一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器的制造方法
【专利摘要】一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器，解决提高压力容器承载能力与安全性等技术问题。该种压力容器利用内、外壁温差产生的温差应力抵消部分由操作内压 p 引起的机械应力，以降低和均化其应力分布，从而增强其承载能力，比机械预应力方法自增强压力容器更安全、便捷、可靠、节省，设计更灵活。其技术方案要点是：以临界温差或理想温差控制内、外壁温差，以或约束径比 k 、 p 、 E 、 a 、 u 、温差 dt 之间的大小；其中 E 为容器材料的弹性模量、 a 为容器材料的热膨胀系数、 u 为容器材料的泊松比、 s y为容器材料的屈服强度、 k = r o/ r i、 r i为容器内壁面半径、 r o为容器外壁面半径。该种压力容器的径比最低达或，最高承载能力达 p / s y=ln k 或 p / s y=( k 2-1)/ k 2。
【专利说明】一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器，涉及机械、化工、制 药、能源、材料、食品、冶金、石油、建筑、航空、航天、兵器等技术等领域。
【背景技术】
[0002] 压力容器是许多工业部门的关键、特种设备，广泛应用于各行各业，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。压力容器的主体部分绝 大多数是圆筒，圆筒承受工作压力时，其器壁中的应力很不均匀，如说明书附图4所示。容 器厚度越大，应力越不均匀。若按最大应力设计压力容器，会使其壁厚很大，壁厚大不仅浪 费材料、资源、资金，增加成本，还有安全隐患。须设法降低容器器壁中的应力，才能提高容 器的强度，节约材料、降低成本，并提高压力容器的安全性。降低容器器壁中的应力的方法 有很多，自增强技术即是降低和均化应力、提高压力容器承载能力及其安全性的重要而有 效的手段。压力容器自增强的具体方法又有很多，例如，在容器投入使用前对其施加较大 的机械压力，使其内层部分材料产生塑性变形，外层部分材料仍为弹性状态，卸除机械压力 后，便在容器器壁中产生机械预应力（残余应力）：内层部分材料为压应力，外层部分材料为 拉应力。机械预应力与容器操作压力引起的应力相叠加即可降低应力。而本发明则采用温 差预应力自增强方法构造一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器。所述温差预 应力即由于金属热胀冷缩的原因而由容器内、外壁面温度差引起的应力，温度差由容器本 身的工作温差造成，或在容器投入使用前对其内、外壁进行加热或冷却而造成。温差预应力 压力容器比机械预应力压力容器更安全、便捷、可靠、节省、灵活，因为（1)靠温差应力产生 预应力的方法不存在施压介质，故没有危险性，也不需要昂贵的水压机等施压设备；（2)温 差的控制相对较为容易，因而温差应力的大小及其均匀性容易得到保证；（3) -旦温差应 力过大，由于不存在压力介质，因此不至像机械应力那样引起压力容器爆炸等灾难性事故； (4)发明人研究发现，温差预应力的大小及分布规律与温差出紧密联系，因此，可根据操作 条件而改变出以获得不同的操作应力状态，可见容器结构优化空间很大，这就能够获得机 动灵活的设计方案。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器。
[0004] 本发明所采用的技术方案是：构造一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容 器，其特征是：所述压力容器内、外壁面存在温差，温差使压力容器器壁产生温差预应力，所 述压力容器工作时的总应力为温差预应力与机械应力相叠加，所述机械应力指压力容器工 作压力P所产生的应力，所述压力容器工作压力/7为内压；所述压力容器内壁面半径为Λ、 外壁面半径为r。，内壁面温度为ii、外壁面温度为?。,温差称为内加热；所 述压力容器在温差预应力作用下，处于弹性状态，即出 < 出。，出。为温差预应力刚使压力容 (h-^ *- InIr^ Cl ?tiiSy. 器内壁面产生屈服的温差，称为临界温差，d￡c =' 2}2 -~~iX，其中i?为容器 Ir3Infe2-1^+1Ea 材料的弹性模量、a为容器材料的热膨胀系数、《为容器材料的泊松比、&为容器材料的屈 服强度、左为容器的径比，A=Tt5Av所述温差由压力容器本身的工作温度造成，或对压力容 器内、外壁面进行加热或冷却而造成。A彡九时，其温差限定为出 < 出。，承载能力/Vsy以
【权利要求】
1. 一种弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器，其特征是：所述压力 容器内、外壁面存在温差，温差使压力容器器壁产生温差预应力，所述压力容器 工作时的总应力为温差预应力与机械应力相叠加，所述机械应力指压力容器工 作压力P所产生的应力，所述压力容器工作压力为内压；所述压力容器内壁面 半径为外壁面半径为r。，内壁面温度为外壁面温度为（。，温差出#"。， GX。，称为内加热；所述压力容器在温差预应力作用下，处于弹性状态，即 出 。，出。为温差预应力刚使压力容器内壁面产生屈服的温差，称为临界温差，
，其中A为容器材料的弹性模量、a为容器材料的热膨胀系 数、《为容器材料的泊松比、\为容器材料的屈服强度a为容器的径比
2. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器，其特征是：所 述温差由压力容器本身的工作温度造成，或对压力容器内、外壁面进行加热或冷却而造成。
3. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力内压内加热自增强压力 容器，其特征是4彡九时，其温差限定为冶彡冶。，承载能力以
规定；出=〇^。时，承载能力为
，此时容器径比为
；其中&为初始屈服机械载荷或最大机械弹性载荷、九为由 公式
确定的左值，称为临界径比，九=2. 2184574899167...，其余符号同前。
4. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力内压内加热自增强压力 容器，其特征是4彡心时，其温差限定为冶彡，承载能力以
f规定；时，承载能力为/?=?5yln^=/7y，此时容 器径比为& =，八；其中
，称为理想温差、A为全屈服机械载荷或整体 屈服机械载荷，其余符号同前。
5. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器，其特征 是< /7。或< /7e/sy时，其径比为是=e_r 或彡/7e/sy时，其径比为
;其中凡为由公式 ^确定的/7值，/?。/^=0.796812-，其余符号 同前。
6. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器，其特征是：这 种压力容器的结构尺寸，即径比h承载能力材料性能因素a、a、《、sy)、温差冶之间
约束，容器壁厚的大小根据实际需要调整、组合、匹配； 各符号意义同前。
7.根据权利要求1所述的弹性温差预应力内压内加热自增强压力容器，其特征是： 左 < 九时，这种压力容器器壁中三向总应力为
左彡九时，这种压力容器器壁中三向总应力为
其中^为径向总应力、&为环向总应力、\为轴向总应力，其余符号同前。
【文档编号】F16J12/00GK104405869SQ201410641237
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】朱瑞林, 朱国林, 雷群意, 曾祥, 朱玲, 邓卫军, 李 权, 赵保录, 黄干斌 申请人:湖南师范大学