一种高温预应力内压内加热压力容器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明为一种高溫预应力内压内加热压力容器，设及机械、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口的关键、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、兵器等部口。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。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。而本发明则采用溫差预应力自增强方法构造一 种高溫预应力内压内加热压力容器。较之于机械预应力压力容器和弹性溫差预应力压力容 器，高溫预应力内压内加热压力容器更安全、便捷、可靠、节省、灵活，因为（1)靠溫差应力产 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) 溫差的控制相对较为容易，因而溫差应力的大小及其均匀性容易得到保证；（3)-旦溫差应 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，溫差预应力的大小及分布规律与溫差dt紧密联系，因此，可根据操作 条件而改变dtW获得不同的操作应力状态，可见容器结构优化空间很大，运就能够获得机 动灵活的设计方案；巧)弹性溫差预应力压力容器需要在压力容器工作时也维持所需溫差， 一旦消除溫差，溫差预应力就不存在，运不但需要耗费能源，操作不便，而且，若生产过程不 允许有溫差存在，则弹性溫差预应力压力容器就不可行;而本发明所构造的高溫预应力内 压内加热压力容器是对压力容器机械加热和冷却处理，使其内、外壁面形成溫差，溫差超过 一次屈服溫差，即溫差已经使压力容器产生了屈服，消除溫差后有残余应力存在。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种高溫预应力内压内加热压力容器。
[0004] 本发明所采用的技术方案是：构造一种高溫预应力内压内加热压力容器，其特征 是:对压力容器筒壁进行如下处理，使其存在溫差残余应力，形成部分材料为塑性、部分材 料为弹性的结构，具体措施是：对压力容器内壁面进行加热，或对压力容器外壁面进行冷 却，或同时对压力容器内壁面进行加热，而对外壁面进行冷却，使其内、外壁面存在溫差而 产生溫差应力；溫差达到压力容器刚刚整体屈服的溫差，因而溫差应力使压力容器整个壁 厚刚刚全部产生屈服，即整个壁厚处于塑性状态;保持溫差一定时间使溫差应力稳定后消 除溫差，在压力容器中就产生溫差预应力，或溫差残余应力;所述压力容器工作时的总应力 为溫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P为内压。
[0005] 本发明的有益效果和优点是:在压力容器内、外壁形成溫度差，用溫差所产生的溫 差应力抵消一部分由其操作压力所引起的机械应力，W均化其应力分布，从而增强其承载 能力，W形成一种高溫预应力内压内加热压力容器。其余有益效果和优点如"【背景技术】"末 尾(1)至巧)所述。
[0006] 产生内、外壁溫差的方式是，压力容器内壁面用过热水蒸气等加热，外壁面用液氨 等冷却。
【附图说明】
[0007] 图1是整个器壁为塑性状态的圆筒形压力容器。
[0008] 图2是典型的内加热时的弹性溫差应力分布图。
【具体实施方式】
[0009] 压力容器的主体部分绝大多数为圆筒，设圆筒形压力容器内、外半径分别为ri、r。， 带下标i、〇的符号分别代表内、外壁面上的值；内、外壁溫分别为ti、t。。筒壁任一半径为r处 的溫度为t。参见说明书附图1，该图为二次屈服后、整体屈服前的状态。经分析、研究，圆筒 形压力容器内、外壁存在溫差化时，器壁中任一点处(半径为r)的溫差应力为：
其中，Sft、Stt、Szt-径向、环向、轴向溫差应力，MPa; 化一热载荷；
E-压力容器材料的杨氏弹性模量，MPa; a-压力容器材料的热膨胀系数，° (Tl; U-压力容器材料的泊松比，无量纲； 化一压力容器内、外壁的溫差，。C，化=t广to ; k-压力容器的径比，无量纲，k=；Tc/ri; kr-kr=。/!"，无量纲； X-相对位置，X=Vri，无量纲。
[0010]【示例】:若钢材的弹性模量为E=2 X l〇5MPa，泊松比为U=O. 3，热膨胀系数为a=l. 25 X10-5°C-l，若化=100°C(内加热）。设ri=300mm，r。=900mm，即k=3，其溫差应力如说明书附图2 所示。
[0011]由式（I)和图2可知，不论内加热或外加热，内壁面应力绝对值大于外壁面应力绝 对值，而Srit=O,因此，随着溫差化增大，总是内壁面先屈服。随着溫差dt不断增大，屈服区即 塑性区由内壁面向外壁面扩展，扩展到容器壁中的一定位置时（尚未到达外壁面），外壁面 开始屈服。溫差继续增大时，由内壁开始屈服的塑性区（即塑性区1)向外壁面扩展，由外壁 开始屈服的塑性区（即塑性区2)向内壁面扩展，直至两个塑性区接合而达到整体屈服。本发 明对压力容器处理的技术方案限于刚刚整体屈服时的状态，此时压力容器的结构为整体壁 厚呈塑性状态的形式，如说明书附图1所示。
[0〇1^ 当St。t-Sr。t=Sy时（内加热），容器外壁面开始屈服，由式（l)得外壁面刚刚屈服的溫 差，即二次屈服溫差化C2:
研究表明，整体屈服溫差化。e约为二次屈服溫差化。2的1.05至1.3倍。
[〇〇1引实施例1，某压力容器用20MnMo材料制成，该材料的弹性模量E=2.1 X IO5MPa，泊松 ttu=0.32，热膨胀系数a=l. 2 X 1〇-5° C-1，屈服强度Sy=355MPa，容器内壁面半径；Ti=150mm，夕F 壁面半径rcF300mm，即k=2。为获得整个壁厚为塑性区的结构，对压力容器内壁面进行加热， 或对压力容器外壁面进行冷却，或同时对压力容器内壁面进行加热，而对外壁面进行冷却， 使其内、外壁面存在溫差而产生溫差应力，直至压力容器整个器壁屈服。由式（2)知，dtc2 = 246.88183° C，因此溫差控制在dtce=259.2259至320.9464° C之间，例如溫差dt=300° C。保持 溫差一定时间使溫差应力达到稳定后消除溫差，即可获得整个器壁为塑性区的压力容器结 构。
【主权项】
1. 一种高温预应力内压内加热压力容器，其特征是:对压力容器筒壁进行如下处理，使 其存在温差残余应力，形成部分材料为塑性、部分材料为弹性的结构，具体措施是:对压力 容器内壁面进行加热，或对压力容器外壁面进行冷却，或同时对压力容器内壁面进行加热， 而对外壁面进行冷却，使其内、外壁面存在温差而产生温差应力;温差达到压力容器刚刚整 体屈服的温差，因而温差应力使压力容器整个壁厚刚刚全部产生屈服，即整个壁厚处于塑 性状态;保持温差一定时间使温差应力稳定后消除温差，在压力容器中就产生温差预应力， 或温差残余应力;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P为内压。
【专利摘要】一种高温预应力内压内加热压力容器，其技术特征是：利用压力容器内、外壁存在的壁温差，使压力容器器壁内产生温差应力，温差高于使压力容器器壁产生整体屈服的温差，因而温差应力使压力容器成为整个器壁呈塑性状态的结构。保持该温差一定时间使温差应力稳定后消除该温差，压力容器因此获得有利于抵消部分操作应力的残余应力，从而降低和均化压力容器器壁中的应力、提高其承载能力与安全性。
【IPC分类】F16J12/00
【公开号】CN105443752
【申请号】CN201610011170
【发明人】朱瑞林, 朱国林, 朱格明, 朱天明, 李紫璇, 朱悦明, 朱俊明, 毛爱凤
【申请人】湖南师范大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2016年1月8日