一種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為一種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器，設(shè)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)部口的關(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、兵器等部口。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(shí)，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(jì)壓力容器，會(huì)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(duì)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。而本發(fā)明則采用溫差預(yù)應(yīng)力自增強(qiáng)方法構(gòu)造一 種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器。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，高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器更安全、便捷、可靠、節(jié)省、靈活，因?yàn)椋?)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(méi)有危險(xiǎn)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(duì)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(guò)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)發(fā)明人研究發(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dtW獲得不同的操作應(yīng)力狀態(tài)，可見(jiàn)容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間很大，運(yùn)就能夠獲得機(jī) 動(dòng)靈活的設(shè)計(jì)方案；巧)彈性溫差預(yù)應(yīng)力壓力容器需要在壓力容器工作時(shí)也維持所需溫差， 一旦消除溫差，溫差預(yù)應(yīng)力就不存在，運(yùn)不但需要耗費(fèi)能源，操作不便，而且，若生產(chǎn)過(guò)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;而本發(fā)明所構(gòu)造的高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi) 壓內(nèi)加熱壓力容器是對(duì)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(guò) 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] 本發(fā)明的目的是提供一種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器，其特征 是:對(duì)壓力容器筒壁進(jìn)行如下處理，使其存在溫差殘余應(yīng)力，形成部分材料為塑性、部分材 料為彈性的結(jié)構(gòu)，具體措施是：對(duì)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(shí)對(duì)壓力容器內(nèi)壁面進(jìn)行加熱，而對(duì)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；溫差達(dá)到壓力容器剛剛整體屈服的溫差，因而溫差應(yīng)力使壓力容器整個(gè)壁 厚剛剛?cè)慨a(chǎn)生屈服，即整個(gè)壁厚處于塑性狀態(tài);保持溫差一定時(shí)間使溫差應(yīng)力穩(wěn)定后消 除溫差，在壓力容器中就產(chǎn)生溫差預(yù)應(yīng)力，或溫差殘余應(yīng)力;所述壓力容器工作時(shí)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。
[0005] 本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點(diǎn)是:在壓力容器內(nèi)、外壁形成溫度差，用溫差所產(chǎn)生的溫 差應(yīng)力抵消一部分由其操作壓力所引起的機(jī)械應(yīng)力，W均化其應(yīng)力分布，從而增強(qiáng)其承載 能力，W形成一種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器。其余有益效果和優(yōu)點(diǎn)如"【背景技術(shù)】"末 尾(1)至巧)所述。
[0006] 產(chǎn)生內(nèi)、外壁溫差的方式是，壓力容器內(nèi)壁面用過(guò)熱水蒸氣等加熱，外壁面用液氨 等冷卻。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1是整個(gè)器壁為塑性狀態(tài)的圓筒形壓力容器。
[0008] 圖2是典型的內(nèi)加熱時(shí)的彈性溫差應(yīng)力分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 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ri、r。， 帶下標(biāo)i、〇的符號(hào)分別代表內(nèi)、外壁面上的值；內(nèi)、外壁溫分別為ti、t。。筒壁任一半徑為r處 的溫度為t。參見(jiàn)說(shuō)明書(shū)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)、外壁存在溫差化時(shí)，器壁中任一點(diǎn)處(半徑為r)的溫差應(yīng)力為：
