高溫高壓下檢測浮體的裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計【含CAD圖紙全套+畢業(yè)答辯論文】

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購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 摘 要 油田固井浮體在固井過程中起著控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用。如果浮體失效，會降低固井質(zhì)量，甚至引發(fā)事故。因此對浮體的耐高溫、耐高壓性能進行檢驗有利于提高我國固井的質(zhì)量。本論文參照美國 國石油學會）的標準，建立一套對浮體進行高溫高壓性能檢驗的裝置，使其能模擬浮體井下高溫、高壓和長時間連續(xù)工作的環(huán)境，該系統(tǒng)包括高溫高壓工作艙、加熱系統(tǒng)和排油冷卻系統(tǒng)等部分。 本文首先進行了高溫高壓工作艙的設(shè)計。工作艙中的高壓釜是在高溫高壓環(huán)境下工作，其強度校核至關(guān)重要。本文在設(shè)計時采用了有限元分析方法對釜體 進行了熱 算其最大應(yīng)力是否滿足設(shè)計要求。此外對工作艙上蓋等其它組件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。 本文還對排油冷卻系統(tǒng)和注油系統(tǒng)進行了設(shè)計。在確定了換熱器類型的基礎(chǔ)上，通過換熱計算對傳熱面積進行校核，從而確定換熱器尺寸，并對注油回路進行設(shè)計。 最后在完成加熱系統(tǒng)設(shè)計之后進行了試驗。加熱系統(tǒng)設(shè)計包括加熱類型的確定，爐膛尺寸和安裝功率的計算。并對加熱加壓流程進行了設(shè)計，確定各測量溫度。利用所研制的浮體高溫高壓性能檢驗裝置進行了試驗，根據(jù)試驗提出了加熱加壓規(guī)程。 該項目的完成，不僅能檢驗我國浮體產(chǎn)品的質(zhì)量， 為企業(yè)增效益，提高浮體產(chǎn)品的售價，擴大國內(nèi)市場，還可使浮體產(chǎn)品直接進入國際市場，有利于產(chǎn)品出口創(chuàng)匯以及推動我國石油化學工業(yè)的發(fā)展，提高我國在國際社會的地位。 關(guān)鍵詞 浮體；高壓釜； 溫高壓性能 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 he is in to to to in of If is of be it It is to of so as to of in A of to of to PI in It of in in P in in of it is to In to of to so as to to of of in of on of of It to by it At of of of up to by of to It is to of of 買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 It to as as to of in 買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 目 錄 摘 要 ..................................................................................................................... I ................................................................................................................. 1 章 緒 論 ..................................................................................................... 1 題來源及研究目的和意義 ................................................................. 1 內(nèi)外研究狀況 ..................................................................................... 2 內(nèi)高壓釜研究狀 況 ................................................................... 2 外高壓釜研究狀況 ................................................................... 3 限元在高壓釜設(shè)計中的應(yīng)用 ............................................................. 