减少焊接中的剩余应力的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种压力容器，所述压力容器包括被设置用于容纳压力介质的压力室(5)，所述压力容器包括：至少一个圆筒段(2)，所述至少一个圆筒段被设置用于纵向连接以形成圆筒主体(1)，藉此，被设置用于互连部分(12)的接合部(7)形成在至少一个圆筒段的相邻纵向边缘(6)处。所述压力容器还包括预施加应力装置(20)，所述预施加应力装置被设置在所述圆筒主体的外壳表面(4)周围，用于对所述圆筒主体径向预施加应力并用于至少部分降低沿所述至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的间隙(11)。
【专利说明】减少焊接中的剩余应力
【技术领域】
[0001]本发明涉及高压挤压领域，并且具体地，涉及一种用于等静压挤压的压力容器。
【背景技术】
[0002]高压挤压经常用于粉末或模型材料的密封，例如飞机用的涡轮机叶片，以实现材料孔隙度的消除。因此，压力被施加到放置在压力机中的物体，以便大致增加物体的使用寿命和强度，特别是增加疲劳强度。本申请的另一个领域涉及一种产品的制造，该产品需要被充分密集并具有无孔表面。
[0003]受到高压挤压处理的物体被定位在压力室的装填隔室中。装填后，压力室被密封并且液体或气体压力介质被引入到压力室和压力室的装填隔室中。压力机通常包括设有电热元件的熔炉，用于增加压力室中的温度。压力介质的压力和温度增加，使物体在选择的时间段经受高压和高温。当物体挤压完成时，物体经常需要在从压力室移除或卸载之前被冷却。
[0004]压力、温度和处理时间取决于诸如待处理的物体的材料特性、应用范围和/或所需要的物体的质量等因素。基于等静压挤压过程期间的压力介质的温度，该过程可以被称作热等静压挤压(以下被称作HIP)，其中压力通常可以达到300MPa，温等静压挤压(在此处被称作WIP)，或冷等静压挤压(以下被称作CIP)，其中压力可以达到700MPa。
[0005]用于高压压力机的圆筒是通过锻造传统制造的，其中主体首先被铸造并且然后被锻造。更具体地，大致圆柱形主体先被铸造，然后被锻造以扩展成具有适当直径和壁厚度的中空圆筒主体。锻造过程提供了增加铸造材料的强度的优点。为了承受高的内部压力，圆筒主体然后通过径向压缩圆筒的方式被预施加应力，由此，圆筒壁经历正切压缩应力。预施加应力还使圆筒壁中的裂缝形成/蔓延的风险最小化，并因此减少了压力容器失效的风险。
[0006]在制造非常大的圆筒时，对用于锻造、热处理、和机械加工过程的设备的要求要求是高的。近来，对于待挤压的物品的尺寸越来越大的需求的增加日益发展，这暗示了增加压力室的容量的需求，经常超过使用现有压力容器可能的情况。另外，上述传统的制造方法是复杂且耗时的。与有限数量的合格供应者相结合，这会导致长时间才能交付的问题。因此具有改善压力容器的需要，并且特别地，需要能够应对持续增加的需求和满足业务和顾客的需要的压力容器。
【发明内容】
[0007]本发明的一种目标是提供一种减轻至少一些上述问题的改善的装置和方法。
[0008]该目标和其它目标通过提供压力容器、高压压力机和用于制造具有限定在独立权利要求中的特征的压力容器的方法。优选实施例被限定在从属权利要求中。
[0009]根据本发明的第一方面，提供有一种压力容器，该压力容器包括被设置用于容纳压力介质的压力室。该压力容器还包括被设置用于纵向连接以形成圆筒主体的至少一个圆筒段，藉此，被设置用于互连部分的接合部形成在至少一个圆筒段的相邻纵向边缘处。此夕卜，压力容器包括设置在圆筒主体的外壳表面周围的预施加应力装置，用于对圆筒主体径向预施加应力，和用于至少部分减少沿至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的间隙。
[0010]根据本发明的第二方面，提供有用于物品的等静压力处理的高压压力机，该高压压力机包括根据本发明第一方面的压力容器，该高压压力机具有设置在力吸收压力主体周围的力吸收压力机框架。
[0011]根据本发明的第三方面，提供有用于制造压力容器的方法，该压力容器包括被设置用于容纳压力介质的压力室。所述方法包括提供沿在所述至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的间隙的步骤。所述方法还包括对圆筒主体的外壳表面预施加应力的步骤，用于对圆筒主体径向预施加应力，其中在对圆筒主体预施加应力时，沿至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的接合部延伸的间隙至少部分减小。将认识到:产生的圆筒主体在其开口端能够通过闭合盖关闭，从而围起压力室。
[0012]本发明的压力容器基于以下理解:具有增加强度的压力容器可以通过提供沿压力容器的至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的间隙而实现，其中预施加应力装置被设置用于在预施加应力期间至少部分地减小所述间隙。在将至少一个圆筒段装配到圆筒主体中时，所述间隙可以被设置用于互连部分的收缩。因此，拉伸应力被减小，产生增加的焊接部强度的结果，并因此产生圆筒主体的强度增加的结果。然后，在预施加应力时，预施加应力装置至少部分减小所述间隙。
