專利名稱：瓜瓣式結構無模脹形制造球形容器工藝的制作方法
球形容器具有受力均勻，承壓高，重量輕及外形美的優(yōu)點，所以廣泛應用了石油化工、冶金、輕工等部門所為壓力容器。傳統(tǒng)的制造方法為先下料壓出球瓣及封頭，然后裝配焊接進行打壓試驗，即先成形后焊接方法。1985年，王仲仁教授等提出球形容器整體脹形新工藝(中國專利局，專利號85106571·6)，是對球形容器制造方法的重大變革。其要點是將板料組焊成封閉的多面殼體，然后再從內(nèi)部施加壓力脹形成球。這種方法的主要優(yōu)點是不需要壓力機和模具就可以加工球形容器，可以省去壓力機的巨額投資及模具加工費，可以縮短生產(chǎn)周期，這對于多品種生產(chǎn)顯得非常優(yōu)越。此外，脹形實質(zhì)上是“超載”處理，可以大幅度減少焊縫附近的殘余應力，可以代替打壓試驗。
脹形用多面殼體的結構形式是這項工藝的關鍵技術之一。在初期，我們采用的多面殼體結構如附

圖1所示。這些多面殼體由平板組成或數(shù)個錐臺及平板組成。這幾種多面殼體在薄壁球形容器的制造上獲得了成功。但在厚壁球形容器的制造過程中遇到了一些困難，主要表現(xiàn)在(1)脹形過程中，焊縫變形復雜，焊縫沿縱向先呈波浪狀，后變成圓弧。這對焊縫自身有一定的損傷作用。采用這幾種結構的厚壁多面殼體在脹形過程中易出現(xiàn)開裂，影響脹球過程的順利進行。
(2)由錐臺和平板組成的多面殼體在脹形中環(huán)焊縫在壓應力作用下由于彈塑性失穩(wěn)出現(xiàn)垂直焊縫方向的皺紋，而這些皺紋是在后面的脹形過程中不能消除的。這就使成形后的球形容器難以滿足有關球形壓力容器的檢驗標準。
(3)脹形成球過程中，多面殼體的面積增加率大，焊縫和母材的變形量大，脹球過程中的內(nèi)壓力高，焊縫的應力水平高，開裂的可能性大。另外，脹成球后，壁厚減薄量大，塑性儲備也有所降低。
(4)脹形后，原多面殼體的“丫”型焊縫處出現(xiàn)夾角影響脹成球的橢圓度。
針對以上困難，我們提出了瓜瓣式結構無模脹形制造球形容器工藝，它的基本思想是將板料切割成一定形狀的板坯，然后在彎卷設備上予彎成一定形狀的單曲率殼(它的中面是由直線段的兩個端點在兩條曲線上移動時，直線段所描述出的空間曲面，可以是柱面，可以是錐面。)，即瓜瓣，然后將這些瓜瓣組合，或?qū)⒐习昱c平板組合構成封閉的多面殼體，充入傳壓介質(zhì)(如水、油、空氣等)加壓或采用高能方法(如爆炸法，電磁成形法等)，使殼體發(fā)生塑性變形，在內(nèi)部壓力的作用下，多面殼體最終將成為理想的球殼。本工藝與以往的整體脹形制造球形容器工藝的區(qū)別主要反映在脹形用的多面體殼的結構上。瓜瓣式多面殼體結構有許多種，但在脹形中較好的主要是下面三種1、桔瓣式如附圖2a，2b所示，附圖2a為三帶桔瓣式多面殼體，1為赤道帶，2為上極帶，3為下極帶;附圖2b為五帶桔瓣式多面殼體，1為赤道帶，2為上溫帶，3為下溫帶，4為上極帶，5為下極帶。這種多面殼體的主要特征是可以做成這樣的球形容器，其上的焊縫分布與傳統(tǒng)球形容器中的桔瓣式球形容器焊縫分布一致。在桔瓣式多面殼體中，瓜瓣和平板的布置方法為瓜瓣按燈籠的形式沿四周布置，零曲率母線(即柱面母線)在不同水平面內(nèi)，平板(多邊形板或圓平板)，放在上部和下部與四周的瓜瓣一起形成封閉的球內(nèi)接或近似球內(nèi)接的多面殼體，如附圖2a所示。