4 文的主要研究內(nèi)容 ............................................................................. 5 第 2 章 高溫高壓工作艙設(shè)計 ............................................................................. 7 體簡介及浮體高溫高壓性能檢驗裝置構(gòu)成 ..................................... 7 體簡介 ....................................................................................... 7 體高溫高壓性能檢驗裝置構(gòu)成 ............................................... 9 作艙總體設(shè)計 ................................................................................... 10 作艙設(shè)計參數(shù)確定 ................................................................. 10 作艙結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 ................................................................. 11 體結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析 ............................................................... 13 體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................................................. 13 體強度有限元分析 ................................................................. 17 作艙上蓋組件設(shè)計 ........................................................................... 24 接預緊力矩計算 ............................................................................... 26 章小結(jié) ............................................................................................... 30 第 3 章 排油冷卻系統(tǒng)及注油系統(tǒng)設(shè)計 ........................................................... 31 熱器分類 ........................................................................................... 31 熱器設(shè)計 ........................................................................................... 31 熱計算 ..................................................................................... 31 構(gòu)優(yōu)化 ............................................................................................... 36 油系統(tǒng)設(shè)計 ....................................................................................... 37 油系統(tǒng)設(shè)計 ............................................................................. 37 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 壓站及管路設(shè)計要求 ............................................................. 37 章小結(jié) ............................................................................................... 