[0013]更具体地，在相邻的纵向边缘处的接合部处的互连部分可以在冷却时使至少一个圆筒段之间的间隙缩短，从而避免沿圆筒主体的圆周方向的剩余应力，其中互连部分可以是例如焊接、铜焊和/或焊锡部分。基本上在焊接时，焊接部的局部温度可以基本上超过被连接的圆筒段的金属的温度。这导致了在焊接期间的焊接部的局部热膨胀以及焊接之后的焊接部的随后收缩。因此，在冷却时，当焊接部由于热收缩而凝固和收缩时，拉伸应力可以沿所述段之间的圆周方向被屈服。本发明的压力容器克服了这种问题，因为在通过沿接合部焊接圆筒段而装配圆筒段时提供的间隙允许焊接部随沿圆筒主体的圆周方向的应力的明显减小而收缩。
[0014]此外，在压力容器的操作期间，预施加应力装置沿圆筒主体的圆周方向将力施加在圆筒段上，即，力沿圆周方向被引导使得圆筒段挤压在一起。然而圆筒段之间的接合部会受到通过增压介质施加的分离力的影响。预施加应力装置被设置以抵消该分离力并且还充分大以完全抵消和中和所述分离力，使得合力是沿圆筒主体的圆周方向的压缩力。接着，这还导致互连部分不受到沿圆周方向的拉伸应力，这是有利的，因为优选地是在焊接部中具有压缩应力(与焊接部中具有拉伸应力的情况相比)，从而增加焊接部的强度，并因此增加圆筒主体的强度。
[0015]此外，从压力容器沿圆筒主体的轴向方向预施加应力沿所述轴向方向抵消互连部分中的任何拉伸应力。因此，在压力介质增压时，当沿轴向和径向对压力容器预施加应力时，互连部分(例如焊接部)可以几乎或完全不受到沿圆筒主体的圆周和/或轴向方向的拉伸应力。
[0016]本发明的一种优点在于等静压挤压中的压力容器的操作在安全方面具有改善。由于在预施加应力之前，沿每个接合部的至少一部分延伸的间隙沿圆筒主体的圆周方向提供减小的焊接部应力，所以增加了焊接部的强度。因此，与现有技术相比，焊接部变得更能够承受高压，并且在HIP的情况下，与更能够承受高温。这是一个有意义的重要性，因为本发明的压力容器减少了压力容器失效的风险。作为一个实例，压力容器的失效缘由可以是由于例如材料裂缝，这在裂纹开裂和蔓延时会出现。本发明在操作压力容器时改善了上述提及的安全方面并提供了改进的可靠性。例如，本发明可以提高非常有力的HIP压力机(正在发展的)的压力容器的安全性。在这些压力机(又名“千兆HIP)中，可以达到数百MPa的极限压力。
[0017]本发明的另一优点在于圆筒段之间的互连部分可以例如通过使用焊接加成材料而执行。由于加成材料可以在焊接期间提高可熔性并在固化之后提供高蠕变断裂强度，所以本发明提供了圆筒段的更加改进的互连部分以形成圆筒主体。此外，在焊接之后，可以通过退火处理焊接以为焊接部提供以下优点:诸如改进的延展性、内应力减少、通过其单一性产生的结构改进、和/或改善的冷加工特性。
[0018]通过诸如焊接部的互连部分将圆筒段装配成圆筒主体，本发明还提供了比现有制造的圆柱形压力容器的尺寸更大的圆柱形压力容器的尺寸的制造的优点。包括焊接在一起的圆筒段的圆筒主体不受到与单个大圆筒的制造过程相关的障碍的限制。
[0019]此外，本发明对于将压力容器运送到装配场地是有利的，即，压力容器可以从锻工等等以段的方式被运送到制造和装配场地。例如，本发明可以有助于“千兆HIP”的运送和装配，这种千兆HIP高于12m并超过600吨重。用于构造圆筒主体的圆筒段的布置从本发明的改进的焊接部布置获益，这减少了焊接部的剩余应力。因此，HIP压力机的圆筒主体可以由圆筒段构成，与单件圆筒相比，这更便于运送。因此，可以避免非常大的压力机圆筒的单件构造。
[0020]本发明的压力容器的另一个优点在于圆筒主体的制造和运送变得更便宜。将圆筒主体制造成段(其中段可以是相同的)比非常大的单件圆筒主体的制造更具有经济效益。此外，与单件圆筒主体相比，圆筒主体的段具有更小的体积，可以更简便且快速地提供圆筒主体段的运输，这也可以具有更便宜的运输的结果。本发明的压力容器包括至少一个圆筒段，所述至少一个圆筒段被设置用于纵向相互连接以在压力室周围形成圆筒主体。换句话说，被装配(安装)成圆筒主体的圆筒段沿圆筒主体轴线的方向延伸。这里，术语“至少一个圆筒段”表示圆筒主体包括形成圆筒主体的一个或多个圆筒段。在单个段的情况下，该单个段可以被形成为单个圆筒形状的主体，其中该段的纵向边缘到达它们彼此邻接的位置。还能够由例如金属板形成多个弯曲的圆筒段，并将它们布置以形成圆筒主体。这种弯曲圆筒段还可以被铸造成段毛坯，并且然后被锻造成它们最终的形状。在一些情况下，圆筒段可以被直接铸造成它们最终的曲线形状，并然后，如果有需要，通过锻造给出额外的强度。
[0021]这里，术语“接合部”表示在圆筒主体装配时圆筒段的相邻纵向边缘处的连接区或连接部。
[0022]术语“圆周方向”在这里表示圆筒主体的垂直于轴向方向的外围的方向，或者换句话说，表不平行于正切方向的方向。
[0023]这里，术语“互连部分”表示至少一个圆筒段之间的刚性连接。互连部分优选地可以是焊接部，为了便于理解，术语“互连部分”在本文中通常是指焊接部。通过沿圆筒段的接合部的相邻纵向边缘处提供的焊接部，可以获得包括连接的圆筒段且在接合部流体密封的压力容器，从而防止压力介质泄漏通过圆筒段的接合部。
