防爆开关壳体强度设计0穿墙套管

防爆开关壳体强度设计

防爆开关壳体强度设计 2011年12月09日 来源： 防爆开关的防爆特性，主要是由壳体的特殊设计来实现的，开展对防爆开关壳体设计理论的研究，对防爆开关的发展十分必要，本文对防爆开关壳体的强度设计作一探讨。1 引言防爆开关的工作环境，例如用于煤矿的防爆开关是工作在含有大量甲烷的空气混合气体中，当甲烷含量达到5%-16%时遇700℃的火源将发生爆炸，当甲烷含量在9.5%时爆炸力最大达7.4大气压，因此壳体设计就以技术条件所要求的8kg/cm3内压为依据，分析壳体受力情况和强度。2 壳体设计理论依据在压力容器设计中，容器在工作失效时所表现的强度性能、刚度性能、稳定性能的三种形式中，最重要的是强度问题，即在一定的压力下容器不会发生破裂或过量的塑性变形。常用防爆壳体外径为600mm左右，壁厚为36mm，在工业设计计算压力容器中属于薄壁容器。2.1 容器在内压下的受力分析如图1中所示:σm—轴向应力;σQ—切向应力;σr—径向应力。因为在薄壁容器中σr相对于σm、σQ较小，故可忽略。轴向应力（σm）计算：π（Dn+Dw）/2×tσrm=(πD2m)/4×P式中Dn—容器内径;Dw—容器外径;P—容器所承受的内压力;t—容器壁厚。因为薄壁容器中Dn、Dw相差不大，可用平均值D代替，所以上式简化为πDtσm=(πD2)/4×P得σm=PD/4t (1)切向应力(σQ)计算：如图1中所示：PsinQdQ·D/2·L=σQ2LtσQ=(PDL·4σQL)∫π0sinQdQ得：σQ=PD/2t (2)图1 圆筒形容器受力分析2.2 强度计算强度理论又称为“失效准则”或“失效判据”。由式 ( 2) 再考虑焊缝减弱及附加量等因素，可得:圆柱壳体 t≥(PDm/2[σ]φ－p)+C (3)椭球封头 t≥(PDm/2[σ]φ－p)·K+C (4)式中:P—设计压力，kg/cm2;[σ]—材料在设计温度下的许用应力;φ—焊缝系数或应力折减系数（＜1）;C—壁厚附加量cm;K—椭球封头形状系数，见图(2)K=1/6[2+(Dm/2hm)2]图2 椭球封头2.3 安全系数与许用应力的确定2.3.1安全系数对于炭钢:材料断裂安全系数nb=3.0 ;材料屈服极限的安全系数nb=1. 652.3.2许用应力的确定: 基本许用应力: [σ]g=σb/nb、或[σ]g=σb/nb设计许用应力: [σ]=Y[σ]g，其中y为毛坯质量系数，钢板的毛坯质量系数为1。2.4 强度设计中的相关问题2.4. 1最高工作压力与设计压力。设计压力应为最高工作压力的1.1-1.25倍。作为防爆开关外壳，防爆规程规定设计压力为1.5倍工作压力。2.4.2焊缝系数。焊缝系数φ是考虑焊接对容器强度的削弱，用以降低设计许用应力的一个系数，φ的大小取决于焊缝坡口形式，焊接方法，焊接工艺及焊接检验探伤严格性，对于双面焊的对接焊缝，又经水压试验φ=O.8。2.4.3壁厚附加量。壁厚附加量C=C1+C2+C3C1为钢板的负公差，依据板厚、取值在0.2-0.5mm;C2为加工中的工艺减薄量，因为防焊壳体为冷卷，冷校，故Cl=O;C3为腐蚀裕量，因为壳体不装腐蚀物体，故C3=0。3 防爆开关壳体设计归纳如前所述，薄壁容器的壁厚可由(3).(4)式得出:因为一般壳体封头中Dn/2hn接近于2,K 接近1，所以(3),(4)式可归纳为一式t≥[PDn/(2[σ]φ－P)]+C根据防爆壳体的基本特点(φ=0.8—0.9,C可取0.2—0.5mm，这样得:t≥[PDn/(1．6[σ]－P)]+0．4又对A3钢板[σ]可取1450kg/cm2;对矿用防爆开关P=1.5×爆炸力，即P=12kg/cm2.则t≥(12Dn/2308)+0．4=(Dn/192)+0．4 (5)因此可将(5)式做为设计防爆壳体壁厚的参考公式，该式已在多项设计中得到了验证。

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