38 第 4 章 加熱系統(tǒng)設(shè)計及試驗 ........................................................................... 39 熱方式及加熱爐結(jié)構(gòu) ....................................................................... 39 熱類型及爐型分類 ................................................................. 39 熱爐設(shè)計要求 ......................................................................... 39 膛尺寸計算 ............................................................................. 40 熱加壓流程設(shè)計 ............................................................................... 41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳感器作用 ......................................................... 41 統(tǒng)加熱加壓流程設(shè)計 ............................................................. 41 章小結(jié) ............................................................................................... 43 結(jié) 論 ................................................................................................................... 44 致 謝 ................................................................................................................... 45 參考文獻 ............................................................................................................... 46 附 錄 1 譯文 .......................................................................................................... 47 附錄 2 英文參考資料 .......................................................................................... 50 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第 1 章 緒 論 題來源及研究目的和意義 本課題來源于大慶市紅崗鉆井工具中試廠 ,為保證固井關(guān)鍵件油田固井浮體（簡稱浮體）產(chǎn)品質(zhì)量，依據(jù)美國石油學會（ 標準，建立一套浮體性能檢驗裝置。 固井是在鉆井、下入套管后，在套管的周圍加注水泥，如圖 1示。 1圖 1下灌注示意圖 固井是鉆井 工程中的重要環(huán)節(jié)，其主要目的是封隔井眼內(nèi)的油層和水層，保護油井套管、增加油井壽命以及提高產(chǎn)油量。在整個固井過程中，固井工具及附件的工作情況是影響固井質(zhì)量的重要因素，有的固井工具甚至是固井成敗的關(guān)鍵。固井工具在井下是否正常工作，除受地面操作的影響，井下環(huán)境也會影響固井工具的工作情況。浮體是油田固井過程中的一個關(guān)鍵工具。工作在超過 1000m 深度的地下，需要承受 35高壓和 230℃的高溫，同時工作中承受水泥的長時間沖蝕。浮體起著控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用，如果浮體失效，就會使固井質(zhì)量下降，甚至引發(fā) 事故。因此保證浮體質(zhì)量是保證購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 固井質(zhì)量的關(guān)鍵。所以，建立浮體耐高溫、耐高壓、耐沖蝕性能的檢驗裝置是非常必要的。它的完成可以檢驗我國浮體產(chǎn)品的質(zhì)量，擴大國內(nèi)市場，同時還可以使浮體直接進入國際市場。為企業(yè)增加效益，并有利地推動我國石油化學工業(yè)的發(fā)展。 浮體性能檢驗裝置包括高溫高壓性能和沖蝕性能檢驗兩部分。本文就高溫高壓性能檢驗裝置的研制加以闡述。