一種低溫有機玻璃壓力容器的研制

王軍寧，李亞鵬

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

一種低溫有機玻璃壓力容器的研制

王軍寧，李亞鵬

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

介紹了一種可觀察容器內部情況的低溫有機玻璃壓力容器。針對有機玻璃容器在低溫狀態下脆性增大，承壓危險性大，密封困難的特點，設計了一種金屬與非金屬組合結構的壓力容器，保證了容器的承壓安全，實現了其與上下封頭的安全密封。同時結合生產實際，介紹了此類容器制造安裝關鍵技術，對非金屬壓力容器的制造和設計有一定的價值。

壓力容器；有機玻璃

0 引言

壓力容器廣泛應用于航空航天、石油化工等科研生產中，某任務需設計一種可觀察容器內部情況的壓力容器，提出一種有機玻璃壓力容器設計要求。工業有機玻璃一般用于常溫承壓，用于圓柱容器承壓時一般壓力較小（小于0.2MPa），且內徑小可整體成型制造。筆者介紹的有機玻璃壓力容器使用溫度-40℃，使用壓力0.4MPa，內徑692mm，此種低溫下的有機玻璃脆性增大，用于承受高壓愈發困難，內徑較大的情況下，筒體無法整體成型，普通結構不能保證容器的承壓安全，需要一種特殊結構滿足設計要求。

1 關鍵結構設計

1.1 筒體設計

為增加筒體的整體強度，保證容器承壓安全，采用了在有機玻璃筒體外部增加金屬框架的方法。在機械制造過程中，為提高結構的整體強度，常采用金屬與非金屬的粘接結構。但由于金屬與非金屬屬于不同材料，它們之間的粘接比較困難，容易發生脫粘等問題，造成粘接強度降低，影響整體結構的運行安全。為了解決這一問題，采用了一種增加過渡層的設計，圖1為有機玻璃壓力容器筒體結構簡圖。如圖1所示，為了保證粘接強度，在有機玻璃筒體與金屬框架之間增加了有機玻璃過渡層，筒體與過渡層之間采用粘接結構，過渡層與金屬框架之間采用栓接工藝。同種材料之間的粘接更加牢固，既保證了整體結構強度，又實現了有機玻璃筒體與金屬框架之間的有效連接。

1.2 密封設計

本次設計的有機玻璃壓力容器承壓較高，密封時所需的密封力較大。有機玻璃許用應力較低，在承受較大彎矩時有發生破壞的危險。為此，在設計時，將密封法蘭設計為金屬與非金屬的組合結構，具體結構見圖2。如圖 2所示，密封法蘭采用金屬與非金屬之間增加過渡層的設計，密封面在有機玻璃筒體端面，同時為了進一步減小密封力，設計采用了O形圈密封?？紤]加工問題，將O形圈凹槽設計在金屬封頭一側。

圖1 有機玻璃壓力容器筒體結構

圖2 有機玻璃壓力容器密封結構

2 制造安裝關鍵技術

2.1 高溫退火消除有機玻璃內應力[1～4]

有機玻璃筒體屬于非標結構，其加工是通過烘箱整體加熱，板材壓制成型。在冷卻定型的過程中，材料中會留有一定的殘余應力，影響筒體強度。同時為保證密封面粗糙度，筒體兩端須進一步加工，而有機玻璃晶向組織為單向流線型，單向內應力較大，加工后單向變形也較大，往往出現加工到位后尺寸回彈的問題，尺寸精度穩定性較差。

有機玻璃是一種記憶材料。記憶材料是指材料在某種特定條件（如溫度）下變形，改變條件后定形，如再回到原有產生變形的條件（溫度）下，又能恢復變形。利用有機玻璃這一特性，在筒體定型，粗車端面后，對其整體進行高溫退火，保溫一段時間后，材料恢復到其原始狀態，內部應力消除，然后再進行精車。這樣做可以增加材料加工穩定性，同時消除殘余應力后，筒體強度有所保證。

2.2 采用特定工裝消除附加裝配應力

為了減小密封力，容器封頭法蘭選用O形圈密封。在裝配筒體兩端封頭時，預緊力會使得O形圈對有機玻璃筒體兩端產生擠壓。此時，一旦有螺栓預緊力不一致，兩端面預緊力不對稱的情況，就會使得有機玻璃筒體產生內應力，影響筒體的強度。

為此在裝配時采用特定裝配工藝，圖3為有機玻璃壓力容器裝配工裝。如圖3所示，為保證有機玻璃筒體兩端預緊力對稱，裝配時，在容器兩端密封法蘭相對的螺孔之間使用同一根長螺桿，根據牛頓第三定律，螺桿兩端的預緊力相同。為保證同一法蘭面上的螺栓預緊力一致，在螺桿之間設置了螺套對預緊力加以限制，同時擰緊螺栓時，配合力矩扳手一同使用，進一步保證了螺栓預緊力的均勻，對稱。

圖3 有機玻璃壓力容器裝配工裝

3 結論

金屬與非金屬之間增加過渡層的組合結構解決了金屬與非金屬直接粘接容易脫粘的問題，可以有效提高有機玻璃壓力容器強度，保證壓力容器的承壓安全。在制造安裝過程中采用特殊工藝，消除了有機玻璃筒體內部應力，在容器生產和使用過程中取得良好效果。

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TH49

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.018

1002－6673（2014）01－050－02

2013－11－15

王軍寧，（1983-），女，北京人，工程師。主要從事機械產品設計工作。