专利名称：整体压力胀形制造球形容器的方法
技术领域：
本发明涉及球形容器制造方法，特别是涉及一种整体压力胀形制造球形容器的方法。
背景技术：
对于压力容器制作成球形结构，在理论上有两个明显的优点其一，在相同的内压力作用下，直径和板厚相同的球瓣膜应力仅为园柱形容器的周向膜应力的一半；其二，在板材面积相同的情况下，球罐的容积大于一般其它形体的容积。
目前球形容器制造方法主要有如下几种方法。
1.采用先成形球型(或其他形状)的瓣片后，再组焊成容器。主要采用热压法或冷压成形法将板料压制成球型(或其他形状)的瓣片及封头，然后将它们依次组装焊接或用包扎机包扎成相应的容器。
热压法或冷压成形法需要大型压力机和昂贵的成套模具，热压法还需要对毛坯进行加热，劳动强度大，需要相应的加热设备，热压法压制后的球型(或其他形状)的壳板表面质量差，减薄量大；冷压成形法需要的压力机吨位大，压制后的壳板回弹量高，难以控制。另外，压制成形要求下料精度高，压制后的壳板精度要高，否则难以保证组装精度。焊接后的残余应力大，生产周期长，造价高。
2.采用整体液压成形法，将板材坯预先焊接成一个封闭平板多面壳体，该壳体的各个面不需要预先压制成球瓣状，然后用液体充满内腔，用泵加压使壳体产生塑性变形形成一个球形容器。具体的实现过程可参见中国专利CN 85106571B。对于同类的双层球形容器的制造方法，可参见专利91102339。
此方法需要专门的加压的水液压设备，难以加工非对称容器。
3.采用爆炸胀形制作球形容器的方法，将金属板材先加工为一定形状后拼焊为台形容器，内置炸药后封口，同时灌满液体，利用炸药爆炸的能量和液体传递压力使得金属板膨胀成形。可参见中国专利87105773.5-2。
此法要求炸药量控制精确，金属板材预加工的形状设计要求高，不同材料、不同厚度的炸药量不同，需先验数据。
本发明提出了不同于以上球形容器制造方法的整体压力胀形制造球形容器的新方法，此方法可以精确地生成内部高压，并且没有噪音和污染，没有了前端的压力脉动，压力生成稳定、持久、可控，成形过程中也无需模具，操作方便，具有广泛的应用前景。
发明内容本发明提出的整体压力胀形制造球形的容器的方法不同于现有方法，不需要压力机、模具等复杂设备，也不需要液压加压设备，可以整体胀形出球形容器，或其它复杂形状容器。
本发明提出了不同于以前球形容器制造方法的整体压力胀形制造球形容器的新方法，是利用相变物质产生相变过程后的相变生成物体积增大，而挤压相变物质产生内部的压力和超高压，内部压力增大使得焊接的壳板膨胀变形。
本发明的整体压力胀形制造球形容器的新方法，是通过相变控制装置来控制相变的进行和终止，进而控制内部压力和膨胀成形的过程，且相变物质发生相变时，装盛该相变物质的容器内部是密闭空间。
本发明中的相变物质，常温常压状态下是一般是液体(液相的)，温度或压力(或其他外部条件)变化后，该物质将发生相变，从液相转变为固相，或其他类型的相。相变过程中，新生成的相的物质，本文称为相变生成物。反过来，将相变生成物转变为原来的相变物质的过程称为反转变。
相变过程中，物质从一种相(例如液相)转变到另一种相(例如固相)，物质内部结合的键发生变化，物质内部的结构也发生变化，宏观上表现为物质的体积发生变化，拥有这一相变后体积发生变化的性能的物质才能在本发明中作为相变物质。
本发明的相变物质，可以是单质，也可以是化合物或多种物质的混合物，只要能够产生相变时的体积变化即可，正常状态下为液体。有时需要在相变物质中添加其他物质来改变或改善相变条件，便于对相变过程的控制。
本发明的容器是依据设计计算结果将板材切割成所需形状的块状，再拼焊在一起构成内部空间密闭的壳体，再外接一个连接管道和一个可以启、闭的控制阀门，使得内部空间在需要时能够和外界导通或关闭，容器在相变物质发生相变时其内部要是一个密闭的空间。