浮體高溫高壓性能檢驗裝置的基本組成包括：高溫高壓工作艙、加熱系統(tǒng)、排油冷卻系統(tǒng)、注油系統(tǒng)等。 內(nèi)外研究狀況 浮體高溫高壓性能檢驗裝置是模擬井下的高溫高壓工作環(huán)境 ，對浮體的耐高溫、耐高壓性能進行檢驗的裝置。其中高溫高壓工作艙是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本文僅就構(gòu)成工作艙的高壓釜國內(nèi)外研究情況進行闡述。 內(nèi)高壓釜研究狀況 我國高壓容器的研究已有很長的歷史，而超高壓技術(shù)也開始于上世紀 50 年代末，當時第一套超高壓聚乙烯中試裝置建立，所有超高壓管式和釜式的反應(yīng)器全都是國內(nèi)自行設(shè)計和制造的。上世紀 60年代初人造水晶釜國產(chǎn)化初露頭角，至 90 年代初超高壓水晶釜制造能力達到 500 臺 /年以上，反應(yīng)釜規(guī)格從內(nèi)徑200250280300 400形成系列， 其質(zhì)量也與國外產(chǎn)品相當?？梢哉J為高壓容器的研究、設(shè)計、制造在我國已經(jīng)逐步形成一門綜合性很強的專業(yè)學科。 如圖 1示為射孔器檢測實驗用工作艙結(jié)構(gòu)，主要包括釜蓋、釜體、磁力耦合器、測溫元件、壓力表、內(nèi)冷卻盤管、推進式攪拌器、加熱爐等。該檢測裝置的工作原理：將被檢射孔器置于超高壓釜內(nèi)，再注入耐高溫液壓油，然后對釜內(nèi)液壓油進行加壓、加溫，模擬深井井下高溫超高壓環(huán)境，同時檢測射孔器的性能。 我國于上世紀 70 年代開始自行設(shè)計 500L 大容積高壓攪拌釜。經(jīng)過不斷的摸索和實驗，高壓釜的設(shè)計方法也由過去的設(shè)計計算、打壓試驗 到建立國標、編寫手冊再到運用有限元分析法等不斷的向世界先進行列靠攏。 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 外高壓釜研究狀況 一直以來國外在壓力容器的設(shè)計和制造方面都領(lǐng)先于國內(nèi)。美國機械工程 1防爆膜裝置 460圖 1孔器檢測用工作艙結(jié)構(gòu) 師協(xié)會（ 1914年制訂了第一部《鍋爐規(guī)范》標志著壓力容器的安全有了基本的保證。 979年編制了壓力為 70~1400后又 頒布了 第 3分篇《 第Ⅺ篇《玻璃纖維增強塑料壓力容器》。歐盟也于 1987年和 1997年分別通過了 “簡單壓力容器法規(guī) ”(87/404/“承壓設(shè)備法規(guī) ”(97/23/ 目前在高壓容器制造方面，日本、俄羅斯是以內(nèi)徑 600~1200產(chǎn)可達 1800~2000型高壓釜普遍采用壓力較低的生長工藝，約為80 而對加熱控制 系統(tǒng)及電力質(zhì)量要求極為嚴格。日本三菱重工已建成1000000℃的超高溫裝置，其容器系用 =6的厚壁容器，內(nèi)徑為 90體長度為 640買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 東京大學超高壓研究在室溫下已達到的壓力是 500 1600℃高溫條件下可達到的最高壓力是 25 國際上 “有限元 ”這個名詞于 1965 年開始出現(xiàn)，上世紀 70 年代該方法開始用于高壓釜設(shè)計、汽車、船舶等制造領(lǐng)域。而我國則是在上世紀 90 年代才在高壓釜設(shè)計上使用有限元分析方法，因此在高壓容器設(shè) 計方法上國外要遠領(lǐng)先于我國。 限元在高壓釜設(shè)計中的應(yīng)用 浮體性能檢驗用高壓釜屬于高壓容器，是典型的厚壁圓筒結(jié)構(gòu)。由于操作條件非?？量蹋O(shè)備的各部位應(yīng)力分布很不均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至發(fā)生斷裂性破壞。所以，通過對高壓釜進行詳盡的應(yīng)力分析，可以有針對性地在設(shè)計或制造時加以控制，必要時進行改進，保證設(shè)備的安全要求。 目前壓力容器及其部件的設(shè)計可分為基于彈性失效準則的 “規(guī)則設(shè)計 ”(基于塑性失效準則的 “分析設(shè)計 ”(其中分析設(shè)計法是工 程與力學緊密結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅能解決壓力容器常規(guī)設(shè)計所不能解決的問題 ,而且代表了近代設(shè)計的先進水平。我國分析設(shè)計規(guī)范是在美國分篇的基礎(chǔ)上建立起來的，并于 1995年在全國開始實施。 過去我們在設(shè)備的設(shè)計方面，通常采用傳統(tǒng)方法即人工計算的方法。為了安全起見，設(shè)計者往往選取較高的安全系數(shù)，導致所設(shè)計出的設(shè)備無論是在體積上、重量上還是筒體壁厚方面都較笨拙，在計算精度上離設(shè)計要求也相去甚遠。在設(shè)計承受內(nèi)壓（且其內(nèi)部壓力不穩(wěn)定）的壓力容器過程中，想要通過人工計算的方法來準確描述其載荷 則更是無法實現(xiàn)，只能依靠工程實踐中得到的經(jīng)驗值來估算設(shè)計中需要的一些參數(shù)。