其中，Sft、Stt、Szt-徑向、環(huán)向、軸向溫差應(yīng)力，MPa; 化一熱載荷；
E-壓力容器材料的楊氏彈性模量，MPa; a-壓力容器材料的熱膨脹系數(shù)，° (Tl; U-壓力容器材料的泊松比，無(wú)量綱； 化一壓力容器內(nèi)、外壁的溫差，。C，化=t廣to ; k-壓力容器的徑比，無(wú)量綱，k=；Tc/ri; kr-kr=。/!"，無(wú)量綱； X-相對(duì)位置，X=Vri，無(wú)量綱。
[0010]【示例】:若鋼材的彈性模量為E=2 X l〇5MPa，泊松比為U=O. 3，熱膨脹系數(shù)為a=l. 25 X10-5°C-l，若化=100°C(內(nèi)加熱）。設(shè)ri=300mm，r。=900mm，即k=3，其溫差應(yīng)力如說(shuō)明書(shū)附圖2 所示。
[0011]由式（I)和圖2可知，不論內(nèi)加熱或外加熱，內(nèi)壁面應(yīng)力絕對(duì)值大于外壁面應(yīng)力絕 對(duì)值，而Srit=O,因此，隨著溫差化增大，總是內(nèi)壁面先屈服。隨著溫差dt不斷增大，屈服區(qū)即 塑性區(qū)由內(nèi)壁面向外壁面擴(kuò)展，擴(kuò)展到容器壁中的一定位置時(shí)（尚未到達(dá)外壁面），外壁面 開(kāi)始屈服。溫差繼續(xù)增大時(shí)，由內(nèi)壁開(kāi)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(kāi)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(gè)塑性區(qū)接合而達(dá)到整體屈服。本發(fā) 明對(duì)壓力容器處理的技術(shù)方案限于剛剛整體屈服時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)壓力容器的結(jié)構(gòu)為整體壁 厚呈塑性狀態(tài)的形式，如說(shuō)明書(shū)附圖1所示。
[0〇1^ 當(dāng)St。t-Sr。t=Sy時(shí)（內(nèi)加熱），容器外壁面開(kāi)始屈服，由式（l)得外壁面剛剛屈服的溫 差，即二次屈服溫差化C2:
研究表明，整體屈服溫差化。e約為二次屈服溫差化。2的1.05至1.3倍。
[〇〇1引實(shí)施例1，某壓力容器用20MnMo材料制成，該材料的彈性模量E=2.1 X IO5MPa，泊松 ttu=0.32，熱膨脹系數(shù)a=l. 2 X 1〇-5° C-1，屈服強(qiáng)度Sy=355MPa，容器內(nèi)壁面半徑；Ti=150mm，夕F 壁面半徑rcF300mm，即k=2。為獲得整個(gè)壁厚為塑性區(qū)的結(jié)構(gòu)，對(duì)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(shí)對(duì)壓力容器內(nèi)壁面進(jìn)行加熱，而對(duì)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，直至壓力容器整個(gè)器壁屈服。由式（2)知，dtc2 = 246.88183° C，因此溫差控制在dtce=259.2259至320.9464° C之間，例如溫差dt=300° C。保持 溫差一定時(shí)間使溫差應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定后消除溫差，即可獲得整個(gè)器壁為塑性區(qū)的壓力容器結(jié) 構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器，其特征是:對(duì)壓力容器筒壁進(jìn)行如下處理，使 其存在溫差殘余應(yīng)力，形成部分材料為塑性、部分材料為彈性的結(jié)構(gòu)，具體措施是:對(duì)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(shí)對(duì)壓力容器內(nèi)壁面進(jìn)行加熱， 而對(duì)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;溫差達(dá)到壓力容器剛剛整 體屈服的溫差，因而溫差應(yīng)力使壓力容器整個(gè)壁厚剛剛?cè)慨a(chǎn)生屈服，即整個(gè)壁厚處于塑 性狀態(tài);保持溫差一定時(shí)間使溫差應(yīng)力穩(wěn)定后消除溫差，在壓力容器中就產(chǎn)生溫差預(yù)應(yīng)力， 或溫差殘余應(yīng)力;所述壓力容器工作時(shí)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。
【專(zhuān)利摘要】一種高溫預(yù)應(yīng)力內(nèi)壓內(nèi)加熱壓力容器，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器壁產(chǎn)生整體屈服的溫差，因而溫差應(yīng)力使壓力容器成為整個(gè)器壁呈塑性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。保持該溫差一定時(shí)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。
【IPC分類(lèi)】F16J12/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105443752
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610011170
【發(fā)明人】朱瑞林, 朱國(guó)林, 朱格明, 朱天明, 李紫璇, 朱悅明, 朱俊明, 毛愛(ài)鳳
【申請(qǐng)人】湖南師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2016年1月8日