容器内的相变物质发生相变后，相变生成物的体积和原来的(相变前)状态下的相变物质的体积相比是有变化的，当相变生成物的体积比原来的(相变前)状态下的相变物质的体积增大时，容器内的相变物质受挤压产生压力。当容器内的物质受挤压产生压力时，此压力通过容器内的(流体)物质传递给容器的内壁，此时，容器壁会有一定量的变形，当容器的变形在设计的一定范围内，同时物质相变仍然能够继续进行，相变生成物的体积不断增大，容器内的压力就会继续增加，容器的塑性变形也会继续增大，直到容器膨胀为球体为止。当然，整个过程是在容器的强度极限下进行，保证容器不被胀破。
当容器内的所有相变物质全部发生相变后，容器的胀形活动也就终止了。此时需要将前述的密闭空间开放，再通过相变控制装置使得相变生成物质的进行反相变，同时加入因容器体积膨胀所空缺的那部分体积的相变物质，然后再将空间密闭，继续进行新的相变过程，继续增大容器的壳体的膨胀的塑性变形。多次循环相变→反相变→相变→反相变的过程后，最终使得容器能够膨胀到球形容器的状态。
本发明的相变过程是可控制的，相变控制装置是整个压力系统的重要组成部分。物质从一种相(例如液相)转变到另一种相(例如固相)是有条件的，有时是温度条件，有时是压力条件，也可能是电、磁、光等其他条件。通过对相变条件的控制，就可以控制相变的进行和终止，即控制相变的速度、过程和相变结果，从而控制相变生成物的体积增加量，进而控制容器内的压力，最终控制了膨胀变形量，这就是能够通过物质相变来产生压力或超高压力使得容器产生膨胀变形的基本前提和原理。
本发明的整体压力胀形制造球形容器的方法还可以应用于两层容器、多层容器等复杂形状和结构的容器的制造。
本发明的整体压力胀形制造球形容器的方法与其它压力胀形方法相比，有明显的特点。不同于通常的液压胀形方法，无需液压设备，也就避免了液压系统的噪音、发热、振动、维护问题。
本发明的整体压力胀形制造球形容器的方法从原理上不同与其他已有的方法，是一种新型的整体压力胀形制造球形容器的方法。
下面将结合附图和实施实例对本发明进行进一步的说明。
附图为整体压力胀形制造球形容器方法的系统结构示意图。
具体实施例本发明选择最常见的液态的水作为相变物质为例来进一步说明本发明的原理。
从化学上说，水是极性很强的分子，分子间除范德华力外，还存在特殊的作用力——氢键，氢键比化学键的键能小得多，但比范德华力大，它能使水分子结合形成许多种不同的无规则三维网络；在正常温度下，水处于稳定的液态，水蒸气则是由水蒸发或冰升华而成的气体；常压下在4℃(277.15K)时，水的密度最大。
若温度降低，水分子会彼此接合形成六面体的结构，即为冰。冰的结构没有通融性而无法挤压，因此体积比同量液态水的体积大。特别是当水凝结成冰时，体积会膨胀，固态的水(冰)的密度小于液态水。
液体固化的关键过程在于临界核的形成。临界核是一块足够大到不会再液化的固体物质，其余物质就以它为核心继续固化。它可以在杂质微粒的基础上形成，也可以通过机械振动产生。在不受外界干扰的纯水中，临界核由某一区域的水分子之间产生几个持续时间异常长的氢键而产生。以这些水分子构成的临界核缓慢地增长、形状发生变化，直至更多稳定的氢键在整个系统中迅速地扩散开来，使水从液体变为固体。水分子结冰除温度条件外，还要求在水中有冻结核。有了冻结核，乱动着的水分子才能按冰的晶体结构排列起来，水分子有了核心或有依附而按冰的晶体结构排列起来，成为冰。
本发明选择水作为本发明中的相变生成物质，正是基于上述水的独特相变特性考虑的，当然还有其他物质也可以考虑，只要相变时有体积变化就可以实现本发明的思想。
为了增加冻结核，可在单质的水中加入一些粉末状的物质，构成混合物，或者其它性状的利于结冰(相变)的物质，其在容器中的性状和具体结构形式可以根据系统需求灵活设计。