這樣所得到的結(jié)果誤差會很大，設(shè)計出的設(shè)備不論是外觀上還是性能上都達不到設(shè)計要求。但有限元分析方法誕生后，利用這種快捷、準確又有效的方法，對壓力容器特別是高壓和超高壓容器進行設(shè)計研究，所設(shè)計出的設(shè)備不僅質(zhì)量輕、體積小、節(jié)約材料，而且可以大大的節(jié)約產(chǎn)品在開發(fā)和生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的成本，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。為了滿足自動化、大型產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)要求，現(xiàn)在已開發(fā)出了能夠適應(yīng)各種設(shè)計要求的有限元分析軟件，不僅可以使產(chǎn)品批量、系列化的生產(chǎn)，還可以進行非 常規(guī)工藝、非常規(guī)結(jié)構(gòu)，參數(shù)復雜的多種設(shè)備的應(yīng)力較集中部分的校核。綜合以上各購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 項優(yōu)點，有限元分析方法已逐漸成為壓力容器設(shè)計過程中所不可或缺的一種重要工具。 “有限單元法 ”這個名稱自 1960 年由 出以來，至今已走過五十多個春秋，無論是在理論研究方面還是在其技術(shù)應(yīng)用方面都得到了迅猛的發(fā)展，它的理論以及計算方法也都有了長足的進步。有限單元法（ 稱 通過求解數(shù)理方程，然后再將計算機軟件同計算數(shù)學等理論有機結(jié)合起來的數(shù)值分析技術(shù)，是一種極佳的解決工程實際問題 的分析計算方法。 有限單元法的主要思想就是將連續(xù)體的求解域進行離散化處理，然后再將所有的邊緣結(jié)點重新連接成一個主體。這樣就把原來的無窮自由度問題轉(zhuǎn)化成了有限自由度問題，從而建立常微分方程組，通過對其求解來解決常規(guī)理論分析所解決不了的工程實際問題。 最早的有限元分析軟件是在 1965 年誕生的，它是由美國計算科學公司和貝爾航空系統(tǒng)公司受美國國家宇航局委托進行開發(fā)的 限元分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)展至今已開發(fā)出很多種版本。另外，德國設(shè)計開發(fā)的 國設(shè)計開發(fā)的 國設(shè)計開發(fā)的 及美 國設(shè)計開發(fā)的都是現(xiàn)在較知名的有限元分析軟件。 目前國際上最流行的有限元軟件是 件，該軟件將結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場以及聲場分析融為一體，并且它還被廣泛的應(yīng)用于各科學技術(shù)領(lǐng)域，同時在解決工程實際問題中也經(jīng)常使用該軟件。例如在機械制造、材料加工、航空航天、土木工程、電子電氣、國防軍工、造船、鐵道、汽車和石化能源等領(lǐng)域，它已成為必備的一種工具。該軟件的另一優(yōu)點就是可以在任意計算機的所有系統(tǒng)和平臺中進行操作，其兼容性非 常好。 具有分析非結(jié)構(gòu)場問題、模擬流 固、土壤滲流、電 合電磁、熱 結(jié)構(gòu)以及聲 此本課題采用完成高壓釜的動態(tài)強度有限元分析。 文的主要研究內(nèi)容 本課題研究的是如何建立一套能模擬浮體井下高溫、高壓和長時間連續(xù)工 作的環(huán)境對浮體進行高溫高壓性能的檢驗裝置。本文主要工作內(nèi)容如下： 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 （ 1） 對高溫高壓工作艙進行設(shè)計。先建立系統(tǒng)模型，再確定釜體及其上蓋組件的各項參數(shù)。 （ 2） 高壓釜強度有限元分析。研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力對釜體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，并 在模擬溫度場的基礎(chǔ)上進行熱 出優(yōu)化意見。 （ 3） 加熱系統(tǒng)設(shè)計。在設(shè)計中重點是確定安裝功率和各區(qū)測量溫度，并通過試驗確定加熱加壓規(guī)程。 （ 4） 排油冷卻系統(tǒng)設(shè)計。通過換熱量計算，確定其各項結(jié)構(gòu)參數(shù)，以保證試驗后釜內(nèi)介質(zhì)可快速冷卻后回到儲油池中。 （ 5） 注油系統(tǒng)設(shè)計。所設(shè)計的液壓回路要能夠保證提供系統(tǒng)工作所需的壓力。 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第 2 章 高溫高壓工作艙設(shè)計 體簡介及浮體高溫高壓性能檢驗裝置構(gòu)成 體簡介 （ 1）浮體結(jié)構(gòu) 如圖 2示為浮體結(jié)構(gòu)。