一种外压自增强圆筒及其设计计算与制造方法技术

一种外压自增强圆筒及其设计计算与制造方法。用于提高压力容器的安全性与承载能力，解决缺乏外压容器自增强容器设计计算与制造方法以及现有内压自增强技术设计计算烦琐或不精确而可能导致不安全等技术问题。其技术方案要点是：采用特定的承载能力、塑性区深度与筒壁计算厚度公式，使自增强圆筒壁内总应力（操作压力引起的应力与自增强处理后的残余应力之和）的当量应力不大于圆筒材料的屈服强度σ↓［ｙ］；或保证圆筒经自增强处理后整个筒壁内残余应力的当量应力及总应力的当量应力均不大于σ↓［ｙ］。本发明专利技术还提供了一个自增强技术施行时无论塑性区多深，卸除自增强压力后都不产生屈服的最大径比。本发明专利技术的技术方案也适用于内压自增强圆筒。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
压力容器形状大多为圆筒形，如，化工用容器、石油化工用容器、炮筒、 核反应容器等。压力容器广泛应用于许多工业部门，如机械、化工、制药、能 源、材料、食品、冶金、石油、建筑、航空、航天、兵器等部门。压力容器除 受内压外，还常受外压作用，如说明书附图l所示。圆筒不论承受内压还是外压作用，筒壁中的弹性应力分布很不均匀，内壁面应力远大于外壁面应力，如图2 所示。厚度越大，应力分布越不均匀。这不但不能充分发挥外层材料的作用， 导致材料的浪费，而且存在安全隐患。自增强技术可提高压力容器的承载能力 及其安全性。所谓自增强是在容器操作使用前对其进行加外压处理，使筒体内 层屈服，产生塑性变形，形成塑性区，外层仍为弹性状态。保持该外压一段时 间后卸压。卸压后筒体内层塑性区因残余变形不能复原，而外层弹性区力图复 原，却受到内层塑性区的牵掣也不能恢复到原来状态，但外层弹性区力图复原 的趋势给内层塑性区以拉伸作用，使内层塑性区产生拉应力，而外层弹性区产 生压应力。于是形成一种内层受拉外层受压的预应力状态。容器投入使用受外 压后，预应力与操作压力引起的应力叠加，使应力较大的内壁应力降低，应力 较小的外壁应力有所增加，从而使容器壁中应力趋于均匀。由此可提高容器的 承载能力。这就是外压自增强。与受内压的情况一样，外压自增强技术的关键因素也是塑性区深度，即容器弹性与塑性区交界面半径的确定，或超应变度&^><1()()% = ^^><100%的确d "1定，其中r,、 G、 r。分别为自增强筒体的内半径、弹塑性界面半径与外半径；A为 径比，^=r>,; 6为自增强容器塑性区深度，A广r/r(参阅图3)。本专利技术以下标/、, O分别表示内径、弹-塑性界面半径、外径处的量。超应变度不仅影响到自增强工 艺的实施，也影响到自增强容器的承载能力等。对^或G或S的确定，现行技术只 有针对内压容器的方法，对外压容器尚无方法出现，能否袭用内压容器的方法， 还没有理论支持。即使现行的内压容器方法，有的过于粗略(如图解法与估计法)， 又不能反映问题实质；有的过于烦琐(如试凑法)，也不能反映问题实质。且不能克服一些弊病，如反向屈服问题，即卸除自增强处理时所施加的压力A后可能内 层因受到过大的压縮而产生压縮屈服。这是非常不利的。从安全、经济的观点 出发，自增强容器要同时保证卸除自增强压力后整个筒壁内残余应力的当量应 力及总应力的当量应力均不大于材料的屈服强度巧，还要提高承载能力。特别是， 对外压容器而言，如何确定超应变度、如何确定承载能力等，以提供一种安全 的外压自增强圆筒形压力容器及其设计计算与制造方法，是急待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是通过对圆筒施加外压进行自 增强处理，设计自增强圆筒时，使其承载能力p为丄=1",+^^或上=^ + ^^，考虑安全系数"后，其计算厚度？为^ ; 扭 或^l ln 、2 +M-2/ ，可保证圆筒壁内总应力(操作压力引起的应力与自增强处理后的残余应力之和)的当量应力不大于&;其中为许用应力，=^/"。 A《&时，使圆筒的塑性区深度此时其承载能力为l^nA:或l = ;lnP，即为全屈服压力，考虑安全系数《后，圆筒的计算厚度为 Z = 。"P/-1)或/ = 4^/2-1); AX时，塑性区深度~由公式Ping — A2 —&2+2=0确定，此时承载能力为丄=4^ = 2&或丄=4^1 = 2&，考虑安全o".v。.v P系数w后，圆筒的计算厚度为^r,'一P—12M2[a卜V^ ;这样确定圆筒的塑性区深度和承载能力可保证圆筒经自增强处理后整个筒壁内残余应力 的当量应力及总应力的当量应力均不大于^;其中A为圆筒不经自增强时的最大弹性承载能力(初始屈服载荷)，^为临界径比，等于由公式;11^ = 1确定的A— 1值，即&=2.2184574899167...。