附图为整体压力胀形制造球形容器的方法的系统结构示意图。图中所示的系统由包括相变控制装置1、相变生成物2、控制阀门3、连接管道4、相变物质5、容器6所组成。
图中的相变控制装置1是指利用相变转变条件(温度、压力、磁场、光、电等条件)的变化，并通过控制这些转变条件来控制相变物的生成、相变物生成的速度、相变物的生成量，进而控制容器内的压力的连续变化。
图中的控制阀门3、连接管道4是作为相变物质5——水的进、出通道和控制装置，控制阀门3的导通和截止就可以控制进、出容器的水量，并通过连接管道4和容器6一起构成密闭空间。
本例中选择了水作为相变物质5，可以通过相变控制装置1来控制容器6内部的温度条件(相变条件)，就可以控制相变生成物2——冰的生成量，从而来控制压力容器6内部的压力。在本发明的原理介绍中选择水作为相变生成物质，水向冰的相变，就是液相向固相的转变，由液相向固相转变的相变产物——相变生成物就是冰；反之，由固相向液相转变的相变产物——相变生成物就是水。
相变控制装置1和容器6之间可以构成传热通道进行热交换，从而能够改变容器6内部的温度条件。
容器内的冰增加后，冰相对于原来体积的水会有约10％的体积增加量，冰就会挤压容器内的水，从而产生内部压力，挤压容器的壁产生膨胀的塑性变形。
结冰越多，压力会越大，直至水完全结成冰为止。
当容器6内的水完全结成冰还不能够达到容器膨胀成球形所需要的变形量时，需打开由控制阀门3、连接管道4和容器6一起构成的密闭空间，通过相变控制装置1使得相比物——冰产生反相变，再变成水，同时加入因容器体积膨胀所空缺的那部分体积的水，然后再将空间密闭，继续进行新的相变过程，继续增大容器壳体的膨胀变形。多次循环水→冰→水→冰的相变和反相变的循环过程后，最终使得容器能够膨胀到球形容器的状态。
图中容器6本身要不会因压力过大超过材料的极限而涨破，在设计时要考虑到。
本例中选择了水作为相变物质5，相变物质5所指的也可以是水与其他物质的混合物(粉末、固体、液体等性状)，一般应为流体，本例为水或水基混合物。其他物质的加入，主要为结冰容易，也为改善水的其他条件而加入的，比如排除水中溶解的气体、防锈等辅助性能。
本发明的整体压力胀形制造球形容器的方法是不同于以往的方法的新方法，具有明显的特点，能够广泛应用于工业生产、军事领域等场合。
权利要求
1.一种整体压力胀形制造球形容器的新方法，其特征在于，利用相变物质产生相变过程后的相变生成物体积增大，而挤压相变物质产生内部的压力和超高压，内部压力增大使得焊接的壳板膨胀变形。
2.根据权利要求1所属的整体压力胀形制造球形容器的新方法，其特征在于，相变物质发生相变时，装盛该相变物质的容器内部是密闭空间。
3.根据权利要求1所属的压力和超高压力的产生方法，其特征在于，通过相变控制装置来控制相变的进行和终止，进而控制容器内部压力和膨胀成形的过程。
全文摘要
本发明提出了一种整体压力胀形制造球形容器的方法，是利用相变物质产生相变过程后的相变生成物体积增大，而挤压相变物质产生内部的压力和超高压，内部压力增大使得焊接的壳板膨胀变形，相变物质发生相变时，装盛该相变物质的容器内部是密闭空间，通过相变控制装置来控制相变的进行和终止，进而控制容器内部压力和膨胀成形的过程。本发明的整体压力胀形制造容器的方法的系统由相变控制装置(1)、相变生成物(2)、控制阀门(3)、连接管道(4)、相变物质(5)、容器(6)所组成。本发明的方法无需模具，操作简单，可应用于压力容器的制作，还适用于复杂形状和结构、多层结构容器的制作。
文档编号B21D26/00GK1775405SQ20051012806
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者许宏 申请人:许宏