浮體由閥芯、彈簧、固水泥、套管等部分組成。在固井過 程中，具有一定壓力的水泥漿利用彈簧的彈性流入套管外面，從而起到固井的作用。 a)外觀圖 b)結(jié)構(gòu)圖 1 圖 2體結(jié)構(gòu) （ 2）浮體在固井過程中的作用 ① 防止被注到套管外壁環(huán)空中的水泥漿沿套管內(nèi)壁上返 如圖 2示按照 U 形管原理，如果套管內(nèi)壓力不足，在沒有浮體時，注到環(huán)形空腔中的水泥漿會倒流到套管內(nèi)。而在固井時若套管內(nèi)壓力過大又會導致環(huán)空中的水泥產(chǎn)生孔隙。所以不采用加大套管內(nèi)壓力的方法來固井。浮體的單向閥作用避免了 U 形管現(xiàn)象，只 允許水泥漿保留在空中，不會倒灌入套管內(nèi)，同時還不會增加套管內(nèi)壓力。 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 1 圖 2 型管原理 ② 防止地層流體向上流動 一些油井鉆到一定深度后就會有液體出現(xiàn)，用浮體來控制流體液面是很重要的。如果套管內(nèi)靜壓力低于底部附近地層的壓力時，井眼內(nèi)的液體就會有向管內(nèi)流動的趨勢。此時，浮體裝置起到重要的控制作用。 ③ 減少鉆機負載 油井浮體所具有的特殊裝置，減少了過流端面，這是因為浮體具有防止流體在套管內(nèi)向上流動的作用。下套管時，使用此裝置所產(chǎn)生的向上的浮力要遠遠大 于沒有此裝置時的浮力。而鉆機負載是避免套管下降速度過快的向上的拉力，所以有了浮體可以減少鉆機負載。 ④ 減慢水泥漿自由下落 由于水泥漿的密度大于套管內(nèi)液體的密度，這樣水泥漿和套管內(nèi)液體存在密度差，這將導致水泥漿產(chǎn)生自由下落的傾向。而浮體減少了過流端面，在一定程度上減慢了水泥漿的自由下落。 （ 3）浮體的主要性能 ①耐高溫性能 浮體工作環(huán)境的溫度最高達 230℃。浮體構(gòu)成材料應(yīng)具備耐高溫的性能，即在 230℃的情況下仍能正常工作。 ② 耐高壓及反向承壓能力 浮體工作環(huán)境壓力近 35以浮體必須具有耐 高壓能力。另外，固井之后，環(huán)空中液體所產(chǎn)生的靜壓力大于相應(yīng)的套管內(nèi)液體的靜壓力，浮體必須具有抵抗作用于單向閥的高壓所產(chǎn)生的壓差的能力。 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 ③ 抗磨蝕性能 在固井過程中泥漿中所含有的高硬度顆粒對浮體產(chǎn)生磨蝕，這就要求浮體具有足夠的抗磨蝕性能。在工作周期內(nèi)，各個部位或溫度壓力上升的情況下，此裝置仍能正常工作。 ④ 流動阻力及反向流動阻力 由于浮體流動路徑上有一定的結(jié)構(gòu)，因而流體通過浮體循環(huán)時將產(chǎn)生壓力損失。用浮體的流動阻力來估計壓力損失，如果流體通過浮體時的壓力損失過大，循環(huán)速度將受到限制。當然，在某些情況下 ，希望有較大的壓力損失，其目的是減少套管內(nèi)水泥漿自由下落的速度。 閥體的反向流動阻力是衡量浮體壓力浮動性能的指標。下套管時允許地層液體從套管下端向上流入到套管內(nèi)，以減少下套管時的壓力波動。 ⑤ 可鉆性 浮體屬于一次性工具，固井后浮體無法取出，需要鉆碎。所以在選擇構(gòu)成浮體的材料時要考慮其可鉆性。 體高溫高壓性能檢驗裝置構(gòu)成 浮體高溫高壓性能檢驗裝置是模擬井下的高溫（ 230℃）、高壓（ 35作環(huán)境，完成浮體的耐高溫、耐高壓性能的檢驗。本系統(tǒng)采用釜外加熱，通過釜內(nèi)介質(zhì) —硅基油，達到試件 所需的溫度。再通過封閉的液壓回路，使釜內(nèi)達到試件所需壓力，實現(xiàn)井下工況的模擬。 系統(tǒng)包括： 高溫高壓工作艙：形成封閉的試件容器，通過加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)達到所需的高溫和高壓； 加熱系統(tǒng)：提供檢測溫度所需的熱量，并根據(jù)熱電偶所檢測到的數(shù)據(jù)進行等溫控制； 注油系統(tǒng)：提供檢驗所需壓力，并根據(jù)壓力傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)進行等壓控制； 排油冷卻系統(tǒng)：通過換熱器中的冷載體對工作艙內(nèi)介質(zhì)（硅基油）進行冷卻； 操作控制系統(tǒng)：按照檢驗程序和加熱加壓規(guī)程進行操作，實現(xiàn)溫度與壓力控制。 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖 2示。 