這時的多面殼體由三帶組成，即赤道帶1和兩極帶2、3。當要求制造的球形容器直徑大時，可以增加帶數(shù)，附圖2b所示的多面殼體分為五個帶(赤道帶1，上溫帶2，下溫帶3，上極帶4和下極帶5)。當要求制造的球形容器直徑更大時，則帶數(shù)還可以增多。帶與帶之間的接合靠瓜瓣彎卷成形時形成的折邊實現(xiàn)，或?qū)⒄圻叢糠值鼐沓梢欢ㄐ螤畹闹婊蝈F面實現(xiàn)。帶與帶之間的接口(如附圖2a、2b中的各緯向環(huán)焊縫)形成的封閉曲線可以是圓，可以是平面多邊形，也可以是其它曲線。一般來說，當緯向環(huán)縫構成的封閉曲線為圓周或平面多邊形時，多面殼體的裝配要容易得多。制造壓力容器時，不同帶的縱焊縫要相互錯開，如附圖2b所示。
在附圖2a、2b中，除了上極線和下極線(最上面和最下面的線條)外，其余線均表示焊縫，而上、下極線可以是焊縫，也可以由母材形成的。
這種多面殼體焊縫短，裝配簡單。
需要指出的是這種多面殼體結構除了用于制造球形容器外，還可以用于制造橢球形容器，水滴狀容器和蘑菇狀容器或其它形狀的“怪球”形容器，所不同的是，此時的這種多面殼體 將分別內(nèi)接或近似內(nèi)接于封閉橢球面，水滴狀封閉曲面、蘑菇狀封閉曲面或其它形狀的封閉曲面。另外，附圖2a所示的結構還可以用于制造可切割成兩個大直徑容器封頭的扁球形容器，或單個封頭。
2、足球式如附圖3a、3b所示。這種多面殼體的主要特征是可以做成這樣的球形容器，其上的焊縫分布與傳統(tǒng)球形容器中的足球式球形容器焊縫分布一致。在足球式多面殼體中，瓜瓣的布置方法為瓜瓣分布在球內(nèi)接正方體(每個棱的長度相等的正平行六面體)的各個側面上。每一側面上的瓜瓣的直線段母線與相鄰側面上的瓜瓣的直線段母線在空間上對應呈交叉狀。各個側面上分布的瓜瓣數(shù)為2個或2個以上。每個側面上的瓜瓣與相鄰側面上的瓜瓣靠瓜瓣彎卷成形過程中形成的折邊實現(xiàn)接合或?qū)⒄圻叢糠值貜澗沓梢欢ㄐ螤畹闹婊蝈F面實現(xiàn)接合。所有側面上的瓜瓣一起構成一封閉球內(nèi)接或近似球內(nèi)接的多面殼體。瓜瓣組焊成多面殼體后，該多面殼體的每條焊縫處在一定的曲線段上，而這些曲線段的各部分的曲率圓均在曲線段的同一側。每個側面上的瓜瓣數(shù)可根據(jù)要制造的球形容器直徑的大小取適當?shù)臄?shù)目。一般來說，直徑越大，每個側面上的瓜瓣數(shù)目就越多。一般每個側面上的瓜瓣數(shù)相同。附圖3a為每側面上瓜瓣數(shù)目為3的多面殼體，而附圖3b為每側面上瓜瓣數(shù)為5的多面殼體。
這種多面殼體具有更短的焊縫，更省料。
同時需要說明的是，這種結構除了可用于制造球形容器外，還可以用于制造橢球形容器、水滴狀容器和蘑菇狀容器或其它形狀的“怪球”形容器，所不同的是，瓜瓣分布在長方體上，且多面殼體將內(nèi)接或近似內(nèi)接于某一封閉橢球面，水滴狀封閉曲面，蘑菇狀封閉曲面或其它形狀的封閉曲面。