[0024]在压力室中流体被清空的操作期间，诸如在HIP的操作期间，互连部分的密封将防止流体流出室从而泄漏到压力室中。这增加了真空周期的效率。因此，互连部分可以提供双向密封，产生接合部在双方向上防止泄漏的结果，即，防止从室泄漏到外部并且反之亦然。
[0025]在圆筒段之间进行焊接之后，可以沿圆筒段的相邻纵向边缘之间的接合部的至少一部分保持间隙，从而使圆筒段沿每个接合部的至少一部分略微分离。间隙可以通过焊接被至少部分地包围，或换句话说，间隙被实现作为至少一个圆筒段之间的在轴向方向、径向方向和/或沿圆周方向上的空隙。
[0026]压力容器包括设置在圆筒主体的外壳表面周围的预施加应力装置，并且所述预施加应力装置被设置用于对圆筒主体径向预施加应力。在沿径向方向被预施加应力时，即，在压力容器周围的预施加应力装置将预应力施加到圆筒主体的圆筒段上时，圆筒段将沿圆周方向被挤压在一起。在圆筒段被挤压在一起时，相邻圆筒段之间的间隙将被减小/降低，并且在越来越多的预应力从预施加应力装置被施加时，最终、几乎或完全消失。因此，在对压力容器预施加应力之后，可能在相邻圆筒段之间只有部分的间隙，或实际上根本没有间隙。
[0027]当压力容器的圆筒段通过预施加应力装置被挤压在一起时，适当的是圆筒段的相邻纵向边缘均匀地互相连接，使得圆筒主体的圆周变得平滑。为此，圆筒段的纵向边缘可以被全面处理，用于提供平整的互连部分。然而，在通过预施加应力装置对压力容器预施加应力时，从预施加应力装置沿径向方向施加的压力力争使圆筒主体沿圆周方向的任何不规则结构变平整。
[0028]根据本发明的一种实施例，沿至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的至少一个凹部可以被设置用于解除来自压力容器的应力。换句话说，在圆筒主体中形成裂缝的情况下，凹部可以被设置用于解除来自压力容器中的压力介质的压力。可以沿接合部在纵向方向上被设置的凹部可以因此沿纵向方向从圆筒主体的内部吸收和运送压力介质，从而降低圆筒主体内的压力和/或降低甚至更严重的在圆筒主体中形成裂缝的风险。例如，在压力容器的操作期间，裂缝可以出现在圆筒段的内部部分上或圆筒主体的段的内部部分上。裂缝可能会出现在例如圆筒段之间的接合部处的互连部分处，或者在该互连部分附近。在出现这种裂缝的情况下，在圆筒主体段之间会出现从圆筒主体内部朝向凹部的泄漏。
[0029]在本发明实施例中的至少一个凹部可以缓和与圆筒主体中裂缝形成相关的问题，并可以更进一步防止裂缝在圆筒主体中蔓延。因此，本实施例的一个优点在于等静压挤压中的压力容器的操作在安全方面有更进一步的改善。由于在圆筒主体的圆筒段之间的例如焊接部的互连部分可以构成圆筒主体的临界点，特别是在压力容器的极限压力处，设置在圆筒段的相邻纵向边缘之间的接合部处的凹部可以更进一步地防止在焊接部处出现的裂缝的蔓延。在该实施例中，术语“凹部”可以被解释为孔、空腔等等。
[0030]因此，压力容器可以包括沿至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的间隙/或凹部，其中所述间隙被设置用于互连部分的收缩和互连部分的拉伸应力的释放，并且其中所述凹部被设置用于在裂缝形成的情况下释放应力/压力。换句话说，由于在预施加应力之前焊接部中的拉伸应力的减小，所以间隙可以提供改善的互连部分的优点，并且凹部可以提供在互连部分处形成裂缝的情况下应力的释放。而相邻圆筒段之间的间隙将降低/减少，并且在越来越多的预应力从预施加应力装置被施加时最终几乎或完全消失，设置在接合部处的凹部仍然可以是几乎或完全未经触动。将要理解的是凹部可以独立于设置的间隙而被设置在圆筒段中，即，压力容器可以包括间隙、凹部、或间隙和凹部。
[0031]根据本发明的实施例，互连部分可以是例如焊接部、铜焊部、焊锡部和/或冷焊部。因此，在包括焊接、铜焊或焊锡时，相邻纵向边缘的连接可以通过包括熔合的过程而提供。可选地，在冷焊的情况下，互连部分可以不包括熔合。在这种情况下，冷焊表示将被挤压在一起的至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的接触。
[0032]根据本发明的实施例，互连部分可以形成在接合部的至少一部分处，来自压力容器的压力施加到该接合部的至少一部分处。换句话说，对于在高压压力机的操作期间被施加压力的接合部的至少一部分，互连部分可以形成在接合部增加其强度的部分处。本实施例的优点在于提供了用以承受高压的进一步增加的圆筒主体的强度。
[0033]根据本发明的实施例，沿至少一个圆筒段的接合部的互连部分可以沿圆筒主体内部上的接合部的至少一部分延伸。换句话说，沿着面对圆筒主体的外部、内部、顶部和底部的接合部，互连部分可以沿面对圆筒主体的内部的接合部的至少一部分延伸。因此，至少在接合部的提及的部分处，例如焊接部的互连部分提供了可以承受极限压力的互连部分的优势。此外，至少在提及的部分处，互连部分密封圆筒主体，从而避免了包含在圆筒主体中的压力介质的泄漏。
[0034]根据本发明的实施例，沿至少一个圆筒段的接合部的互连部分的深度可以为0.25-10毫米之间，优选地在0.5-3毫米之间。术语“深度”，这里表示基本上垂直于接合部延伸方向的方向上的深度。例如，对于在圆筒段之间纵向延伸的接合部，互连部分、或焊接部的深度是沿圆筒主体的径向方向。
