一种高压有机玻璃反应釜及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于天然气水合物合成与分解的实验装置，具体为一种高压有机 玻璃反应蓋及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 天然气水合物被公认为21世纪的重要后续能源，主要分布在海洋和冻±带，是一 种洁净能源，是自然界中天然气存在的一种特殊形式，分布范围广、规模大、能量密度高、可 燃烧。由于天然气水合物主要存在于海洋和冻±带，在开发和利用天然气水合物资源的过 程中，海底的低溫高压条件很适合水合物生成，出现水合物堵塞管道的问题，严重影响水合 物的开发，甚至造成严重的事故。因此，研究天然气水合物的合成对开发和利用天然气水合 物资源中的天然气有重要的意义。
[0003] 天然气水合物合成与分解的实验研究，常采用不诱钢反应蓋，不诱钢材料能承受 水合物合成的介质条件和溫压条件，但不能观察到水合物合成与分解的状态变化，不能实 现实验的可视化。
【发明内容】
[0004] 本发明实施例的目的在于提供一种高压有机玻璃反应蓋及其设计方法，可实现天 然气水合物合成与分解过程的可视化研究，掌握水合物合成与分解的状态变化。
[0005] 本发明采用技术方案如下：
[0006] 本发明提供了一种高压有机玻璃反应蓋，包括筒体、通过螺纹连接在所述筒体上 下两端的端盖，所述筒体为有机玻璃筒体，所述端盖包括一体设置的圆形平盖及平盖封头， 所述端盖为不诱钢端盖，所述筒体与所述端盖连接处螺纹的高度均设置为30mm。
[0007] 进一步，所述筒体的内直径为60mm、高度为107mm，筒体中部无螺纹部分壁厚为 7.9mm，筒体端部加螺纹部分壁厚为9mm。
[000引进一步，所述端盖包括一体设置的圆形平盖及平盖封头，所述圆形平盖的厚取为 12mm，所述平盖封头厚度为3mm。
[0009] 进一步，所述螺纹包括外螺纹和内螺纹，所述螺纹的外直径为78mm、中直径为 76.7mm、内直径为75.8mm、螺距为2mm、工作高度为1.1mm，所述外螺纹牙底宽度为1.5mm、牙 顶宽度为0.25mm，所述内螺纹牙底宽度为1.75mm、牙顶宽度为0.5mm，螺纹圈数为15圈，有效 旋合圈数为13圈。
[0010] 本发明还提供了一种高压有机玻璃反应蓋的设计方法，该方法根据实验的需求， 确定反应蓋的设计参数，再分别对筒体、端盖及筒体与端盖的螺纹连接进行设计和分析计 算，主要包括各设计参数、结构设计及强度校核计算。
[0011] 进一步，反应蓋的设计参数如下：
[001^ 设计容积：300mL
[OOU] 高径比：1~2;
[0014] 设计溫度:-5~50°C;
[001引设计压力：ISMPa;
[0016] 工作压力：IOMPa;
[0017] 工作溫度:0~30°C;
[001引工作介质:去离子水、天然气；
[0019] 主体材质：304不诱钢、PMMA。
[0020] 进一步，运种高压有机玻璃反应蓋的设计方法，具体包括W下步骤：
[0021] 步骤1，确定反应蓋筒体内径和高度
[0022] 根据高径比和容积，选取一初始内径化，根据/4,得到高度H。
[0023] 步骤2,确定筒体的厚度及强度校核
[0024] 内压筒体厚度计算公式为：
[0025] 式中，[0]t--设计溫度下材料的许用应力；
[0026] Di--圆筒内径；
[0027] Pc--计算压力，取ISMPa;
[002引 4一一焊接接头系数，此处无焊接接头，取4二1;
[0029] 代入数据得，得出筒体计算厚度S;
[0030] 将筒体计算厚度圆整，得到有效厚度Se。
[0031] 圆筒的强度校核为：
[0032] 步骤3,确定端盖的径向厚度及强度校核
[0033] 端盖的厚度计算公式为：
[0034] 式中，[0]t-一设计溫度下材料的许用应力；
[0035] Dc--圆筒外径，Dc = Di+2Se。
[0036] 其他各参数指代同步骤1，带入数据，将结果圆整，得出端盖的径向厚度。端盖的强 度校核同步骤2。
[0037] 步骤4，确定端盖的底部厚度Sp及强度校核
