一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器的製造方法
2023-06-06 19:21:46 1
一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器的製造方法
【專利摘要】一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器，解決提高壓力容器承載能力與安全性等技術問題。該種壓力容器利用內、外壁溫差產生的溫差應力抵消部分由操作內壓 p 引起的機械應力，以降低和均化其應力分布，從而增強其承載能力，比機械預應力方法自增強壓力容器更安全、便捷、可靠、節省，設計更靈活。其技術方案要點是：以臨界溫差或理想溫差控制內、外壁溫差，以或約束徑比 k 、 p 、 E 、 a 、 u 、溫差 dt 之間的大小；其中 E 為容器材料的彈性模量、 a 為容器材料的熱膨脹係數、 u 為容器材料的泊松比、 s y為容器材料的屈服強度、 k = r o/ r i、 r i為容器內壁面半徑、 r o為容器外壁面半徑。該種壓力容器的徑比最低達或，最高承載能力達 p / s y=ln k 或 p / s y=( k 2-1)/ k 2。
【專利說明】一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器，涉及機械、化工、制 藥、能源、材料、食品、冶金、石油、建築、航空、航天、兵器等技術等領域。
【背景技術】
[0002] 壓力容器是許多工業部門的關鍵、特種設備，廣泛應用於各行各業，如機械、化工、 製藥、能源、材料、食品、冶金、石油、建築、航空、航天、兵器等部門。壓力容器的主體部分絕 大多數是圓筒，圓筒承受工作壓力時，其器壁中的應力很不均勻，如說明書附圖4所示。容 器厚度越大，應力越不均勻。若按最大應力設計壓力容器，會使其壁厚很大，壁厚大不僅浪 費材料、資源、資金，增加成本，還有安全隱患。須設法降低容器器壁中的應力，才能提高容 器的強度，節約材料、降低成本，並提高壓力容器的安全性。降低容器器壁中的應力的方法 有很多，自增強技術即是降低和均化應力、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 的機械壓力，使其內層部分材料產生塑性變形，外層部分材料仍為彈性狀態，卸除機械壓力 後，便在容器器壁中產生機械預應力（殘餘應力）：內層部分材料為壓應力，外層部分材料為 拉應力。機械預應力與容器操作壓力引起的應力相疊加即可降低應力。而本發明則採用溫 差預應力自增強方法構造一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器。所述溫差預 應力即由於金屬熱脹冷縮的原因而由容器內、外壁面溫度差引起的應力，溫度差由容器本 身的工作溫差造成，或在容器投入使用前對其內、外壁進行加熱或冷卻而造成。溫差預應力 壓力容器比機械預應力壓力容器更安全、便捷、可靠、節省、靈活，因為（1)靠溫差應力產生 預應力的方法不存在施壓介質，故沒有危險性，也不需要昂貴的水壓機等施壓設備；（2)溫 差的控制相對較為容易，因而溫差應力的大小及其均勻性容易得到保證；（3) -旦溫差應 力過大，由於不存在壓力介質，因此不至像機械應力那樣引起壓力容器爆炸等災難性事故； (4)發明人研究發現，溫差預應力的大小及分布規律與溫差出緊密聯繫，因此，可根據操作 條件而改變出以獲得不同的操作應力狀態，可見容器結構優化空間很大，這就能夠獲得機 動靈活的設計方案。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器。
[0004] 本發明所採用的技術方案是：構造一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容 器，其特徵是：所述壓力容器內、外壁面存在溫差，溫差使壓力容器器壁產生溫差預應力，所 述壓力容器工作時的總應力為溫差預應力與機械應力相疊加，所述機械應力指壓力容器工 作壓力P所產生的應力，所述壓力容器工作壓力/7為內壓；所述壓力容器內壁面半徑為Λ、 外壁面半徑為r。，內壁面溫度為ii、外壁面溫度為?。,溫差稱為內加熱；所 述壓力容器在溫差預應力作用下，處於彈性狀態，即出 < 出。，出。為溫差預應力剛使壓力容 (h-^ *- InIr^ Cl ?tiiSy. 器內壁面產生屈服的溫差，稱為臨界溫差，d￡c =' 2}2 -~~iX，其中i?為容器 Ir3Infe2-1^+1Ea 材料的彈性模量、a為容器材料的熱膨脹係數、《為容器材料的泊松比、&為容器材料的屈 服強度、左為容器的徑比，A=Tt5Av所述溫差由壓力容器本身的工作溫度造成，或對壓力容 器內、外壁面進行加熱或冷卻而造成。A彡九時，其溫差限定為出 < 出。，承載能力/Vsy以
【權利要求】
1. 一種彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器，其特徵是：所述壓力 容器內、外壁面存在溫差，溫差使壓力容器器壁產生溫差預應力，所述壓力容器 工作時的總應力為溫差預應力與機械應力相疊加，所述機械應力指壓力容器工 作壓力P所產生的應力，所述壓力容器工作壓力為內壓；所述壓力容器內壁面 半徑為外壁面半徑為r。，內壁面溫度為外壁面溫度為（。，溫差出#"。， GX。，稱為內加熱；所述壓力容器在溫差預應力作用下，處於彈性狀態，即 出 。，出。為溫差預應力剛使壓力容器內壁面產生屈服的溫差，稱為臨界溫差，
，其中A為容器材料的彈性模量、a為容器材料的熱膨脹系 數、《為容器材料的泊松比、\為容器材料的屈服強度a為容器的徑比
2. 根據權利要求1所述的彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器，其特徵是：所 述溫差由壓力容器本身的工作溫度造成，或對壓力容器內、外壁面進行加熱或冷卻而造成。
3. 根據權利要求1所述的彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力 容器，其特徵是4彡九時，其溫差限定為冶彡冶。，承載能力以
規定；出=〇^。時，承載能力為
，此時容器徑比為
；其中&為初始屈服機械載荷或最大機械彈性載荷、九為由 公式
確定的左值，稱為臨界徑比，九=2. 2184574899167...，其餘符號同前。
4. 根據權利要求1所述的彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力 容器，其特徵是4彡心時，其溫差限定為冶彡，承載能力以
f規定；時，承載能力為/?=?5yln^=/7y，此時容 器徑比為& =，八；其中
，稱為理想溫差、A為全屈服機械載荷或整體 屈服機械載荷，其餘符號同前。
5. 根據權利要求1所述的彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器，其特徵 是< /7。或< /7e/sy時，其徑比為是=e_r 或彡/7e/sy時，其徑比為
;其中凡為由公式 ^確定的/7值，/?。/^=0.796812-，其餘符號 同前。
6. 根據權利要求1所述的彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器，其特徵是：這 種壓力容器的結構尺寸，即徑比h承載能力材料性能因素a、a、《、sy)、溫差冶之間
約束，容器壁厚的大小根據實際需要調整、組合、匹配； 各符號意義同前。
7.根據權利要求1所述的彈性溫差預應力內壓內加熱自增強壓力容器，其特徵是： 左 < 九時，這種壓力容器器壁中三向總應力為
左彡九時，這種壓力容器器壁中三向總應力為
其中^為徑向總應力、&為環向總應力、\為軸向總應力，其餘符號同前。
【文檔編號】F16J12/00GK104405869SQ201410641237
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】朱瑞林, 朱國林, 雷群意, 曾祥, 朱玲, 鄧衛軍, 李 權, 趙保錄, 黃幹斌 申請人:湖南師範大學