[0035]在互连部分是焊接部的情况下，过于深的焊接部会导致焊缝结构的塌陷并使焊接移动速度减慢，这会导致圆筒段之间互连部分以未焊透的形式变坏。此外，在焊接期间产生的气体不能容易地退出，并且熔融焊接金属的表面可以被不规则地扭曲。另一方面，过浅的焊接深度会导致焊接不会整体下沉，这会具有过多孔和/或弱焊接的结果。通过提供焊接部沿着圆筒段的接合部的焊接部深度在0.25-10毫米之间，并且优选地在0.5-3毫米之间，焊接部可以更容易提供圆筒段之间的密封且坚固的互连部分。对于相对小的高压压力机，焊接部的深度可以大致为0.5-1毫米，而对于高压力压力机，例如在100-200MPa范围内，焊接部深度可以是2-7毫米，或甚至更大。将认识到的是焊接部的深度可以与圆筒段的厚度相关。例如，焊接部深度可以优选地为小于圆筒段的厚度的5%。例如，具有例如50毫米厚度的圆筒段的4%的焊接部深度为2毫米的焊接深度。
[0036]根据本发明的实施例，压力容器还可以包括设置在接合部的至少一侧上的至少一个预应力表面，用于获得从预施加应力装置施加在该表面上的周向力，并且其中至少一个预应力表面被设置用于经由至少一个圆筒段将所述周向力传递到接合部，使得在接合部处获得额外的周向压缩应力。
[0037]实施例的优点在于传递的力还可以导致在接合部获得压缩应力。更具体地，至少一个预应力表面被设置用于朝向接合部沿圆周方向传递施加在其上的作用力。由于预应力表面的面积小于圆筒段的边缘的面积，所以压力在预应力表面处增加，从而提高压力容器的密封性能。
[0038]根据本发明的实施例，压力容器可以在至少一个圆筒段之间设有至少一个支撑装置，至少一个支撑装置被设置用于提供在对圆筒主体预施加应力之前提供的间隙。这里术语“支撑装置”表示诸如螺纹、肩部、柱脚、颈部、唇状部、插头等等的相对小的元件，该元件用以提供圆筒段之间的间隙。在圆筒段之间的互连部分利用具有密封焊点的、诸如电子束焊接和/或激光焊接的焊接方法实现时的情况下，可以设置支撑装置。然而，该实施例还可以适用诸如电弧焊、等离子焊、TIG焊接、MAG焊接等等的其它焊接技术。在应用精细或密封焊接方法时使用支撑装置可以是优选的，因为一些焊接方法不能在具有相对大间隙的圆筒段的两个相邻纵向边缘之间的接合部焊接。本发明的实施例的支撑装置可以在圆筒段之间提供相对小的间隙。例如，支撑装置可以被设置在间隙的端部，用于提供圆筒段之间的间隙。
[0039]根据本发明的实施例，在对圆筒主体预施加应力之前提供的间隙可以在轴向方向上沿每个接合部的至少一部分、在径向方向上沿每个接合部的至少一部分延伸、和沿圆周方向在至少一个圆筒段之间延伸。换句话说，间隙可以实现作为空隙，在预施加应力装置至少部分地减小间隙之前，该空隙在至少一个圆筒段之间沿轴向方向、径向方向、和/或圆周方向至少部分地延伸。
[0040]该实施例的优点在于可以沿每个接合部的至少一部分提供的间隙仍然沿圆筒主体的圆周方向提供减少的焊接部应力，而不通过间隙分开的纵向边缘的部分可以例如为圆筒段的互连部分提供额外的稳定性。
[0041]作为沿圆周方向延伸的间隙的实例，圆筒段的纵向边缘可以被设置成台阶的形状或任何其它形状，是的沿每个接合部的间隙是不连续的。换句话说，纵向边缘的至少一部分的边缘可以不通过间隙分隔开。
[0042]根据本发明的实施例，在对圆筒主体预施加应力之前提供的间隙的宽度可以在
0.1-5毫米之间，优选地在0.5-1毫米之间。这里术语“宽度”表示圆筒主体的沿圆周方向的宽度，即，面对圆筒段的相邻缘部之间的宽度。如果圆筒段之间的间隙过小，则在焊接后焊接部在圆筒段之间的接合部中收缩的可能被限制。另一方面，如果圆筒段之间的间隙过宽，则会出现不密封和/或弱焊接的风险。因此，如果间隙在0.1-5毫米之间，优选地在0.5-1毫米之间，则间隙可以改善焊接的情况，这提供了圆筒段之间的密封且坚固的互连部分，并且其中间隙可以抵消沿圆筒主体的圆周方向的剩余应力。
[0043]将认识到:间隙的宽度可以与将被相互连接的圆筒段的厚度有关。作为一种实例，间隙的宽度可以为圆筒段厚度的大致10%。例如，如果圆筒段的厚度是10毫米，则间隙的宽度可以为大致I毫米。
[0044]此外，将认识到在至少一个圆筒段互连之后，预施加应力装置被设置以至少部分减少/减小沿至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的间隙。
[0045]根据本发明的实施例，至少两个、优选地在四个到八个的范围内的圆筒段可以被设置以在压力室周围形成圆筒主体。设置四个到八个圆筒段以形成圆筒主体的优点在于圆筒段的数量足以具有提供与这种布置相关的益处，例如与相对较少和较大的圆筒段的布置相比，使相对小的圆筒段能够更容易地运送和制造。此外，圆筒段的优选数量足够低，用于避免其中过多数量的圆筒段会导致在圆筒段的每个接合部处过多焊接的设置和/或在所有圆筒段相互连接时增加出现圆筒主体的不均匀圆筒形状的风险。
