一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器的制造方法
【專利摘要】一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器，其技術(shù)特征是：利用壓力容器內(nèi)、外壁存在的壁溫差，使壓力容器器壁內(nèi)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，溫差高于使壓力容器外壁面產(chǎn)生屈服的溫差，因而溫差應(yīng)力使壓力容器形成近內(nèi)、外壁面部分為塑性區(qū)，中間部分為彈性區(qū)的結(jié)構(gòu)。保持該溫差一定時間使溫差應(yīng)力穩(wěn)定后消除該溫差，壓力容器因此獲得有利于抵消部分操作應(yīng)力的殘余應(yīng)力，從而降低和均化壓力容器器壁中的應(yīng)力、提高其承載能力與安全性。
【專利說明】
一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型為一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器，涉及機(jī)械、化工、制藥、能源、材料、食品、 冶金、石油、建筑、航空、航天、兵器等技術(shù)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓力容器是許多工業(yè)部門的關(guān)鍵、特種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如機(jī)械、化工、 制藥、能源、材料、食品、冶金、石油、建筑、航空、航天、兵器等部門。壓力容器的主體部分絕 大多數(shù)是圓筒，圓筒承受工作壓力時，其器壁中的應(yīng)力很不均勻。容器厚度越大，應(yīng)力越不 均勻。若按最大應(yīng)力設(shè)計壓力容器，會使其壁厚很大，壁厚大不僅浪費(fèi)材料、資源、資金，增 加成本，還有安全隱患。須設(shè)法降低容器器壁中的應(yīng)力，才能提高容器的強(qiáng)度，節(jié)約材料、降 低成本，并提高壓力容器的安全性。降低容器器壁中的應(yīng)力的方法有很多，自增強(qiáng)技術(shù)即是 降低和均化應(yīng)力、提高壓力容器承載能力及其安全性的重要而有效的手段。壓力容器自增 強(qiáng)的具體方法又有很多，例如，在容器投入使用前對其施加較大的機(jī)械壓力，使其內(nèi)層部分 材料產(chǎn)生塑性變形，外層部分材料仍為彈性狀態(tài)，卸除機(jī)械壓力后，便在容器器壁中產(chǎn)生機(jī) 械預(yù)應(yīng)力(殘余應(yīng)力）：內(nèi)層部分材料為壓應(yīng)力，外層部分材料為拉應(yīng)力。機(jī)械預(yù)應(yīng)力與容器 操作壓力引起的應(yīng)力相疊加即可降低應(yīng)力。而本實用新型則采用溫差預(yù)應(yīng)力自增強(qiáng)方法構(gòu) 造一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器。較之于機(jī)械預(yù)應(yīng)力壓力容器和彈性溫差預(yù)應(yīng)力壓力容器，中 溫預(yù)應(yīng)力壓力容器更安全、便捷、可靠、節(jié)省、靈活，因為（1)靠溫差應(yīng)力產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的方法 不存在施壓介質(zhì)，故沒有危險性，也不需要昂貴的水壓機(jī)等施壓設(shè)備；（2)溫差的控制相對 較為容易，因而溫差應(yīng)力的大小及其均勻性容易得到保證；（3)-旦溫差應(yīng)力過大，由于不 存在壓力介質(zhì)，因此不至像機(jī)械應(yīng)力那樣引起壓力容器爆炸等災(zāi)難性事故;（4)設(shè)計人研究 發(fā)現(xiàn)，溫差預(yù)應(yīng)力的大小及分布規(guī)律與溫差dt緊密聯(lián)系，因此，可根據(jù)操作條件而改變dt以 獲得不同的操作應(yīng)力狀態(tài)，可見容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間很大，這就能夠獲得機(jī)動靈活的設(shè)計方 案；（5)彈性溫差預(yù)應(yīng)力壓力容器需要在壓力容器工作時也維持所需溫差，一旦消除溫差， 溫差預(yù)應(yīng)力就不存在，這不但需要耗費(fèi)能源，操作不便，而且，若生產(chǎn)過程不允許有溫差存 在，則彈性溫差預(yù)應(yīng)力壓力容器就不可行；而本實用新型所構(gòu)造的中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器是 對壓力容器機(jī)械加熱和冷卻處理，使其內(nèi)、外壁面形成溫差，溫差超過一次屈服溫差，即溫 差已經(jīng)使壓力容器產(chǎn)生了屈服，消除溫差后有殘余應(yīng)力存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實用新型的目的是提供一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器。
