一種高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)釜及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于天然氣水合物合成與分解的實(shí)驗(yàn)裝置，具體為一種高壓有機(jī) 玻璃反應(yīng)蓋及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物被公認(rèn)為21世紀(jì)的重要后續(xù)能源，主要分布在海洋和凍±帶，是一 種潔凈能源，是自然界中天然氣存在的一種特殊形式，分布范圍廣、規(guī)模大、能量密度高、可 燃燒。由于天然氣水合物主要存在于海洋和凍±帶，在開發(fā)和利用天然氣水合物資源的過 程中，海底的低溫高壓條件很適合水合物生成，出現(xiàn)水合物堵塞管道的問題，嚴(yán)重影響水合 物的開發(fā)，甚至造成嚴(yán)重的事故。因此，研究天然氣水合物的合成對(duì)開發(fā)和利用天然氣水合 物資源中的天然氣有重要的意義。
[0003] 天然氣水合物合成與分解的實(shí)驗(yàn)研究，常采用不誘鋼反應(yīng)蓋，不誘鋼材料能承受 水合物合成的介質(zhì)條件和溫壓條件，但不能觀察到水合物合成與分解的狀態(tài)變化，不能實(shí) 現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的可視化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋及其設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)天 然氣水合物合成與分解過程的可視化研究，掌握水合物合成與分解的狀態(tài)變化。
[0005] 本發(fā)明采用技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)明提供了一種高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋，包括筒體、通過螺紋連接在所述筒體上 下兩端的端蓋，所述筒體為有機(jī)玻璃筒體，所述端蓋包括一體設(shè)置的圓形平蓋及平蓋封頭， 所述端蓋為不誘鋼端蓋，所述筒體與所述端蓋連接處螺紋的高度均設(shè)置為30mm。
[0007] 進(jìn)一步，所述筒體的內(nèi)直徑為60mm、高度為107mm，筒體中部無螺紋部分壁厚為 7.9mm，筒體端部加螺紋部分壁厚為9mm。
[000引進(jìn)一步，所述端蓋包括一體設(shè)置的圓形平蓋及平蓋封頭，所述圓形平蓋的厚取為 12mm，所述平蓋封頭厚度為3mm。
[0009] 進(jìn)一步，所述螺紋包括外螺紋和內(nèi)螺紋，所述螺紋的外直徑為78mm、中直徑為 76.7mm、內(nèi)直徑為75.8mm、螺距為2mm、工作高度為1.1mm，所述外螺紋牙底寬度為1.5mm、牙 頂寬度為0.25mm，所述內(nèi)螺紋牙底寬度為1.75mm、牙頂寬度為0.5mm，螺紋圈數(shù)為15圈，有效 旋合圈數(shù)為13圈。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋的設(shè)計(jì)方法，該方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求， 確定反應(yīng)蓋的設(shè)計(jì)參數(shù)，再分別對(duì)筒體、端蓋及筒體與端蓋的螺紋連接進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析計(jì) 算，主要包括各設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核計(jì)算。
[0011] 進(jìn)一步，反應(yīng)蓋的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
[001^ 設(shè)計(jì)容積：300mL
[OOU] 高徑比：1~2;
[0014] 設(shè)計(jì)溫度:-5~50°C;
[001引設(shè)計(jì)壓力：ISMPa;
[0016] 工作壓力：IOMPa;
[0017] 工作溫度:0~30°C;
[001引工作介質(zhì):去離子水、天然氣；
[0019] 主體材質(zhì)：304不誘鋼、PMMA。
[0020] 進(jìn)一步，運(yùn)種高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋的設(shè)計(jì)方法，具體包括W下步驟：
[0021] 步驟1，確定反應(yīng)蓋筒體內(nèi)徑和高度
[0022] 根據(jù)高徑比和容積，選取一初始內(nèi)徑化，根據(jù)/4,得到高度H。
[0023] 步驟2,確定筒體的厚度及強(qiáng)度校核
[0024] 內(nèi)壓筒體厚度計(jì)算公式為：
[0025] 式中，[0]t--設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；
[0026] Di--圓筒內(nèi)徑；
[0027] Pc--計(jì)算壓力，取ISMPa;
[002引 4一一焊接接頭系數(shù)，此處無焊接接頭，取4二1;
[0029] 代入數(shù)據(jù)得，得出筒體計(jì)算厚度S;
[0030] 將筒體計(jì)算厚度圓整，得到有效厚度Se。
[0031] 圓筒的強(qiáng)度校核為：
[0032] 步驟3,確定端蓋的徑向厚度及強(qiáng)度校核
[0033] 端蓋的厚度計(jì)算公式為：
[0034] 式中，[0]t-一設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；
[0035] Dc--圓筒外徑，Dc = Di+2Se。
[0036] 其他各參數(shù)指代同步驟1，帶入數(shù)據(jù)，將結(jié)果圓整，得出端蓋的徑向厚度。端蓋的強(qiáng) 度校核同步驟2。