[0046]根据本发明的实施例，至少一个圆筒段的接合部可以沿圆筒主体的圆周相对于其纵向轴线基本上成螺旋状且同轴地延伸。换句话说，圆筒段可以是厚板，该厚板基本上具有平行四边形的形状，并且还沿圆周方向成拱形。在该实施例中，代替平行于圆筒主体的轴线延伸的接合部，相邻圆筒段边缘之间的接合部从圆筒主体的一端沿着圆筒主体中的螺旋形路径延伸到另一端。因此，在此实施例中，设置在圆筒段的相邻螺旋形边缘之间的间隙也可以具有螺旋形形状。本实施例的优点在于:如果裂缝结构开始出现，则裂缝可以沿从焊接部向外的方向蔓延。例如，沿基本上轴向方向蔓延的裂缝在这种情况下可以不会沿着焊接部(即在圆筒主体周围螺旋展开的方向)发展。因此，本发明的实施例有助于圆筒主体具有更高的强度。
[0047]根据本发明的实施例，预施加应力装置可以具有带形或线形形状，具有椭圆形、圆形、正方形、或矩形横截面形状，并且被旋绕在圆筒主体的外壳表面周围。线绕组包括紧密卷绕到压力容器的圆筒主体的外表面上或周围的线或带。在卷绕期间，线或带被伸展，从而感应线和带中的预应力，该线或带提供作用于圆筒主体上的径向向内的力并感应预施加于此的应力。因此，在可操作的压力容器周围紧密卷绕的预应力线将使压力容器处于压缩和预施加应力状态。
[0048]根据本发明的实施例，压力容器可以包括被设置用于轴向连接以形成圆筒主体的至少两个子圆筒，其中轴向连接的子圆筒相互连接。换句话说，在本实施例中的一个或多个子圆筒可以包括被设置用于纵向互连以形成圆筒主体的圆筒段，而这些子圆筒然后可以被轴向设置。轴向连接的子圆筒可以沿相互连接的子圆筒的每个接合部焊接或铜焊，其中接合部被设置在垂直于圆筒主体轴线的平面中。
[0049]包括轴向相互连接的沿接合部被焊接在一起的子圆筒的压力容器与通过圆筒段的纵向连接部布置而获得的单件容器相比可以允许更大的容器，因为每个子圆筒可以被单独制造。如果压力容器在压力机操作场地当场被装配，则由单独的子圆筒形成的圆筒主体由于部件较小能够允许其便利的运送。
[0050]上述讨论和在附图中说明的任何一种实施例可以有利地与同一 申请人:申请的“压力圆筒容器的焊接密封”和“压力容器和高压压力机”的共同未决申请相结合，因此，其全部内容通过引用结合于此。
[0051]此外，在本发明的压力容器的实施例中，压力容器可以在大约20MPa到大约1500MPa的压力范围内操作，并且更优选地，在大约80到大约220MPa的压力范围内操作。
[0052]将认识到:上述参照压力容器的具体实施例和任何附加特征可被同样地应用并且可以与根据本发明第二方面的包括压力容器的高压压力机和根据本发明的第三方面的用于制造压力容器的方法相结合。
[0053]通常，在权利要求中使用的所有术语根据【技术领域】中的它们的普通含义被解释，除非在此处另外清楚地限定。除非另作规定，所有对元件、设备、部件、装置、步骤等的引用将被广泛地解释为参照所述元件、设备、部件、装置、步骤等等。除非另作规定，在此处公开的任何方法中的步骤不必须按照公开的确切顺序来执行。[0054]本发明的其它目标、特征和优点将从以下的详细说明、附加的从属权利要求和附
图中变得更明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]本发明的上述以及另外的目的、特征和和优点将参照附图通过本发明的优选实施例的说明性和非限制性的详细说明而被更好地理解，其中相同的附图标记用于相似的元件，其中:
[0056]图1是根据本发明一个实施例的圆筒主体的示意图；
[0057]图2是被设置用于圆筒主体的两个圆筒段的互连部分的接合部；
[0058]图3是图2的设有预施加应力绕线的示意图；和
[0059]图4-7是根据本发明实施例的圆筒主体的横截面图。
【具体实施方式】
[0060]本发明主要参照几个实施例进行说明。然而，本领域技术人员可以容易地了解到，如所附权利要求所限定的，除了公开的实施例之外的其它实施例能够相等地落入本发明的范围内。
[0061]参照图1，示意性地显示了根据本发明实施例的圆筒主体I。圆筒主体I包括五个圆筒段2，其中每个圆筒段2具有基本上矩形平板的形状。圆筒段2的长度平行于圆柱轴Ca延伸，其中圆筒段2的长度限定Q为圆筒主体I的长度。圆筒段2的宽度沿圆周方向Cd略微成拱形，使得圆筒段2被设置用于沿圆周方向Cd彼此连接，从而形成圆筒主体I。
[0062]虽然在图1中描述的圆筒主体I包括被设置以形成圆筒主体I的五个圆筒段2，但是显然能够想到实际上可以以多个圆筒段2构造圆筒主体I。优选地，根据在此处说明的形成圆筒段2，这要求圆筒段2可以根据共同未决申请“压力圆筒容器的焊接密封”和/或“压力容器和高压压力机”中的说明装配以形成圆筒主体I。圆筒段的其它优点和设计和结构细节在同一 申请人:的所述共同未决申请中被全面说明，其内容通过引用在此处结合。
[0063]圆筒主体I具有从圆筒轴线Ca通过圆筒I的中心到圆筒主体I的内表面3的内圆筒半径Cki，和从圆筒轴线Ca到圆筒段2的外表面4的外半径CK2。因此圆筒段2的厚度T = CK2-CK1。在圆筒主体I被组装时，圆筒段2的内表面3限定压力室5。此外，圆筒主体I可以在端部通过盖(不显示)闭合，盖通过框架(不显示)被夹持在适当的位置。
[0064]在圆筒段2的相邻纵向边缘6处，接合部7形成在圆筒段2之间，其中每个接合部7基本上平行于圆柱轴线Ca延伸并沿整个圆筒主体长度Q延伸。