[0004] 本實用新型所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器，其特征是:所述 中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器筒壁存在溫差殘余應(yīng)力，其總應(yīng)力為溫差殘余應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力相疊 加;所述中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器的結(jié)構(gòu)為:筒壁處于內(nèi)、外層為塑性、中間層為彈性的彈塑性 狀態(tài)。
[0005] 使中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器筒壁存在溫差殘余應(yīng)力，形成筒壁處于內(nèi)、外層為塑性、中 間層為彈性的彈塑性結(jié)構(gòu)的具體措施是:對壓力容器內(nèi)壁面進(jìn)行加熱，或?qū)毫θ萜魍獗?面進(jìn)行冷卻，或同時對壓力容器內(nèi)壁面進(jìn)行加熱，而對外壁面進(jìn)行冷卻，使其內(nèi)、外壁面存 在溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力；溫差超過二次屈服溫差，即超過壓力容器外壁面剛剛進(jìn)入屈服的 溫差，而低于整體屈服溫差，即低于壓力容器整個壁厚剛剛?cè)壳臏夭?所述二次屈服 溫差為此。2，
，其中E為容器材料的彈性模量、a為容器材料 的熱膨脹系數(shù)、u為容器材料的泊松比、sy為容器材料的屈服強(qiáng)度、k為容器的徑比，k=rci/ ri; 由于二次屈服溫差高于一次屈服溫差，因而壓力容器外壁面進(jìn)入屈服時，內(nèi)壁面必然已經(jīng) 屈服，因此，溫差超過二次屈服溫差后，溫差應(yīng)力使壓力容器處于內(nèi)、外層為塑性、中間層為 彈性的彈塑性狀態(tài);保持溫差一定時間使溫差應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定后消除溫差，壓力容器內(nèi)、外層 材料由于已屈服而不能恢復(fù)原狀，而中間層材料為彈性狀態(tài)力圖恢復(fù)原狀，因而在壓力容 器中形成了溫差預(yù)應(yīng)力，或溫差殘余應(yīng)力;所述壓力容器工作時的總應(yīng)力為溫差預(yù)應(yīng)力與 機(jī)械應(yīng)力相疊加。所述機(jī)械應(yīng)力指壓力容器工作壓力P所產(chǎn)生的應(yīng)力，所述壓力容器工作壓 力P為內(nèi)壓。
[0006] 本實用新型的有益效果和優(yōu)點是:利用溫差形成一種部分材料為塑性、部分材料 為彈性的壓力容器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力可抵消一部分由其操作壓力所 引起的機(jī)械應(yīng)力，以均化其應(yīng)力分布，從而增強(qiáng)壓力容器的承載能力，以形成一種中溫預(yù)應(yīng) 力壓力容器。本實用新型還提供了對壓力容器進(jìn)行技術(shù)處理以獲得部分材料為塑性、部分 材料為彈性結(jié)構(gòu)的控制溫差。其余有益效果和優(yōu)點如"【背景技術(shù)】"末尾(1)至(5)所述。
【附圖說明】
[0007] 圖1是近內(nèi)、外壁為塑性區(qū)，中間為彈性區(qū)的圓筒形壓力容器。
[0008] 圖2是典型的內(nèi)加熱時的彈性溫差應(yīng)力分布圖。
[0009] 圖中：1為塑性區(qū)1; 2為塑性區(qū)2; 3為彈性區(qū)。
【具體實施方式】
[0010]壓力容器的主體部分絕大多數(shù)為圓筒，設(shè)圓筒形壓力容器內(nèi)、外半徑分別為η、Γ。， 帶下標(biāo)i、〇的符號分別代表內(nèi)、外壁面上的值；內(nèi)、外壁溫分別為tnt。。筒壁任一半徑為r處 的溫度為t。參見說明書附圖1，該圖為二次屈服后、整體屈服前的狀態(tài)。經(jīng)分析、研究，圓筒 形壓力容器內(nèi)、外壁存在溫差dt時，器壁中任一點處(半徑為r)的溫差應(yīng)力為：
[0011]
[0012] 其中，Srt、Stt、Szt-徑向、環(huán)向、軸向溫差應(yīng)力，MPa;
[0013] pt-熱載荷
