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摘要：压力容器壳体的封头都会对容器的性能造成直接的影响，而不同的封头形状、封头采用的缠绕模式又会对封头产生极为严重的影响。因此本文通过对实际球型封头压力容器产品的研发，具体分析缠绕成型工艺中存在的问题以及解决方法。
关键词：球型封头压力容器；结构层次；缠绕成型工艺；爆破压力
引言：在压力容器壳体的封头中一般采用两种缠绕方式，一种为螺旋缠绕，另一种为平面缠绕，这两种的线型所形成的网络单位均为螺旋型。但是对于椭圆球型而言，并不能够采用平衡型缠绕，因为压力容器封头形状无法改变，所以必须要加强对缠绕成型工艺的研究。
一、球形封头和筒身段的结构设计
在研制球形封头压力容器的的过程中，球形封头的结构设计以及筒身段的结构设计是十分重要的。
（一）球形封头结构设计
在设计球形封头的结构时，首先需要考虑球形封头的纤维缠绕方法，在实际研制的过程中，会受到客观条件的限制，因此想要保证纤维严格的缠绕在大圆上，且绕成容器是不现实的，只能够利用纤维的摩擦力，让纤维进可能的稳定接近大圆位置，最终形成一个包络纬度圈，但是这种缠绕方式，并不能够合理的满足均匀受力要求，因此必须要采用多包络圈的缠绕结构，从而满足封头的缠绕要求。除此之外，还要考虑球形封头表面的缠绕纤维提供的经纬向抗力，利用包络纬度圈的半径、球形封头表面任意点A的纬度半径、缠绕纤维在任意点A处与经线的交角、包络圈的纬度等数据，基于网络理论基本公式，推导出经纬向抗力。经过推导后，得到纤维密度以及在包络圈处的纬向抗力表达式，通过公式得到缠绕纤维的具体设计指标。
（二）筒身段结构设计
同样也需要利用到网络理论，来设计壳体的筒身段，在设计筒身段的过程中需要考虑三个方面的问题，分别为：各包络圈螺旋缠绕层在筒身段的缠绕角、筒身段环向缠绕纤维量的确定、以及缠绕纤维在筒身段提供的经向抗力及筒身段所承受的经向薄膜张力。必须要求出切根缠绕层的缠绕角α以及64.2包络圈及125.6包络圈的筒身缠绕角，只有在得到上述数据后，才能够保筒身段的设计合理，保证筒身段可以承载的最大爆破压力最大化。
（三）整个壳体的缠绕层次结构
整个壳体的缠绕层次结构是球形封头压力容器结构层次设计以及缠绕成型工艺研究的重点内容，根据上文的分析设计情况来看，整个壳体的缠绕层次结构如下：一个切根缠绕，64.2和125.6的两个螺栓缠绕包络圈半径以及筒身段的两层环向筒身段。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆上文中应用到的网络理论是一种刚度降级准则，实际上这种准则忽略了树脂基体对纤维所具有的粘结强度，因此在实际应用的过程中，采用这一理论设计出来的球型压力容器，更加保守。但是在实际设计的过程中，还需要适当提高缠绕纤维的强度，以此提高整个壳体的刚度。
二、成型工艺方面的问题及试验验证
（一）缠绕线型的确定
和球型压力容器不同，缠绕球形封头压力容易的缠绕线型更为复杂，对于球型容器的缠绕线型而言，一般采用的都是平面缠绕线型，球形封头压力容器为螺旋缠绕线型[1]。但是球形封头压力容器的缠绕线型需要根据球形封头压力容器的集合形状决定，只有如此，缠绕纤维才能够固定在筒身段上。实际上，球形封头压力容器的缠绕线型不仅可以采用单切点缠绕线型，还可以采用多切点缠绕线型。不过目前的缠绕设备无法实现精确控制，因此，目前通用的缠绕设备条件尚不具备精确控制纤维的能力，这样的情况下，在实际缠绕的过程中，必须要进行现场排线检测。值得注意的是，在确定缠绕线型扩孔位置时，必须要进行精确的设计计算，此外，在进行封头缠绕时,缠绕纤维必须要保证封头的点、尾处于同一直径上，封头包角必须要为180°。
（二）成型过程中问题
在成型过程中有两个问题需要注意，第一，芯模问题、第二，产品的层次结构、材料及缠绕成型问题。在实际应用的过程中，芯模必须要符合产品的形状、尺寸的精度等方面要求，还要满足成型工艺要求。因此，在解决芯模问题时，可以采用三种解决方式，分别为：内衬芯模、组合芯模、水溶性砂芯模。经过实际分析，三种方法各有优缺，因此通过对比成型情况后，选择了水溶性砂芯模。除此之外，产品的层次结构、材料及缠绕成型问题也要引起重视。本文研制的产品中使用了丁腈橡胶用来制作密封内衬层，有效解决了壳体的密封问题。并且采用一种特殊的粘接工艺和粘接剂粘接密封内衬层与承载结构层，同时采用一种纤维复合材料构成的壳体结构，从而有效减轻壳体重量，并且提高壳体的密封性。
（三）研制成品的试验验证
为了进一验证本文研究出来的球形封头压力容器的性能，确保缠绕成型工艺的科学性，本文将对制作好的1：1试验件展开具体的测试试验。通过对试验件的疲劳性能及爆破压力测试，确定产品是否满足国家给出的技术指标，相关性能是否正常，复合机构以及成型工艺是否合理。根据产品设计要求，对球形封头压力容器的疲劳性能以及爆破压力性能先进行测试，具体的测试流程如下：
第一，在球形封头压力容器内部注满水；第二，开始加压，直到压力达到2.4MPa，保持这个压力0.5分钟后，将压力下降到0；第三，反复重复第二步骤，重复最少10次；第四，加压直到球形封头压力容器爆破为止，确定最终的爆破压力。需要注意的是，球形封头压力容器只有在第三步时，没有发生泄漏，并且在最终的爆破压力大于5MPa，才能够说这个产品合格。经过上述测试过后，发现在疲劳试验过程中，球形封头压力容器一切正常,封头壳体没有出现损坏。最大承载的爆破压力为10.5MPa，最终被破坏的部位位于球形封头压力容器筒身中段。根据这一情况来看，本文研究出来的球形封头压力容器结构合理，成形缠绕工艺可以在实际应用的过程中使用，缠绕层次结构设计也十分合理[2]。
总结：综上所述，如果想要进一步提高封头可以承受的内压载荷，同时也不会出现明显的变形，就要采用平面缠绕。而本文通过对实际产品的研制分析，采用了不同的方法对球型封头压力容器，这种不同以往的缠绕成型工艺，有效解决了在成型工艺中出现的问题。
参考文献：
[1]汪阳, 陆博福. 分瓣冲压成型大径球封头工艺及模具设计[J]. 石油和化工设备, 2016, 19(7).
[2]刘芳, 张亚培, 田文喜. 椭球形与球形下封头压力容器内熔融物滞留传热特性分析[J]. 原子能科学技术.
论文作者:王明浩,周波, 宋俊峰
论文发表刊物:《科技新时代》2019年1期
论文发表时间:2019/3/18
标签：球形论文; 封头论文; 压力容器论文; 壳体论文; 身段论文; 包络论文; 纤维论文; 《科技新时代》2019年1期论文;