专利名称：一种安全的自增强压力容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种安全的自增强压力容器，属机械科学技术、化工等领域。
背景技术：
压力容器是广泛应用于许多工业部门的特种设备，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。自增强技术是提高压力容器承载能力及其安全性的重要而有效的手段。压力容器的自增强技术是在操作使用前对其进行加压处理(所加压力一般超过操作压力)，使筒体内层屈服，产生塑性变形，形成塑性区，而外层仍为弹性状态。保持该压力一段时间后卸压。卸压后筒体内层塑性部分因有残余变形而不能恢复到原来状态，外层弹性区力图恢复到原来状态，却受到内层塑性区残余变形的阻挡也不能恢复到原来状态，因此承受拉伸，形成拉应力，而内层则因为受到外层力图复原的压缩作用而产生压应力。这样就形成了一种内层受压外层受拉的预应力状态。容器投入使用承受内压后，预应力与操作内压引起的应力相叠加，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。由此可提高压力容器的承载能力。这就是自增强。
自增强技术的关键因素是塑性区深度，即容器的弹性与塑性区交界面半径的确定，或超应变度的确定，其中ε为超应变度，ri、rj、ro分别为容器筒体的内半径、弹塑性界面半径与外半径；k为自增强压力容器外半径与内半径之比，即k＝ro/ri；kj为自增强压力容器弹性与塑性区交界面半径与内半径之比，即kj＝rj/ri(参阅图1)。超应变度不仅影响到自增强工艺的实施，并且影响到自增强容器的承载能力等等。对于kj或rj或ε的确定，现行技术主要有1)图解法；2)按公式粗略估计；3)试凑法，即假设若干rj，计算自增强处理后的预应力及操作内压下rj处的总应力(预应力与操作应力之和)的当量应力σej，求取使σej最小的rj(这个方法实际上可按公式或计算，前者按第三强度理论，后者按第四强度理论)。这些方法或过于粗略(如图解法与估计法)，又不能反映问题实质；或过于烦琐(如试凑法)，也不能反映问题实质。并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后可能内层会因为受到过大的压缩而产生二次压缩屈服。这是非常不利的。从安全、经济的观点出发，自增强压力容器既要保证不产生反向屈服，又要保证rj处的总应力的当量应力σej小于屈服强度σy，还要使承载能力提高。这就是本发明的原动力。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全的自增强压力容器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是自增强压力容器的塑性区深度按公式k2lnkj2-k2-kj2+2＝0计算，可保证自增强处理时不产生反向屈服，即σei′/σy≥-1；承载能力按公式(按第三强度理论)或(按第四强度理论)计算，可保证σej≤σy和σei≤σy；其中k为自增强压力容器外半径与内半径之比，kj为自增强压力容器弹性与塑性区交界面半径与内半径之比，σei′为卸除自增强压力后容器内壁面残余应力的当量应力，σy为自增强压力容器材料的屈服强度，p为自增强压力容器所承受的内压，pe为非自增强压力容器的最大弹性承载能力，σej为容器弹-塑性区交界面处总应力的当量应力，σei为容器内壁面处总应力的当量应力。当k小于由公式确定的值，即k小于约2.2184574899167(包括由2.2184574899167按某些规则得到约数)时，不论kj多大，卸除自增强压力后，容器都不会产生反向屈服，此时自增强压力容器的最大承载能力可达到全屈服压力，即(第三强度理论)或(按第四强度理论)。
本发明的有益效果和优点是提供了自增强压力容器安全的塑性区深度计算公式，即k2lnkj2-k2-kj2+2＝0，该公式确立了容器的厚度尺寸(以k反映)与安全的塑性区深度(以kj反映)之间的函数关系，反映了问题的实质，避免了现有技术计算上的粗略或烦琐；找到了无论塑性区深度多深都不会产生反向屈服的最大k值，即k等于由公式确定的值，亦即k≈2.2184574899167；提供了自增强压力容器承载能力的计算公式。
图1是压力容器筒体的横截面。
图2是压力容器厚度(k)与安全的塑性区深度(kj)的关系。
图3是基于第三强度理论的承载能力图。
图4是基于第四强度理论的承载能力图。
