[发明专利]一种基于安全设计技术条件的自增强压力容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于安全设计技术条件的自增强压力容器，属机械科学技术、化学工程等技术领域。

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，压力容器主题部分通常为圆筒形。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，r_i、r_j、r_o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＝r_o/r_i；k_j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k_j＝r_j/r_i(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卸除自增强压力后的残余应力、承载能力等等，超应变度太大，即塑性区深度太大，卸除自增强压力后容器可能出现反向屈服，即残余压缩应力(或其当量应力)(的绝对值)会超过容器材料的强度极限值；超应变度太小，即塑性区深度太浅，承载能力则不高。对于k_j或r_j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r_j，计算自增强处理后的预应力及操作内压下r_j处的总应力(预应力与操作应力之和)的当量应力σ_ej，求取使σ_ej最小的r_j计算。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r_j处的总应力的当量应力σ_ej小于屈服强度σ_y，还要使承载能力提高。

压力容器大多用塑性良好的材料制成，第三、四强度理论比较适合于评判塑性材料的失效。研究发现，按第四强度理论时，仅限定当量残余应力还不够，在当量残余应力刚达到材料的屈服极限时，圆筒内壁面的环向残余应力已超过材料的屈服极限。这对压力容器的安全不利，必要时，必须对圆筒内壁面的环向残余应力加以限制，同时又要尽量地提高容器的承载能力。

本发明根据限制内壁面环向残余应力的目的，采取相应的技术方案以避免容器内壁面环向残余应力过大同时极大地提高其承载能力，针对承受内压情况下的自增强压力容器。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于安全设计技术条件的自增强压力容器。