12345 67 圖 2統(tǒng)總體構(gòu)成 作艙總體設(shè)計 作艙設(shè)計參數(shù)確定 （ 1）工作艙工作基本要求 ① 艙內(nèi)有效工作內(nèi)徑為 400工件最大外徑為 360作艙有效工作長度為 1000 ② 艙內(nèi)的工作壓力為 35作溫度為 230℃； ③ 工作艙工作的環(huán)境溫度為 0～ 40℃； ④ 被測試件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便； ⑤ 在正常的工作條件下，釜體不發(fā)生塑性變形，密封可靠不泄露，安全使用總 時間即工作艙壽命要大于（等于） 2000 小時 （ 2）設(shè)計壓力 容器的設(shè)計必須考慮最高工作壓力和最高工作溫度可能同時出現(xiàn)的最苛刻購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 條件的組合。設(shè)計壓力取略高于或等于最高工作壓力。 P ?? )中 設(shè)計壓力 最高工作壓力， 5代入上式后得 考慮到存在的其它實際問題，取設(shè)計壓力為 40 （ 3）設(shè)計溫度 釜內(nèi)介質(zhì)被熱載體或冷載體間接加熱或冷卻時，熱載體的設(shè)計 溫度根據(jù)加熱或冷卻的方式來選取，對于外加熱形式，取熱載體的最高工作溫度作為設(shè)計溫度。 工作艙內(nèi)工作介質(zhì)（硅基油）是通過釜體間接加熱的。因為釜內(nèi)試件試驗最高工作溫度為 230℃，為提高加熱效率，釜外加熱溫度應(yīng)高于該溫度。根據(jù)表2示的 35料的高溫強度，限定釜外加熱爐的最高溫度在 300～ 500℃之間，取其設(shè)計溫度為 400℃。 表 25料的高溫強度 t（℃） 20 100 100＜ t≤ 300 300＜ t≤ 500 500＜ t≤ 800 [б ]t（ 292 219 205 199 175 作艙結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 （ 1）工作艙基本結(jié)構(gòu)確定按容器的壓力 （ P） ，壓力容器可分為低壓、中壓、高壓、超高壓四個等級。具體為： ① 低壓容器 ＜ ② 中壓容器 P＜ 10 ③ 高壓容器 10 P＜ 100 ④ 超高壓容器 P ≥ 100 由檢驗系統(tǒng)技術(shù)要求可知，所設(shè)計的釜體工作壓力為 35高壓容器。 一般情況下，中、低壓容器大多數(shù)采用薄壁容器，高壓、超高壓容器多 采用厚壁容器。厚壁容器有單層厚壁和多層厚壁。單層厚壁結(jié)構(gòu)有： ① 單層卷焊式圓筒：適用于 D=400～ 3200P=10～ 100② 單層瓦片式圓筒：適用于 D=400～ 1800P=10～ 100③ 鍛環(huán)組成式圓筒：適用于 D=400～ 1000P=10～ 200購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 ④ 無縫鋼管式圓筒：適用于 D≤ 60⑤ 整體鍛造式圓筒：適用于 D≤ 1000P=10～ 200 ⑥ 整體鍛造自增式圓筒：適用于 D≤ 1000 P=10～ 200多層厚壁高壓容 器，用較薄鋼板一層挨著一層制造成厚容器。其綜合機械性能優(yōu)于單層厚壁高壓容器，但其成本高于單層厚壁高壓容器。 通過對比分析，整體鍛造式結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，可以外部控溫，制造成本相對較低，所以系統(tǒng)釜體采用整體鍛造式結(jié)構(gòu)。上蓋也是整體鍛件，用螺栓聯(lián)結(jié)形成封閉的高溫高壓工作艙。 （ 2）工作介質(zhì)選擇 由于硅基油可視為不可壓縮流體且其物性較穩(wěn)定，故工作介質(zhì)選硅基油。 （ 3） 工作艙總體結(jié)構(gòu) 如圖 2示浮體高溫高壓性能檢驗系統(tǒng)工作艙由釜體、上蓋、螺栓等部分組成。釜體和上蓋通過螺栓聯(lián)接形成封閉艙，被檢測浮體安裝在上蓋。先通過加熱爐對釜體進行加熱，達到所需溫度（ 230℃）后再加壓，當壓力達到 35 小時，從而檢驗浮體高溫高壓性能是否合格。 10圖 2溫高壓工作艙總體構(gòu)成 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 體結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析 體結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 1）釜體結(jié)構(gòu)形式 如圖 2示是整體鍛造成形的釜體，包括法蘭、筒體、封頭三部分。 1圖 2體結(jié)構(gòu) （ 2）筒體壁厚設(shè)計 筒體壁厚設(shè)計時，要在計算厚度的 基礎(chǔ)上考慮腐蝕裕量和壁厚負偏差以及企業(yè)安全系數(shù)，最后確定實際厚度。 壁厚 s =k · δm 式中 k——企業(yè)附加厚度安全系數(shù)， k=2～ δm——筒體名義厚度 ( δm =中 圓筒計算厚度 ( 壁厚負偏差 , 腐蝕裕量 ,根據(jù)圓筒計算厚度公式，知內(nèi)壓圓筒體壁厚： ? ? t ?? ?20（ 2 式中 —圓筒體的內(nèi)直徑 ( P ——設(shè)計壓力 ( 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 [σ]t——設(shè)計溫度下圓筒體材料的許用應(yīng)力 ( 將前面的已知條件代入式（ 2得： 00400 ??? ??S（ 取筒體名義厚度為 47壁厚 s =94～ 取 s=100圓筒外直徑 i+2s 已知 400入上式后得 00 3）封頭結(jié)構(gòu) 由于本設(shè)計封頭與筒體成一體，因此采用 平蓋中的矩形封頭。如圖 2 ①