[0037] 步驟4，確定端蓋的底部厚度Sp及強(qiáng)度校核
[0038] 計(jì)算公式為：
[0039] 其中，K 一一平封頭結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，可查表得到；
[0040] Dc--筒體外徑；
[OOW Tl--開孔削弱系數(shù)：
[0042] Sdi-一沿徑向截面上各開孔寬度總和；
[0043] 其他參數(shù)指代同步驟1，代入數(shù)據(jù)得端蓋的底部厚度并將其圓整得Sp;
[0044] 端蓋的強(qiáng)度校核為：
[0045] 步驟5，螺紋擠壓強(qiáng)度校核
[0046] 螺紋擠壓強(qiáng)度Op校核公式：
[0047] 內(nèi)外螺紋均為
[004引其中，F(xiàn)為軸向擠壓力；
[0049] Z為有效螺紋圈數(shù)；
[0050] Fi為一圈螺紋平均所受的軸向力，F(xiàn)i = F/z;
[0化1] A為擠壓面積，A = Jid出=地油；
[0化2] h為螺紋工作高度；
[0053] Cb為外螺紋中徑；
[0054] 化為內(nèi)螺紋中徑；
[0055] 步驟6，螺紋抗剪切強(qiáng)度校核
[0056] 抗剪切部位為螺紋的根部，其中內(nèi)螺紋為螺紋大徑處，外螺紋為螺紋小徑處。內(nèi)螺 紋剪切面面積為地B，外螺紋剪切面面積JIdib,其中，B、b分別為內(nèi)、外螺紋牙底寬度。
[0057] 螺紋剪切強(qiáng)度T校核公式：
[0化引外螺紋：
[0化9] 內(nèi)螺紋：
[0060] 其中，F(xiàn)為軸向剪切力；
[0061] Z為有效螺紋圈數(shù)；
[0062] Fi為一圈螺紋平均所受的軸向力，F(xiàn)i = F/z;
[0063] A為剪切面積，內(nèi)螺紋A =地B，外螺紋A = JTdib;
[0064] b為外螺紋螺紋牙底寬度；
[0065] B為內(nèi)螺紋螺紋牙底寬度；
[0066] di為外螺紋小徑；
[0067] D為內(nèi)螺紋大徑；
[0068] 步驟7，螺紋抗彎曲強(qiáng)度校核
[0069] 抗彎曲危險(xiǎn)截面為螺紋牙根部，螺紋彎曲強(qiáng)度Ob校核公式：
[0070] 內(nèi)螺紋：
[0071] 外螺紋：
[0072] 其中，F(xiàn)為軸向力；
[0073] Z為有效螺紋圈數(shù)；
[0074] Fi為一圈螺紋平均所受的軸向力，F(xiàn)i = F/z;
[0075] 步驟8，螺紋自鎖性判定
[0076] 自鎖性要求：廬^轉(zhuǎn)。
[0077] 螺旋升角


[0078] 當(dāng)量摩擦角 當(dāng)量摩擦系數(shù) ,
[0079] f一一螺旋副的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，無量綱，定期潤(rùn)滑條件下，可取0.13~0.17;
[0080] 0-一牙側(cè)角，為牙型角a的一半，e = a/2;
[0081 ] n-一螺紋螺旋線數(shù)，為便于制造，一般n ^ 4，運(yùn)里取n = 1;
[0082] 步驟9,螺桿強(qiáng)度校核
[0083] 筒體與端蓋的連接不考慮預(yù)緊力，只考慮軸向載荷，對(duì)于只受軸向載荷的空屯、筒 體螺栓連接，螺栓所受拉應(yīng)力為：
[0085]其中，F(xiàn)為軸向載荷；
[00化]di為外螺紋小徑；
[0087] do為筒體內(nèi)徑；
[0088] 步驟10,基于步驟1-9計(jì)算的各類參數(shù)設(shè)計(jì)筒體和端蓋，最后將筒體和端蓋通過螺 紋梓和到一起，得到高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋。
[0089] 步驟11，利用有限元軟件對(duì)高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋進(jìn)行參數(shù)、強(qiáng)度驗(yàn)證。
[0090] 本發(fā)明的有益效果：
[0091] 本發(fā)明提供一種高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋，可實(shí)現(xiàn)天然氣水合物合成與分解過程的可 視化研究，掌握水合物合成與分解的狀態(tài)變化，為天然氣水合物實(shí)驗(yàn)研究提供一種新方法； 而一般高壓反應(yīng)蓋由于反應(yīng)蓋材料為不誘鋼材料，不透明，不能實(shí)現(xiàn)過程的可視化，因而不 能觀察到過程中的狀態(tài)變化。能夠?qū)崿F(xiàn)過程的可視化是此高壓有機(jī)玻璃反應(yīng)蓋優(yōu)于一般高 壓反應(yīng)蓋之處。另外，本設(shè)計(jì)選用有機(jī)玻璃材料設(shè)計(jì)反應(yīng)蓋，屬于非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，無標(biāo)準(zhǔn) 可查。此外，利用有限元軟件對(duì)反應(yīng)蓋進(jìn)行分析驗(yàn)證，得到本設(shè)計(jì)得到的高壓有機(jī)玻璃反應(yīng) 蓋滿足實(shí)驗(yàn)要求，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。
【附圖說明】
[0092] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0093] 圖2為本發(fā)明筒體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0094] 圖3為本發(fā)明端蓋結(jié)構(gòu)示意圖；
[0095] 圖中：1、筒體;2、上端蓋;3、下端蓋。
【具體實(shí)施方式】
[0096] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0097] 如圖1~圖3所示，為本發(fā)明的一種實(shí)施例，包括筒體、通過螺