[0014] E-壓力容器材料的楊氏彈性模量，Mpa;
[0015] a-壓力容器材料的熱膨脹系數(shù)，
[0016] u-壓力容器材料的泊松比，無量綱；
[0017] dt-壓力容器內(nèi)、外壁的溫差，。C，dt=ti-t。；
[0018] k一壓力容器的徑比，無量綱，k=r〇/;ri;
[0019] kr-kr=r〇/r，無量綱；
[0020] X一相對位置，x=r/ri，無量綱。
[0021]【示例】:若鋼材的彈性模量為E=2 X 105MPa，泊松比為u=0.3，熱膨脹系數(shù)為a=l. 25 X10-5°C-S若dt=100°C(內(nèi)加熱）。設(shè)η=300πιπι，Γ〇=900πιπι，即k=3,其溫差應(yīng)力如說明書附圖2 所示。
[0022] 壓力容器內(nèi)、外壁溫差應(yīng)力為：
[0023] 當(dāng)Snt-Sz^Sy時（內(nèi)加熱），容器內(nèi)壁面開始屈服，由式（1)或式（2)得內(nèi)壁面剛剛 屈服的溫差，即一次屈服溫差dt cl:
[0024]
[0025]其中sy為壓力容器材料的屈服強(qiáng)度。
[0026] 對上例，若Sy=300MPa，由式（3)得dtci=125.39552°C。
[0027] 由式（1)和圖2可知，不論內(nèi)加熱或外加熱，內(nèi)壁面應(yīng)力絕對值大于外壁面應(yīng)力絕 對值，而Srit=0，因此，隨著溫差dt增大，總是內(nèi)壁面先屈服，隨著溫差dt不斷增大，由內(nèi)壁面 開始的屈服區(qū)即塑性區(qū)1從內(nèi)壁面向外壁面擴(kuò)展，擴(kuò)展到容器壁中的一定位置時（尚未到達(dá) 外壁面），外壁面開始屈服。溫差繼續(xù)增大時，由內(nèi)壁開始屈服的塑性區(qū)（即塑性區(qū)1)向外壁 面擴(kuò)展，由外壁開始屈服的塑性區(qū)（即塑性區(qū)2)向內(nèi)壁面擴(kuò)展，直至兩個塑性區(qū)接合而達(dá)到 整體屈服。本實用新型對壓力容器處理的技術(shù)方案限于外壁開始屈服后、整體屈服前的狀 態(tài)，此時壓力容器的結(jié)構(gòu)為近內(nèi)、外壁為塑性區(qū)，中間為彈性區(qū)的形式，如說明書附圖1所 不。
[0028]當(dāng)sJ-Src^Sy時（內(nèi)加熱），容器外壁面開始屈服，由式（1)或式（2)得外壁面剛剛 屈服的溫差，即二次屈服溫差dtc2:
[0029]
[0030] 易知，dtcl>dtc2。對上例，由式(4)得 dtc2=254.45322。C。
[0031]實施例1，某壓力容器用20R材料制成，該材料的彈性模量E=2.1 X 105MPa，泊松比u =0.32，熱膨脹系數(shù)a=l. 2 X 10-5° C-1，屈服強(qiáng)度sy=195MPa，容器內(nèi)壁面半徑ri=300mm，外壁面 半徑^=810mm，即k=2.7。為獲得部分材料為塑性、部分材料為彈性的結(jié)構(gòu)，對壓力容器內(nèi)壁 面進(jìn)行加熱，或?qū)毫θ萜魍獗诿孢M(jìn)行冷卻，或同時對壓力容器內(nèi)壁面進(jìn)行加熱，而對外壁 面進(jìn)行冷卻，使其內(nèi)、外壁面存在溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。由式(3)知，dt cl=80.262681° C，由式 (4)知，dtc2=152.77825° C，因此溫差控制在152.77825° C之上，例如溫差dt=160° C。保持溫差 一定時間使溫差應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定后消除溫差，即可獲得近內(nèi)、外壁為部分材料為塑性、中間部 分材料為彈性的壓力容器結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項】
1. 一種中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器，其特征是:所述中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器筒壁存在溫差殘余 應(yīng)力，其總應(yīng)力為溫差殘余應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力相疊加;所述中溫預(yù)應(yīng)力壓力容器的結(jié)構(gòu)為:筒 壁處于內(nèi)、外層為塑性、中間層為彈性的彈塑性狀態(tài)。
【文檔編號】F16J10/00GK205578714SQ201620018919
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年1月8日
【發(fā)明人】朱瑞林, 朱天明, 朱格明, 毛愛鳳, 李紫璇, 朱俊明, 朱悅明, 朱國林
【申請人】湖南師范大學(xué)