封頭計算厚度： ? ? ??? ??? 2 圖 2蓋中的矩形封頭 式中 δ p——平蓋計算厚度（ 平蓋計算直徑（ k——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。由平蓋系數(shù) k 選擇有 k=購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 Φ ——焊縫系數(shù)。由整體鍛造決定 Φ =1 將各值代入式（ 2 ????p?（ 平蓋經(jīng)驗 厚度計算法 δL .1?s=100 所以 δ L=120～ 150 選 δ p、 δ L 中大值，k， 確定平蓋厚度為 δ =130 ② 由平蓋系數(shù) k 選擇表 [35]有 r≥ p 且6所以有 r≥ ?r（ 取 r=130 （ 4）開孔和開孔補強 在壓力容器的試驗中，由于結(jié)構(gòu)要求，常要在容器上開孔和聯(lián)結(jié)管。容器開孔后引起強度削弱和應(yīng)力集中，必須采取適當?shù)难a強措施，使孔邊應(yīng)力集中系數(shù)降低到某一允許值。由于應(yīng)力集中的局部性，局部峰值應(yīng)力允許超過殼體整體屈服的平均應(yīng)力，因此并不是所有開孔都要補強。 由機械設(shè)計手冊知，直徑滿足d ??? 需要進行補強 。 式中 開孔直徑（ 殼體直徑（ δ p——殼體開孔處的計算厚度（ 高壓釜需要在封頭底部開一注油孔，直徑為 8 即 ???sd(因為 8＜ 27，所以不需要開孔補強。 （ 5）強度校核 ① 溫差應(yīng)力的計算 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 在進行強度計算時考慮釜體壁厚溫度分布不均而引起的溫度差應(yīng)力，計算公式如下： 內(nèi)壁 0???????? ?????????(2)(220????（ 2 式中 k——圓筒的外直徑與內(nèi)直徑之比。 k=i=600/400=分別為內(nèi)、外壁壁溫（℃）。已知 04℃， 00℃ E——平均壁溫下材料的彈性模量（ E=2053 103α ——平均壁溫下材料的線膨脹系數(shù)（ mm/℃）。 可知， α =10℃ μ ——平均壁溫下材料的泊松比。 μ =將各值代入式（ 2 ? ?? ? ???????? ????? ?????????( 外壁 ? ?? ? ??????????????????12???（ 2 將各值代入式（ 2 ? ?? ? ? ?????????????????? ???② 在工作應(yīng)力和溫度同時作用下釜體的應(yīng)力計算 內(nèi)壁 ????k ln 22 ?????? ???（ 2 k ln ( 2 ?????? ???（ 2 將各值分別代入式（ 2式 (2 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 40??? r?( 1240( 22 ??????????i?( 1)312240( 2 ??????????z?(外壁 ?? 0r?2 ??? ????(2? ? 112 2 ??? ????（ 2 將各值分別代入式（ 2式 (2 )24340( 2 ????????t?（ )224340( 2 ?????????? z?(由于材料為： 35的許用應(yīng)力為 [σ ]=586實際加熱溫度一定小于 400℃，所以釜體設(shè)計合格。 體強度 有限元分析 為了進一步驗證設(shè)計的可靠性，用 件對高壓釜體結(jié)構(gòu)進行熱應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合的有限元強度分析。在得到危險截面后，考慮通過改變其中的某幾個參數(shù)對原釜體結(jié)構(gòu)進行修改，以降低該處的最大應(yīng)力，使設(shè)計更趨安全可靠。 析基本過程 1. 前處理過程 （ 1）定義單元類型 購買文檔就送對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 由于高壓釜體在工作時溫度升高，在約束的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生了熱應(yīng)力，因此在單元類型的選擇時，應(yīng)考慮到所選取的單元類型是否能滿足熱分析處理的要求。 其次，考慮到設(shè)計的高壓釜體壁厚較大，不能選用殼單元類型進行分析，否則可能會由于高壓 釜體沿壁厚各參數(shù)過大而導致錯誤的結(jié)果。 綜上考慮，定義單元類型為 具有 8 個節(jié)點。 （ 2）定義材料參數(shù) 因為，在 無單位的定義，所以需要在分析前限定其使用單位，現(xiàn)規(guī)定單位如下：長度： 強： 參照高壓釜設(shè)計內(nèi)容，定義材料參數(shù)如下： 高壓釜體材料： 35 可知： ① 力學性能：室溫時， бs=835 бb=980 MP