[0065]在段2的顶部和底部处，段2分别形成顶部边缘和底部边缘9，其中这些边缘是平坦的。顶部边缘8和底部边缘9的每个都形成共同平面，即，段2是水平的。
[0066]在图2a中，示意性地显示了两个圆筒段2a，2b之间的圆筒主体I的装配的一部分。间隙11沿接合部7在圆筒段2a，2b的相邻纵向边缘6之间延伸。在使圆筒段2a，2b例如通过焊接相互连接以形成圆筒主体I时，焊接部的温度可以基本上超过圆筒段2a，2b的金属的温度。在焊接部12冷却时，当焊接部12由于热收缩凝固并收缩时，应力会沿圆周方向Cd出现，即，在垂直于圆柱轴线Ca且垂直于接合部7的延伸部的圆筒主体I的平面中的方向上出现。此外，应力14还在轴向方向Ca出现。通过在焊接或铜焊时沿接合部7延伸的间隙11，沿接合部I的圆筒段2允许焊接部12随明显减小的应力13和14沿圆筒主体I的圆周方向Cd和轴向方向Ca收缩。
[0067]图2b显示从图2a上方观察的，即，沿轴向方向CA观察的视图，用于更好地理解视图。将认识到:图2b仅用于说明性目的，而且例如间隙11的任何尺寸可以不同于这些显示的尺寸。
[0068]参照图3,示意性地显示了部分圆筒主体I的说明。如先前图2a所示，图3显示了两个圆筒段2a，2b之间的连接，其中已经在圆筒段2a，2b之间的纵向边缘6的接合部7处执行了焊接。两个圆筒段2，2b通过沿圆筒段2a，2b之间的接合部7延伸的焊接部12连接。焊接部12由此提供用于接合部7的密封装置，S卩，其中使圆筒段2a，2b彼此连接并接触的密封。
[0069]圆筒主体4的外表面设有具有卷绕钢带20组件形式的预施加应力装置。带20以螺旋形方式沿圆筒主体I的圆周方向CD紧紧地卷绕在外壳表面周围以在压力室中沿径向方向Ck提供压缩应力。在包括纵向设置的多个圆筒段的圆筒主体I被圆筒主体I周围沿圆周方向设置的带20预施加应力时，构造可以类似于啤酒桶。
[0070]来自带20的预应力使圆筒段2a，2b相对彼此在相邻纵向边缘6处沿圆周方向Cd挤压，从而在焊接部12中产生压缩应力15。当响应于该压缩应力15时，焊接部12需要沿圆周方向Cd以及沿轴向方向Ca膨胀。高压压力机抵消焊接部12沿轴向方向Ca的任何膨胀，从而抵消焊接部12中的轴向拉伸应力。因此，代替焊接部12中的沿轴向方向(；和/沿圆周方向Cd的拉伸应力，预施加应力装置20在焊接部12中提供沿圆周方向Cd的压缩应力，并且从高压压力机沿轴向方向Ca施加的应力在焊接部12中沿轴向方向Ca提供压缩应力。
[0071]由于来自带20的预应力，在越来越多的预应力从带20施加时，相邻圆筒段2a，2b之间的间隙11将减小/减少，和最终几乎或完全消失。换句话说，来自带20的预应力的大小可以导致间隙11的完全或至少部分皱缩。更具体地，间隙11的减少可以从利用带20预施加应力的半圆柱体段解释。到圆筒主体I上的力将通过到例如圆筒段的两个预施加应力边缘/表面上的力在圆筒段的每个端点被抵消。施加到圆筒主体I上的压力，即，通过圆筒主体I的径向突出的凸起区域划分的力根据到圆筒段的两个边缘/表面上的压力而大大增强，因为边缘的面积明显小于圆筒主体I的范围的面积。因此，当来自带20的预应力可以具有上百个GPa的大小时，压力变得比圆筒段边缘的拉伸屈服极限更高，并且由于圆筒段被挤压在一起，相邻设置的圆筒段之间的间隙11将减少并最终消失。
[0072]至少一个预施加应力表面(不显示)可以被设置在接合部7的每个侧部上，用于在压力介质增压时获得施加在其上的周向力。预施加应力表面被设置用于经由圆筒段2a，2b将周向力传递至接合部7，从而在接合部7处获得额外圆周压缩应力。因此，预施加应力表面可以进一步导致焊接部12中的沿圆周方向Cd的压缩应力15。
[0073]在图4a中，圆筒主体I的一部分沿圆柱轴线Ca的方向被显示，其中第一圆筒段21和第二圆筒段22被设置用于纵向连接。接合部25分别形成在圆筒段21，22的相邻纵向边缘23，24处。接合部25被设置用于互连部分26，其中互连部分26可以是例如焊接部。可以例如在圆筒主体I的内部上和圆筒主体I的外部上的相邻纵向边缘23，24处的接合部25的部分设置互连部分26。在图4a中，互连部分26被显示为圆筒主体I的内部上的焊接部28和圆筒主体I的外部上的焊接部29。焊接部28，29沿轴向(纵向)方向，即，沿圆柱轴线CA的方向延伸。此外，焊接部28，29沿径向方向Ck突出，使焊接部28，29具有深度。例如，焊接部28，29的深度可以小于圆筒段21，22的厚度的大约5%。
[0074]可选地，可能在圆筒段21，22的相邻纵向边缘23，24处的接合部25仅有一个互连部分。例如，可以仅提供沿着圆筒主体I的内部上的接合部25的至少一部分设置的焊接部28。
[0075]在对圆筒主体预施加应力之前，间隙30在圆柱轴线的方向CA、CD和Ck上沿第一圆筒段21和第二圆筒段22的相邻纵向边缘之间的接合部25的至少一部分延伸。例如，间隙30可以基本上沿方向Ca在纵向边缘23，24的整个长度上延伸，还沿作为间隙的宽度W的Cd方向延伸，和沿作为间隙的深度D的方向Ck延伸。
[0076]如图4a所示，在第一和第二圆筒段21，22之间沿圆周方向Cd的矩形形状的间隙30的宽度W可以为0.1-5毫米，优选地在0.5-1.5毫米之间。