3、桔瓣足球混合式如附圖4a、4b所示。在附圖4a中，1為赤道帶，2為上溫帶，3為下溫帶，4為上極帶，5為下極帶。這種多面殼體的主要特征是可以做成這樣的球形容器，即其上焊縫的分布與傳統(tǒng)球形容器中的桔瓣足球混合式球形容器的焊縫分布一致。在附圖4a中，一部分(赤道帶1)為桔瓣式組合，其余部分(上溫帶2，下溫帶3和上極帶4，下極帶5的瓜瓣為足球式組合。附圖4a為含有一個桔瓣式帶的混合式多面殼體，赤道帶與上、下溫帶的接合靠赤道帶的瓜瓣在彎卷成形過程中形成的折邊實現(xiàn)或?qū)⒄圻叢糠值貜澗沓梢皇切螤畹闹婊蝈F面實現(xiàn)。這種結構集桔瓣式的易裝配和足球式的省料的優(yōu)點為一體，是一種即省料，裝配又簡單的多面殼體結構。所有的瓜瓣組焊在一起形成一球內(nèi)接或近似球內(nèi)接的封閉多面殼體。當要建造的球形容器直徑大時，可以增加桔瓣式部分的帶數(shù)或足球式的上、下極帶的瓜瓣數(shù)。附圖4b為桔瓣式部分分為三帶的混合式多面殼體。
在附圖4a和附圖4b中，桔瓣式帶的緯向環(huán)焊縫為圓周或平面多邊形，而其余焊縫均處在一定的曲線段上，這些曲線段的各部分的曲率圓均在曲線段的同一側。
同樣，這種結構除了可用于制造球形容器外，還可以用于制造橢圓形容器，水滴狀容器和蘑菇狀容器或其它的“怪球”形容器，所不同的是，此時的這種多面殼體將分別內(nèi)接或近似內(nèi)接于封閉橢球面，水滴狀封閉曲面，蘑菇狀封閉曲面或其它形狀的封閉曲面。
采用瓜瓣式結構的多面殼體建造球形容器保持了整體脹形法制造球形容器的優(yōu)點，即(1)不需要模具和壓力機;
(2)下料、組裝和焊接過程較傳統(tǒng)工藝簡單，可實現(xiàn)一次精確下料;
(3)整體成形過程有利于減少由于焊接引起的殘余壓力，且可代替打壓試驗;
(4)市場變化適應性強，生產(chǎn)過程所需的設備簡單。
除此之外，用瓜瓣式結構的多面殼體建球還有其特殊的優(yōu)點。即(1)焊縫短特別是足球式和桔瓣足球混合式的多面殼體更是如此;
(2)材料利用率高;
(3)焊縫人都處在球面上或在球面的近距離處，多面殼體更接近于球殼，球面在脹形過程中，整個多面殼體的變形量小，面積增加率小，板厚減薄量也小，多面殼體脹球所需的內(nèi)壓力低。這有利于降低焊縫處的拉應力，使多面殼體更易于成球，而且由于焊縫變形量很小，塑性指標基本上不發(fā)生變化。
(4)“丫”型焊縫處在脹形成球后不出現(xiàn)尖角;
(5)焊縫在脹形過程中變形簡單，不發(fā)生縱向的波浪，而且不會出現(xiàn)由錐臺組成的多面殼體脹形過程中焊縫產(chǎn)生由于彈塑性不穩(wěn)而形成的皺紋。
實踐表明 瓜瓣式結構的多面殼體不僅適用于建造薄壁球形容器，而且適用于建造厚壁球形容器。建造球形容器用材料可以記00F，G3131，16MnR，20g，1Gr18Ni9Ti等等容器常用材料。一般來說，如果材料的延伸率達到20%，焊接性能較好，即可以用任意厚度的這些材料采用瓜瓣式結構無模脹形工藝建造球形容器。利用上面幾種結構的多面殼體脹形成的球形容器完全滿足鋼制壓力容器標準JB741-80和有關的球形容器檢驗標準。
最后要說明的是瓜瓣式無模脹形制造球形容器工藝還可以用在建筑行業(yè)的容器或結構上，如水塔、球形建筑結構和其它類形結構。
權利要求
1.本工藝采用封閉多面殼體整體脹形法制造球形容器。其特征是將板料下成一定形狀的坯料，在彎卷設備上成形為單曲率殼，即瓜瓣，然后組焊這些瓜瓣或瓜瓣和平板形成封閉的多面殼體。在殼體內(nèi)部填入傳壓介質(zhì)(如水、油或氣體)，加壓使多面殼體發(fā)生變形，最后成為球形容器。多面殼體的內(nèi)部加壓也可以采用高能方法，如爆炸法或電磁成形法。