具体实施例方式 实施例1，根据工艺计算可确定压力容器的内径ri；容器材料决定后根据其将承受的载荷(p/σy)，按承载能力计算公式(第三强度理论)或(第四强度理论)可确定径比k(根据k＝ro/ri可确定外径ro)。k确定后，按公式k2lnkj2-k2-kj2+2＝0确定弹-塑性区交界面半径与内半径之比kj，按kj＝rj/ri立即可计算出安全的rj。关键因素rj确定后就可进行自增强处理了。方程k2lnkj2-k2-kj2+2＝0的求解可1)按显式求解；或2)用Excel软件求解；或3)用图2查取；或4)按下表提供的数据查取(遇中间值可用插值法) 表1 k2lnkj2-k2-kj2+2＝0数值表 k kjk kjk kjk kj 46.12228 1.649 6.662588 1.663 3.364833 1.72 2.290026 1.98 21.58601 1.65 6.5 1.663777 3.211949 1.73 2.282389 1.99 201.650212 6.455815 1.664 3.087896 1.74 2.27539 2 191.650375 6.268851 1.665 3 1.748442 2.268979 2.01 181.650565 6.09877 1.666 2.985168 1.75 2.263112 2.02 171.650791 6 1.666625 2.898709 1.76 2.257751 2.03 16.20955 1.651 5.943217 1.667 2.824972 1.77 2.252859 2.04 161.651061 5.800273 1.668 2.761395 1.78 2.248404 2.05 151.651387 5.668352 1.669 2.706071 1.79 2.244356 2.06 141.651788 5.546136 1.67 2.657551 1.8 2.240689 2.07 13.54616 1.652 5.5 1.670397 2.614713 1.81 2.237377 2.08 131.652286 5.432516 1.671 2.576674 1.82 2.234398 2.09 121.652918 5.32655 1.672 2.542726 1.83 2.231732 2.1 11.88665 1.653 5.227437 1.673 2.512296 1.84 2.22936 2.11 111.653735 5.134487 1.674 2.5 1.844363 2.227263 2.12 10.72744 1.654 5.047102 1.675 2.484917 1.85 2.225426 2.13 101.65482 5 1.675565 2.460201 1.86 2.223835 2.14 9.859732 1.655 4.964763 1.676 2.437823 1.87 2.222475 2.15 9.17931.656 4.887016 1.677 2.417512 1.88 2.221333 2.16 9 1.656304 4.813461 1.678 2.399035 1.89 2.220397 2.17 8.627561 1.657 4.743747 1.679 2.382195 1.9 2.219658 2.18 8.168728 1.658 4.67756 1.68 2.366822 1.91 2.219103 2.19 8 1.658414 4.5 1.682956 2.35277 1.92 2.218724 2.2 7.779543 1.659 4.160525 1.69 2.33991 1.93 2.218513 2.21 7.44415 1.66 4 1.694172 2.328131 1.94 2.218459 2.22 7.151321 1.661 3.811702 1.7 2.317334 1.95 2.218457 2.218457 7 1.661571 3.558259 1.71 2.307434 1.96 6.892851 1.662 3.5 1.712755 2.298354 1.97 注本例着重于本专利的关键点，故对压力容器现有的设计步骤未有也不必加以详细叙述。
下面结合附图进行分析。首先考虑按第三强度理论的情况。图1所示是一压力容器筒体的横截面，内层为塑性区，外层为弹性区，弹-塑性界面半径为rj。