[0077]在径向方向Ck上，间隙30可以延伸第一圆筒段21和第二圆筒段22的相邻纵向边缘之间的接合部25的至少一部分延伸深度D。例如，如图4a所示的间隙30的深度D可以延伸圆筒段21，22的厚度的大致90%。
[0078]顶部部分和底部部分(不显示)利用互连部分密封，从而包围间隙30。
[0079]图4b显示其中间隙30具有台阶状形状的实例，即，从圆筒主体I的内部到外部，间隙30沿圆周方向Cd改变其宽度W，从例如0.1-5毫米的间距范围内的宽度W改变成基本上没有宽度(即，圆筒段21，22不具有任何中间间隙30而连接)。虽然具有台阶状形状的间隙30在图4b中被示出，但是沿每个接合部25的至少一部分延伸的间隙30可以具有任何其它形状。例如，间隙30可以在圆筒段21，22之间具有锯齿形状，或任何其它规则或不规则图案。
[0080]在图5a中，与图4a和图4b相似，圆筒主体I的一部分沿圆柱轴线Ca的方向被显示。支撑装置40朝向圆筒主体I的内部被设置在接合部25的端部部分处。相似的，支撑装置41朝向圆筒主体I的外部被设置在接合部25的端部部分处。支撑装置40，41可以为相对小的元件(例如螺纹、肩部、柱脚、颈部、唇状部、插头等等)，以提供圆筒段21，22之间的间隙30。支撑装置40，41可以在圆筒段21，22之间的互连部分26利用具有相对致密焊接点的焊接方法实现的情况下被提供。接合部25通过接合部25处的焊接部42沿圆筒主体I的内部相互连接，并且通过接合部25处的焊接部43沿圆筒主体I的外部相互连接。可选地，焊接部42、43可以比图5a中描述的那些焊接部穿透较小深度。
[0081]在图5a中，支撑装置40、41从圆筒段22突出。以这种方式，圆筒段22的边缘轮廓在接合部30的端部处包括台阶状形状，而圆筒段21被显示具有基本上平坦边缘。可选地，如图5b所示，支撑装置44、45可以在接合部的端部部分处、在圆筒主体I的外部和内部从圆筒段21突出。这里，间隙被对称地设置在圆筒段21，22之间。此外，接合部的其它轮廓也是可行的。例如，多个支撑装置沿接合部25被设置。这导致接合部25的台阶状轮廓，如图5c所示。
[0082]此外，在图5a中的支撑装置40、41可以用作设置在接合部25的一侧上的预施加应力表面40、41的实例，用于获得从预施加应力装置(不显示)施加在其上的周向力，从而获得接合部25处的额外圆周压缩应力。
[0083]在图5d中，支撑装置50被设置在圆筒段21，22之间，其中该支撑装置可以是线或带。焊点51可以被设置用于将支撑装置50连接到圆筒段21，22。
[0084]将认识到:在从带20施加预应力之间在图2-5中显示相邻纵向边缘之间的间隙。因此，在预施加应力时，相邻圆筒段之间的间隙将减少，并且在越来越多的预应力从带20被施加时，间隙最终几乎或完全消失。换句话说，来自带20的预应力的大小导致间隙完全或至少部分皱缩。这如图6所示，其中来自带20的预应力使接合部25处的间隙减小，使得在相邻圆筒段21，22之间实际上没有间隙。
[0085]在图7中，凹部60沿圆筒段21，22的相邻纵向边缘之间的接合部25延伸。在出现裂缝的情况下，凹部60被设置用于解除来自压力容器的应力。凹部60(或空腔、孔)纵向延伸，即，沿轴向方向Ca延伸。在图6中，凹部60具有圆形形状，这表示凹部60以孔或空腔圆筒的形状沿轴向方向Ca延伸。然而，凹部60的任何其它形状是可行的。此外，凹部在图中被设置在圆筒段21，22的厚度的大致中间。然而，凹部60可以基本上沿圆筒段21，22的厚度设置在任何地方。例如，凹部60可以接近于圆筒主体的内部上的互连部分(例如焊接部)28被设置，或接近于圆筒主体的外部上的焊接部29被设置。
[0086]在压力容器的操作期间，并且特别地在高压力操作期间，可能有圆筒主体出现裂缝结构的风险。裂缝可以出现在例如圆筒段21，22的内部部分上的互连部分28处、例如圆筒段21，22之间的接合部处的焊接部28处、或出现在其附近。因此，可能会在圆筒段21，22之间从圆筒主体的内部出现压力介质的泄漏。通过在圆筒段21，22的相邻纵向边缘之间设置凹部60，凹部60可以将来自圆筒主体内部的任何压力介质传递到凹部60。然后，凹部60可以使压力介质沿轴向方向Ca远离圆筒主体的内部传递。因此，圆筒主体内的压力可以被减小。此外，可以通过凹部60减小在圆筒主体中出现更严重的裂缝结构的风险。
[0087]凹部60的长度可以是圆筒段21，22的整个长度。因此，在裂缝出现在例如焊接部28处的情况下，压力介质可以穿过圆筒段21，22之间到凹部60中，并进一步从凹部60离开压力容器。凹部60的直径可以是在出现裂缝的情况下的压力容器的可靠应力消除的能力和圆筒段21，22的结构之间的折中方案，这在圆筒主体的内部和外部之间提供足够厚的益处。例如，凹部60的直径可以例如是圆筒主体的厚度的大致10%。
[0088]可选地，除了从圆筒主体内部在接合部25处产生裂缝之外，裂缝从任何其它方向产生。例如，裂缝可以作为替代从圆筒主体的外部处的焊接部29蔓延，并到达凹部60。除了圆筒段21，22之间的接合部25处的互连部分28，29之外，还可以在任何其它位置产生裂缝结构。