2.權利要求1中的瓜瓣是單曲率殼。它的中面是由直線段的兩個端點在兩條曲線上移動時，直線段所描述出的空間曲面。當直線段做平行移動時，描繪出的曲面為柱面，單曲率殼靠彎卷設備獲得。
3.權利要求1中的多面殼體可以是桔瓣式的。瓜瓣按燈籠的形式沿四周布置，零曲率母線在不同的水平面內(nèi)，平板(多邊板或圓板)放在上部和下部。平板和瓜瓣一起構成封閉的球內(nèi)接或近似球內(nèi)接的多面殼體。當要做的球殼直徑大時，可以增加多面殼體的帶數(shù)。帶與帶之間的接合靠瓜瓣在彎卷成形時形成的折邊實現(xiàn)，或?qū)⒄圻叢糠值貜澗沓梢欢ㄐ螤畹闹婊蝈F面實現(xiàn)。帶與帶相接構成的封閉曲線可以是圓周或平面多邊形，也可以是其它曲線。這種殼體脹球后的焊縫分布可以與傳統(tǒng)的桔瓣式球形容器焊縫分布一致。
4.權力要求1中的多面殼體可以是足球式的，即瓜瓣分布在球內(nèi)接正方體的各個側面上，構成球內(nèi)接或近似球內(nèi)接的封閉多面殼體。每一側面上的瓜瓣與相鄰側面上的瓜瓣交叉相接。每一側面上的瓜瓣與相鄰側面上的瓜瓣的接合靠瓜瓣彎卷成形過程中形成的折邊實現(xiàn)或?qū)⒄圻叢糠值貜澗沓梢欢ㄐ螤畹闹婊蝈F面實現(xiàn)。這種多面殼體可以實現(xiàn)脹球后焊縫的分布與傳統(tǒng)的足球式球形容器焊縫分布一致。當要做的球形容器直徑大時，可以同時增加每側面上的瓜瓣數(shù)。
5.權利要求1中的多面殼體可以是混合式的，其特征是中間部分為桔瓣式的，而上、下部分為足球式的球內(nèi)接或近似球內(nèi)接的多面殼體，桔瓣帶與足球帶的接合靠桔瓣帶的瓜瓣在彎卷成形過程中形成的折邊實現(xiàn)，或?qū)⒄圻叢糠值貜澗沓梢欢ㄐ螤畹闹婊蝈F面實現(xiàn)。接合處的封閉曲線可以是圓周，可以是平面多邊形，也可以是其它曲線。當要做的球形容器直徑大時，可以增加桔瓣式部分的帶數(shù)或足球式部分的瓣數(shù)。采用這種多面體可以得到焊縫分布與傳統(tǒng)的桔瓣足球混合式球形容器焊縫分布一致的球形容器。
6.權利要求3中的桔瓣式多面殼體可以用來制造橢球形容器、水滴狀容器和蘑菇狀容器及其它形狀的“怪球”形容器，也可以用來制造各種容器封頭。此時多面殼體內(nèi)接或近似內(nèi)接相應的封閉曲面。
7.權利要求4中的足球式多面殼體可以用脹形法制造橢球形容器，水滴狀容器和蘑菇狀容器及其它形狀的“怪球”形容器。此時多面殼體內(nèi)接或近似內(nèi)接相應封閉曲面。
8.權利要求5中的桔瓣足球混合式多面殼體可以用以制造橢球形容器，水滴狀容器和蘑菇狀容器及其它形狀的“怪球”形容器。此時多面殼體內(nèi)接或近似內(nèi)接相應的封閉曲面。
全文摘要
球形容器廣泛應用于石油、化工、輕工等部門作為壓力容器。本工藝采用整體脹形法，但多面殼體是由瓜瓣(一定形狀的單曲率殼)或瓜瓣和平板組焊成的，即瓜瓣式多面殼體。這類多面殼體具有脹形時易成球，成球后質(zhì)量好的優(yōu)點。成球后焊縫的分布可以與傳統(tǒng)的球形容器的焊縫分布一致。實踐證明，這類多面殼體可用于建造大直徑、厚壁球形容器，且建造的球形容器滿足有關球形容器的檢驗標準。
文檔編號B21D26/00GK1061551SQ9010922
公開日1992年6月3日 申請日期1990年11月19日 優(yōu)先權日1990年11月19日
發(fā)明者王仲仁, 董建令 申請人:王仲仁, 董建令