根据压力容器的现有理论，卸除自增强压力后，容器壁中的残余应力为 塑性区 弹性区 其中σz′——轴向残余应力；σr′——径向残余应力； σt′——周向残余应力；r——容器壁中任意点处的半径。
由式(1)-(3)或(4)-(6)可得弹-塑性界面处(r＝rj)的残余应力 内压p在rj处引起的应力为 rj处的总应力就是式(7)至式(10)相应式子的相加 按第三强度理论，rj处三个方向(z、r、t方向)的总应力的当量应力为 由式(1)-(3)可得容器内壁面处(r＝ri)的残余应力 按第三强度理论，ri处残余应力的当量应力为 σei′/σy必是压应力，并且随着kj增大而增大(绝对值增大)；k→∞时，(或e0.5)。
内压p在ri处引起的应力为 总应力(残余应力+内压p引起的应力)为 按第三强度理论，ri处总应力的当量应力为 实际上式(18)可由式(19)令p/σy＝0得到。
通过式(18)，式(14)可写成 令式(1)＝式(2)和式(1)＝式(3)都得 这说明三条残余应力分布曲线交于一点。
在式(14)或(14a)中令p/σy＝0得rj处的残余应力的当量应力 σej′/σy必是拉应力，并且σei′/σy比σej′/σy更危险。
在式(18)中令kj＝k，得 在式(21)中令σei′/σy＝-1得 这就是说，当k小于由公式确定的值，即k小于约2.2184574899167时，不论kj多大，卸除自增强压力后，容器都不会产生反向屈服。
在式(18)中直接令σei′/σy＝-1得 k2lnkj2-k2-kj2+2＝0或 这个公式关联了k(反映容器厚度尺寸)与kj(反映塑性区深度)，显示了k与kj间明确的函数关系。这是非常关键的，利用这个公式，对于任何厚度的容器都可以方便而容易地算出安全的塑性区深度(kj)。如何运用公式(23)在实施例1中给出了多种方法。根据式(23)，从表1及图2可见，k越大，即筒体越厚，kj越小，即塑性区深度越浅。这给工程应用提供了很大方便，因为筒体越厚越难产生较大的屈服区，故当筒体较厚时可采取较浅的塑性区，不但不会在自增强处理时产生反向屈服，而且可以满足设计要求。
在式(14)中令σej/σy＝1得塑性区深度为kj的压力容器当rj处刚开始屈服时所能承受的载荷 将式(23)写成 2k2lnkj-kj2＝k2-2代入式(24)得 k≥2.2184574899167(25) 这就是安全的自增强压力容器的承载能力计算公式，其图象如图3所示。结合式(25)及其图象下面作一些说明 (1)曲线ofa(k＝1～2.2184574899167)。处于这一阶段时在自增强处理过程中直到kj＝k都不会发生反向屈服。自增强容器的最大承载能力可达其全屈服压力p/σy＝lnk(kj＝k)。这一阶段有σei′/σy＝-1(等价于k2lnkj2-k2-kj2+2＝0)、σej＝σy＞σejmin同时σei＝σy(因为一旦σej＝σy必有σei＝σy)、σej′/σy＜1。
(2)曲线ab(k≥2.2184574899167)。这一阶段有 σei′/σy＝-1(等价于k2lnkj2-k2-kj2+2＝0)、σej＝σy＞σejmin，同时σei＝σy。承载能力为 p/σy随着k增大而增大(而kj随着k增大而减小)；k→∞时，kj→exp(0.5)，p/σy→1；本阶段承载能力大于od段而小于ac段。
(3)虚线ac(k≥2.2184574899167)p/σy＝py/σy＝lnk。
这段曲线与实线ofa是同一条，但k≥2.2184574899167后，p/σy并不由ac确定。
(4)虚线od(k＝1～∞)。这是非自增强容器的最大弹性承载能力是一条对比曲线。
(5)虚线oea(k＝1～2.2184574899167)。与实线ab是同一条这一段上的承载能力比py/σy还大。但在k＝1～2.2184574899167阶段，承载能力不由曲线oea而由曲线ofa，决定，否则σei与σej都将超过σy，这是不安全的。
k＜2.2184574899167时，|σei′/σy恒小于1。
因此，曲线ofab是最佳承载能力曲线。
按第四强度理论。根据压力容器的现有理论，相应于式(1)-(6)有 塑性区 弹性区 类似地，由式(1a)-(3a)或(4a)-(6a)可得弹-塑性界面处(r＝rj)的残余应力，加上内压p在rj处引起的应力，应用第四强度理论可得rj处总应力的当量应力 由式(1)-(3)可得容器内壁面处(r＝ri)的残余应力 按第四强度理论，ri处残余应力的当量应力为 与按第三强度理论的结果完全一样，因此kj与k的关系必然一样，即必是式(23)，故不论按第三或第四强度理论，确定kj的公式都是一样的。