这些措施也适用于受内压的自增强圆筒。本专利技术的有益效果和优点是提供了自增强圆筒安全的塑性区深度计算公 式，即Plr^/—^_^/+2=0，该公式确立了容器厚度尺寸(以A:反映)与安全的塑 性区深度(以&反映)之间的函数关系，反映了问题的实质，避免了现有技术的弊 端；找到了无论塑性区多深，卸除自增强压力后都不产生屈服的最大A值，即临界径比&， &等于由公式^~1:^ = 1确定的值，184574899167;提供了各种条件下自增强压力容器的最适承载能力计算公式上=|",+^!(第三强度理论)和上=^ + ^^(第四强度理论)；上-L ，A',笛二,,2^(第三强度理论) <7,, f cr,.和上2 A:2(第四强度理论)以及上=1"(第三强度理论)和丄=41^2(第四强度理论)。本专利技术填补了现有技术在外压圆筒方面的空缺' S 力附图说明图1是受外压的容器筒体<图2是外压作用下容器筒体壁中的应力分布。图3是筒体横截面弹-塑性区域。 图4是至7是筒体壁中弹-塑性应力沿壁厚的分布。 图8是最佳塑性深度(实线o"力。 图9至12是残余应力及其当量应力沿壁厚的分布。 图13是总应力的当量应力沿壁厚的分布。 图14是按第三强度理论的最佳承载能力(实线)。 图15是按第四强度理论的最佳承载能力(实线)。 具体实施例方式首先结合附图进行分析。如图1所示为一内、外半径分别为r,、 r。的圆筒体， 受外压p作用。由压力容器知识知其壁中任意半径r处的弹性应力为轴向应力 径向应力: 环向应力《r -i(w尸,)1 + -《(1)(2)(3)式中上标p表示压力/7引起的量(此处为应力)；下标z、 r、 /分别表示径向、轴向、环向。以^3.5为例，应力分布如图2所示。可见内壁面应力最大，外压 力越大，应力越大。外压增加到定值时，厚壁圆筒内壁面开始屈服；继续增 大外压，塑性区从内向外扩展，形成两个区域内侧为塑性区，外侧为弹性区。 弹性区和塑性区均为与容器同轴的圆筒体。假设外压增大到某一值时，对应的 弹-塑性界面半径为,》假想从^处将弹-塑性区分开，加上应有的力，并设弹-塑性界面上的压力为^。这样，外层弹性区为一内、外半径分别为。、r。的弹性 筒体，受内压乃和外压/7同时作用(如图3(b)所示)；内层塑性区为一内、外半径分别为r,、 G的塑性筒体，仅受外压乃作用(如图3(C)所示)。塑性区应力分析。设筒体材料屈服时符合特雷斯卡(Tresca)屈服条件，即<formula>formula see original document page 8</formula>筒壁单元体的平衡方程为<formula>formula see original document page 8</formula>，将式(4)代入该式得:<formula>formula see original document page 8</formula>该式的解为<formula>formula see original document本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外压自增强圆筒及其设计计算与制造方法，其特征是：通过对圆筒施加外压进行自增强处理，这种圆筒的承载能力ｐ按公式ｐ／σ↓［ｙ］＝ｌｎｋ↓［ｊ］＋（ｋ↑［２］－ｋ↓［ｊ］↑［２］）／２ｋ↑［２］或ｐ／σ↓［ｙ］＝ｌｎｋ↓［ｊ］↑［２］／＊＋（ｋ↑［２］－ｋ↓［ｊ］↑［２］）／＊确定，考虑安全系数或材料设计系数ｎ后，圆筒的计算厚度ｔ按公式ｔ＝ｒ↓［ｉ］（ｋ↓［ｊ］＊＊＊）或ｔ＝ｒ↓［ｉ］（ｋ↓［ｊ］＊＊＊）确定，可保证圆筒壁内总应力（操作压力引起的应力与自增强处理后的残余应力之和）的当量应力不大于圆筒材料的屈服强度σ↓［ｙ］；其中ｋ为径比，ｋ＝ｒ↓［ｏ］／ｒ↓［ｉ］、ｒ↓［ｏ］为圆筒外壁面半径、ｒ↓［ｉ］为圆筒内壁面半径、ｋ↓［ｊ］为塑性区深度，ｋ↓［ｊ］＝ｒ↓［ｊ］／ｒ↓［ｉ］、ｒ↓［ｊ］为圆筒弹性区与塑性区界面半径、［σ］为许用应力，［σ］＝σ↓［ｙ］／ｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑞林，
申请(专利权)人：湖南师范大学，
类型：发明
国别省市：43[]