[0089]虽然已经显示和说明了本发明的示例性实施例，但是对本领域技术人员来说显而易见的是:可以具有对此处说明的本发明进行的多种改变、变形或变化。因此，可以理解的是本发明的上述说明和附图将被认为并非是对本发明实例的限制，并且本发明的保护范围由所附权利要求限定。
【权利要求】
1.一种压力容器，所述压力容器包括被设置用于容纳压力介质的压力室(5)，所述压力容器包括: 至少一个圆筒段(2)，所述至少一个圆筒段被设置用于纵向连接以形成圆筒主体(1)，藉此，被设置用于互连部分(12)的接合部(7)形成在至少一个圆筒段的相邻纵向边缘(6)处，和 预施加应力装置(20)，所述预施加应力装置被设置在所述圆筒主体的外壳表面(4)周围，用于对所述圆筒主体径向预施加应力并用于至少部分降低沿所述至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸的间隙(11)。
2.根据权利要求1所述的压力容器，其中所述互连部分是例如焊接部、铜焊部、焊锡部和/或冷焊部。
3.根据权利要求1或2所述的压力容器，其中所述互连部分形成在所述接合部的至少一部分处，压力从压力容器被施加到所述互连部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中沿所述至少一个圆筒段的接合部的所述互连部分沿着所述圆筒主体的内部上的接合部的至少一部分延伸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中所述互连部分的沿所述至少一个圆筒段的接合部的深度在0.25-10毫米之间，优选地在0.5-3毫米之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，还包括至少一个预施加应力表面，所述至少一个预施加应力表面设置在接合部的至少一侧上，用于获得从预施加应力装置施加在该表面上的周向力，并且其中至少一个预施加应力表面被设置用于经由至少一个圆筒段将所述周向力传递到接合部，从而在所述接合部处获得额外的周向压力。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中至少一个支撑装置(40，41，44，45)设置在所述至少一个圆筒段之间，所述至少一个支撑装置被设置用于在对所述圆筒主体预施加应力之前提供间隙。
8.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中在对所述圆筒主体预施加应力之前设置的所述间隙在轴向方向(Ca)上沿每个接合部的至少一部分延伸，其中所述间隙在径向方向(Ck)上沿每个接合部的至少一部分延伸，和其中所述间隙在圆周方向(Cd)上在至少一个圆筒段之间延伸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中在对圆筒主体预施加应力之前设置的所述间隙的宽度(W)在0.1-5毫米之间，优选地在0.5-1.5毫米之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中至少一个圆筒段的接合部沿所述圆筒主体的圆周基本上成螺旋状和同轴向地延伸到其纵向轴线。
11.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中所述预施加应力装置具有带状或线状形状，具有例如椭圆形、圆形、正方形、或矩形横截面，并且被卷绕在所述圆筒主体的外壳表面周围。
12.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，还包括至少两个子圆筒，所述至少两个子圆筒被设置用于轴向连接以形成圆筒主体，其中所述轴向连接的子圆筒相互连接。
13.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器，其中所述压力容器被设置成能够在20MPa-1500MPa的压力范围内操作，优选地能够在80MPa_220MPa之间操作。
14.一种用于物品的等静压力处理的高压压力机，所述高压压力机包括如前述权利要求中任一项所述的压力容器，所述高压压力机包括设置在力吸收压力主体周围的力吸收压力机框架。
15.一种用于制造压力容器的方法，所述压力容器包括被设置用于容纳压力介质的压力室(5)，包括:提供至少一个圆筒段(2)，所述至少一个圆筒段被设置用于纵向连接以形成圆筒主体(1)，藉此，被设置用于互连部分(12)的接合部(7)形成在至少一个圆筒段的相邻纵向边缘(6)处，所述方法包括以下步骤: 提供间隙(11)，所述间隙沿至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的每个接合部的至少一部分延伸，和 对所述圆筒主体的外壳表面预施加应力，从而对圆筒主体径向预施加应力，其中在对所述圆筒主体预施加应力时，沿所述至少一个圆筒段的相邻纵向边缘之间的接合部延伸的间隙至少部分地 减小。
【文档编号】B30B11/00GK103501950SQ201180064472
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2011年1月7日 优先权日:2011年1月7日
【发明者】马茨·加德恩, 斯特凡·塞尔斯泰特 申请人:艾维尔技术公司