以同样的步骤可得ri处总应力的当量应力为 同样，(18a)可由式(19a)令p/σy＝0得到。
通过式(18a)，式(14b)可写成 同样，令式(1a)＝式(2a)和式(1a)＝式(3a)都得 也与按第三强度理论的结果完全一样。
在式(14b)或(14c)中令p/σy＝0得rj处的残余应力的当量应力 又与按第三强度理论的结果完全一样。
在式(14b)中令σej/σy＝1得塑性区深度为kj的压力容器当rj处刚开始屈服时所能承受的载荷 将式(23)写成 2k2lnkj-kj2＝k2-2代入式(24a)得 k≥2.2184574899167(25a) 这就是安全的自增强压力容器按第四强度理论的承载能力计算公式，其图象如图4所示。结合式(25a)及其图象下面作一些说明 (1)曲线ona(k＝1～2.2184574899167)。参阅第三强度的曲线ofa。
(2)曲线aq(k≥2.2184574899167)。参阅第三强度的曲线ab。这一阶段 σei′/σy＝-1(等价于k2lnkj2-k2-kj2+2＝0)、σej＝σy＞σejmin，同时σei＝σy。承载能力为 p/σy随着k增大而增大(而kj随着k增大而减小)；k→∞时，kj→exp(0.5)，本阶段承载能力大于os段而小于av段。
(3)虚线av(k≥2.2184574899167) 这段曲线与实线ona是同一条，但k≥2.2184574899167后，p/σy并不由av确定。
(4)虚线os(k＝1～∞)。非自增强容器最大弹性承载能力是一条对比曲线。
(5)虚线owa(k＝1～2.2184574899167)。与实线aq是同一条这一段上的承载能力比py/σy还大。但在k＝1～2.2184574899167阶段，承载能力不由曲线owa而由曲线ona，决定，否则σei与σej都将超过σy，不安全。
k＜2.2184574899167时，|σei′/σy|恒小于1。
因此，曲线onaq是最佳承载能力曲线。
从以上分析及图3、4知，a点是全屈服线与最佳承载能力曲线的交点，在该点有 按第三强度理论 按第四强度理论 很明显，以上两式是等价的，且整理的结果都是式(22)。
以上分析论证过程中得到的一些规律、关系式及数据、图表等可作为压力容器工程设计时参考的理论基础和依据，也使自增强理论各参数间的关系和变化规律更清晰、透彻和实用。
权利要求
1、一种安全的自增强压力容器，其特征是塑性区深度按公式k2lnkj2-k2-kj2+2＝0计算，可保证自增强处理时不产生反向屈服，即σei′/σy≥-1；承载能力按公式(按第三强度理论)或(按第四强度理论)计算，可保证σej≤σy和σei≤σy；其中k为自增强压力容器外半径与内半径之比，kj为自增强压力容器弹性与塑性区交界面半径与内半径之比，σei′为卸除自增强压力后容器内壁面残余应力的当量应力，σy为自增强压力容器材料的屈服强度，p为自增强压力容器所承受的内压，pe为非自增强压力容器的最大弹性承载能力，σej为容器弹-塑性区交界面处总应力的当量应力，σei为容器内壁面处总应力的当量应力。
2、如权利要求1所述的安全的自增强压力容器，其特征是当k小于由公式确定的值，即k小于约2.2184574899167(包括由2.2184574899167按某些规则得到约数)时，不论kj多大，卸除自增强压力后，容器都不会产生反向屈服，此时自增强压力容器的最大承载能力可达到全屈服压力，即(第三强度理论)或(按第四强度理论)。
全文摘要
一种安全的自增强压力容器。用于提高容器的安全性与承载能力，解决现有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。其技术方案要点是塑性区深度按公式k2lnkj2-k2-kj2+2＝0计算，可保证不产生反向屈服；承载能力按上图式(Ⅰ)计算，可保证σej≤σy和σei≤σy。其中k为容径比，kj为弹-塑性界面半径与内半径之比，σy为材料的屈服强度，p为容器承受的内压，pe为非自增强容器最大弹性承载能力，σej为弹-塑性界面处总应力的当量应力，σei为内壁面处总应力的当量应力。当k小于由公式(k2/k2-1)lnk=1确定的值时，不论kj多大，卸除自增强压力后，容器不会产生反向屈服，此时自增强容器的最大承载能力可达全屈服压力，即上图式(Ⅱ)。
文档编号F16J12/00GK101338817SQ200810210048
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者朱瑞林 申请人:朱瑞林