[0038] 计算公式为：
[0039] 其中，K 一一平封头结构特征系数，可查表得到；
[0040] Dc--筒体外径；
[OOW Tl--开孔削弱系数：
[0042] Sdi-一沿径向截面上各开孔宽度总和；
[0043] 其他参数指代同步骤1，代入数据得端盖的底部厚度并将其圆整得Sp;
[0044] 端盖的强度校核为：
[0045] 步骤5，螺纹挤压强度校核
[0046] 螺纹挤压强度Op校核公式：
[0047] 内外螺纹均为
[004引其中，F为轴向挤压力；
[0049] Z为有效螺纹圈数；
[0050] Fi为一圈螺纹平均所受的轴向力，Fi = F/z;
[0化1] A为挤压面积，A = Jid出=地油；
[0化2] h为螺纹工作高度；
[0053] Cb为外螺纹中径；
[0054] 化为内螺纹中径；
[0055] 步骤6，螺纹抗剪切强度校核
[0056] 抗剪切部位为螺纹的根部，其中内螺纹为螺纹大径处，外螺纹为螺纹小径处。内螺 纹剪切面面积为地B，外螺纹剪切面面积JIdib,其中，B、b分别为内、外螺纹牙底宽度。
[0057] 螺纹剪切强度T校核公式：
[0化引外螺纹：
[0化9] 内螺纹：
[0060] 其中，F为轴向剪切力；
[0061] Z为有效螺纹圈数；
[0062] Fi为一圈螺纹平均所受的轴向力，Fi = F/z;
[0063] A为剪切面积，内螺纹A =地B，外螺纹A = JTdib;
[0064] b为外螺纹螺纹牙底宽度；
[0065] B为内螺纹螺纹牙底宽度；
[0066] di为外螺纹小径；
[0067] D为内螺纹大径；
[0068] 步骤7，螺纹抗弯曲强度校核
[0069] 抗弯曲危险截面为螺纹牙根部，螺纹弯曲强度Ob校核公式：
[0070] 内螺纹：
[0071] 外螺纹：
[0072] 其中，F为轴向力；
[0073] Z为有效螺纹圈数；
[0074] Fi为一圈螺纹平均所受的轴向力，Fi = F/z;
[0075] 步骤8，螺纹自锁性判定
[0076] 自锁性要求：庐^转。
[0077] 螺旋升角
[0078] 当量摩擦角 当量摩擦系数 ,
[0079] f一一螺旋副的滑动摩擦系数，无量纲，定期润滑条件下，可取0.13~0.17;
[0080] 0-一牙侧角，为牙型角a的一半，e = a/2;
[0081 ] n-一螺纹螺旋线数，为便于制造，一般n ^ 4，运里取n = 1;
[0082] 步骤9,螺杆强度校核
[0083] 筒体与端盖的连接不考虑预紧力，只考虑轴向载荷，对于只受轴向载荷的空屯、筒 体螺栓连接，螺栓所受拉应力为：
[0085]其中，F为轴向载荷；
[00化]di为外螺纹小径；
[0087] do为筒体内径；
[0088] 步骤10,基于步骤1-9计算的各类参数设计筒体和端盖，最后将筒体和端盖通过螺 纹梓和到一起，得到高压有机玻璃反应蓋。
[0089] 步骤11，利用有限元软件对高压有机玻璃反应蓋进行参数、强度验证。
[0090] 本发明的有益效果：
[0091] 本发明提供一种高压有机玻璃反应蓋，可实现天然气水合物合成与分解过程的可 视化研究，掌握水合物合成与分解的状态变化，为天然气水合物实验研究提供一种新方法； 而一般高压反应蓋由于反应蓋材料为不诱钢材料，不透明，不能实现过程的可视化，因而不 能观察到过程中的状态变化。能够实现过程的可视化是此高压有机玻璃反应蓋优于一般高 压反应蓋之处。另外，本设计选用有机玻璃材料设计反应蓋，属于非标准件的设计，无标准 可查。此外，利用有限元软件对反应蓋进行分析验证，得到本设计得到的高压有机玻璃反应 蓋满足实验要求，从而验证了本设计的可行性。
【附图说明】
[0092] 图1为本发明结构示意图；
[0093] 图2为本发明筒体结构示意图；
[0094] 图3为本发明端盖结构示意图；
[0095] 图中：1、筒体;2、上端盖;3、下端盖。
【具体实施方式】
[0096] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0097] 如图1~图3所示，为本发明的一种实施例，包括筒体、通过螺