可得到xi与yi的均值,即

    2.3试验研究

    为了确定系数a与b,本研究采用了低碳钢制造的薄壁内压圆筒容器进行了液压静强度试验。试验容器采用与圆筒等厚的标准椭圆封头,对于内直径400mm容器,封头直边高度h=25mm,对于内直径为600及800mm容器,封头直边高度h=40mm。试验容器的爆破口均出现在筒体中部附近,属于典型的延性爆破。试验容器的结构尺寸及试验结果见表1,其中第S5号600mm的容器压力升至5.00MPa左右,封头与筒体联接处出现泄漏,未能测得爆破压力;经验系数a、b的计算数据见表2。

表1钢制内压薄壁圆筒的结构尺寸与试验结果

序

号

容器内

直径Di

(mm)

计算

长度L

(mm)

壁厚δ

(mm)径比k材质σs(MPa)σb(MPa)Ps实(MPa)Pb实(MPa)

S1 400 650 3 1.015 Q235-A267.47381.59 4.1 6.01

S2 400 550 3 1.015 Q235-A267.47381.59 4.47 5.98

S3 400 780 4 1.0133Q235-A267.47381.59 3.55 5.70

S4 600 680 4 1.0133Q235-A267.47381.59 3.75 5.80