钢复合材料构造的压力容器技术发展的分析-化工过程机械专业论文.docxVIP

浙江大学博士学位论文摘 浙江大学博士学位论文 摘 要 —7现代工业的飞速发展，拓宽了压力容器的应用范围，同时也为压力容器工 程技术提出了新的挑战．如何适应未来21世纪压力容器工程技术的发展要求， 是摆在人类面前的一个重大课题． 作者导师，浙江大学朱国辉教授近年赴美讲学期间提出的“钢复合材料构 造的压力容器技术”新概念和针对不同应用场合的u槽扣合绕带容器与全双层 结构等合理的钢复合材料具体压力容器新构想，正是针对人类这一重大课题而 发出的全面合理的回应，并获得了美国AsMB同行专家的肯定和好评，其所发 明的“扁平绕带式压力容器”作为钢复合材料压力容器的突出典型代表技术， 已分别以编号2229和2269被批准正式列入AS础B锅炉与压力容器规范，Section VIII，DMsmn l和Division 2，该型压力容器技术在国际上已被允许用于制造内 径达3．66m的各种高压、高温、耐腐蚀等大型高压容器． 在导师的指导下，了本文首先客观地提出了对未来压力容器工程技术发展的 根本要求，围绕着这些根本要求，探讨了压力容器工程技术应如何从全方位去 满足这些要求；并进而对“钢复合材料构造的压力容器技术”新概念和新构想 从理论与实践的结合上客观地作出了全面深入的分析研究． ——f大量实践已经证明，复合材料能够克服其组分材料的弱点，而具有优于组 分材料的综合性能，甚至具有组分材料所不具备的性能．细薄材料、逐步成 型，材质可靠、构造灵活、制造简化、应力均匀、缺陷分散、层间止裂、整体 抑爆等是复合材料压力容器的基本特性．所以如能使压力容器结构复合材料化 应是压力容器工程技术顾应时代发展要求的必然趋势。然面通常的纤维复合材 料却有许多难以克服的致命弱点，因而其应用范围十分有限．但如能以现有各 种窄薄截藤压力容器用钢取代各种非金属纤维材料，形成“钢复合材料构造的 压力容器”，则现有复合材料压力容器的基本特性均能保持，而且在简化制 造、降低成本和实现在线安全状态自动监控等方面还更有新的发展．这就是 “钢复合材料压力容器”的基本思想．所以本文认为，钢复合材料构造的压力 容器技术必将是压力容器工程技术的一个重要发展方向． 通过对通常的复合材料的分析，并针对当今众多的压力容器结构进行剖 析，作者认为，全部采用通常的复合材料来制造压力容器显然不现实；而当今 众多的压力容器结构，如带穿透性焊缝的单层薄壁和厚壁容器，以及带深环焊 缝的各种多层式压力容器结构，都不或基本都不拥有类似于复合材料的“复 合”功能；采用分散焊缝的多层结构，如整体包扎式压力容器，由于其制造过 程冗长，效率低下，造价离昂，实际上也不是合理的钢复合材料类型的压力容 器．以我国新型扁平绕带压力容器为主要代表的结构体系。由于其构造上的独 到之处，因而是一种真正具备钢复合材料特性的压力容器结构型式．它是对 “复合”思想的发展，是对通常的复合材料结构的扬弃——溉具有普通复合材 料的“复合”功能；又避免了普通纤维复合材料的弱点，如脆性、对缺陷的敏 摘要感性、老化现象以及造价高昂等等．为发掘钢复合材料压力容器固有的特性， 摘要 感性、老化现象以及造价高昂等等．为发掘钢复合材料压力容器固有的特性， 本文继而深入地揭示了该类压力容器的钢复合材料性质；作者认为，正是这一 结构体系的钢复合材料特性，使之具有长远的发展潜力．这为推动钢复合材料 压力容器的进一步发展提供了理论分析依据． 在分析研究钢复合材料压力容器结构体系品质的基础上，作者进一步对钢 复合材料构造的压力容器技术的相关内容进行了探索，旨在充实、完善钢复合 材料构造的压力容器技术的理论体系． 普通复合材料构件之间或其与金属构件之间的连接一般采用胶接、机械连 接(包括铆接，螺接和特种紧固件连接)和混合连接的方式．对普通纤维复合材 料来说，连接是其薄弱环节．钢复合材料压力容器则采用焊接连接方式，并且 可完全避免深环焊缝，钢带与封头的连接采用斜面分散焊缝结构．本文从断裂 力学以及焊接结构的性能等方面对斜面分散焊缝进行了剖析，论证了这种新型 焊缝结构形式安全可靠的必然性．， 本文认为，钢复合材料压力容器的重要品质之一就是具有合理、良好的应 力分布■瞧今为止，对于钢复合材料压力容器应力状态的研究仅限于距离容器 端部足够远的简体中部，尚未牵涉边缘应力；而且正因为如此，在扁平绕带式 压力容器列入“ASME规范”时，由于对其边缘应力无据可依，因面对该类容 器带间的焊接长度等问题只好采取偏于保守的规定．这对提高钢复合材料压力 容器的生产效率和降低其成本大为不利．为此本文对边缘应力问题进行了详尽 的分析研究，以充实、完善钢复合材料构造的压力容器技术理论体系．为研究 钢复合材料压力容器的边缘应力，作者首先另行建立了厚壁圆筒的应力理论， 据此研究并比较了单层厚壁容器和钢复合材料压力