一种提高筒体开孔厚壁容器疲劳寿命的方法与流程

本发明涉及厚壁压力容器设计制造技术领域，具体是一种提高筒体开孔厚壁容器疲劳寿命的方法。

背景技术：

厚壁容器广泛应用在高压灭菌/高压聚合等食品和工业领域，通常用于超高压工况下的承压壳体，可以承载较高的压力。对于有疲劳交变工况条件的场合，则要求厚壁容器有足够的疲劳强度寿命。由于工艺操作的需要，厚壁容器上经常要开设大小不一的孔，如进料口/出料口/测温口/测压口等，容器开孔会造成局部应力集中，使得开孔处的应力水平明显增高，降低厚壁容器的强度，缩短厚壁容器的疲劳寿命。目前，行业上通常在满足工艺需要的情况下尽量将开孔设置在厚壁容器的两端部位置，避免在厚壁容器筒体上开孔，但若因工艺需要无法避免时，就只能通过提高材料强度、增加壁厚或牺牲部分疲劳寿命等措施来确保容器的安全。由此可见，有必要提出一种提高筒体开孔厚壁容器整体疲劳寿命的设计制造方法，为筒体开孔厚壁容器更好地设计提供参考依据，提高其经济性和安全性。

技术实现要素：

为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种提高筒体开孔厚壁容器疲劳寿命的方法。本发明对厚壁容器整体进行自增强处理以及对开孔局部通过压力试验使其产生塑性变形，提高了厚壁容器的疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高筒体开孔厚壁容器疲劳寿命的方法，包括下列步骤a和/或b：

步骤a、计算得出厚壁容器的筒体在未开孔情况下的最佳自增强压力pa，并在筒体开孔前以最佳自增强压力pa对筒体进行自增强处理；

步骤b、计算厚壁容器在开孔后开孔局部所受等效应力最小时所对应的试验压力ph，在后续对厚壁容器加工开孔后以压力ph对开孔局部进行压力试验，使得开孔局部形成塑性变形。

作为本发明进一步的方案：在步骤a中，最佳自增强压力

其中：

pa为厚壁容器筒体的最佳自增强压力，单位为mpa；

σs为厚壁容器材料的屈服强度，单位为mpa；

e为常温下厚壁容器材料的弹性模量；

et为设计温度下厚壁容器材料的弹性模量；

p为厚壁容器的设计压力，单位为mpa；

k为厚壁容器的直径比，

do为厚壁容器的外直径，单位为mm；

di为厚壁容器的内直径，单位为mm。

作为本发明再进一步的方案：在步骤b中，采用弹塑性分析方法，通过有限元数值建模，以试验压力为自变量，以开孔局部所受的等效应力作为因变量，通过优化计算得到等效应力最小时的试验压力ph。

作为本发明再进一步的方案：所述压力试验为水压试验。

作为本发明再进一步的方案：在进行步骤a和/或b之前，根据工艺要求，明确厚壁容器的设计条件，并根据设计条件对厚壁容器进行结构设计。

作为本发明再进一步的方案：对厚壁容器进行结构设计时，开孔部分设计为连续的两段式孔，靠近筒体外壁的一段为圆柱形孔，靠近筒体内壁的一段为锥形孔，所述锥形孔沿远离筒体外壁方向逐渐外扩，且锥形孔与筒体内壁之间采用圆角过渡。

作为本发明再进一步的方案：所述锥形孔角度和圆角半径的参数通过有限元数值建模得到；以开孔过渡圆角半径、锥孔角度等参数为自变量，以开孔局部应力集中系数作为因变量，通过优化计算得到应力集中系数最小时的圆角半径和锥孔角度的参数。

作为本发明再进一步的方案：在进行步骤a和/或b之后，完成厚壁容器筒体开孔前的所有制造工序，按照设计要求和制造工艺对厚壁容器加工开孔，并完成后续制造工序。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用计算得到的最佳自增强压力对厚壁容器整体进行自增强处理，并通过压力试验使开孔局部形成塑形变形，使内壁产生局部压应力，从而提高疲劳寿命；由于小孔局部存在应力集中，所以ph＜pa，故对小孔局部自增强后不会改变筒体原来的自增强状态，经过步骤a对筒体进行自增强以后，再加工开孔，会释放开孔局部的自增强残余应力；先进行步骤a，再进行步骤b，使筒体的筒壁和开孔局部均形成一定的压缩残余应力，从而最大化的提高筒体的疲劳寿命。

2、本发明通过对开孔局部采用锥形孔加圆弧段的特殊形状设计，降低了开孔处所受应力水平，提高了厚壁容器的疲劳寿命。

3、本发明的压力试验选用水压试验，试验安全性更高。

附图说明

图1为本发明中厚壁容器开孔后的截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：一种提高筒体开孔厚壁容器疲劳寿命的方法，包括以下步骤：

s1、根据工艺要求，明确厚壁容器的设计条件，并根据设计条件对厚壁容器进行结构设计。

在此步骤中，设计条件包括厚壁容器的材料、几何参数、载荷、温度和开孔要求等；需进行的机构设计包括几何尺寸、端部结构、密封结构和开孔形状等，这里以对开孔形状的设计为例：开孔部分设计为连续的两段式孔，靠近筒体外壁的一段为圆柱形孔，靠近筒体内壁的一段为锥形孔，锥形孔沿远离筒体外壁方向逐渐外扩，且锥形孔与筒体内壁之间采用圆角过渡。

这里的圆角半径和锥孔角度等几何参数通过有限元数值建模得到，以开孔过渡圆角半径、锥孔角度等参数为自变量，以开孔局部应力集中系数作为因变量，通过优化计算得到应力集中系数最小时的圆角半径和锥孔角度的参数。

s2、计算得出厚壁容器的筒体在未开孔情况下的最佳自增强压力pa。

此步骤中的pa通过最佳自增强压力理论计算公式得到，

最佳自增强压力

其中：

pa为厚壁容器筒体的最佳自增强压力，单位为mpa；

σs为厚壁容器材料的屈服强度，单位为mpa；

e为常温下厚壁容器材料的弹性模量；

et为设计温度下厚壁容器材料的弹性模量；

p为厚壁容器的设计压力，单位为mpa；

k为厚壁容器的直径比，

do为厚壁容器的外直径，单位为mm；

di为厚壁容器的内直径，单位为mm。

s3、计算厚壁容器在开孔后开孔局部所受等效应力最小时所对应的试验压力ph，在后续对厚壁容器加工开孔后以压力ph对开孔局部进行压力试验，使得开孔局部形成塑性变形。

在此步骤中，采用弹塑性分析方法，通过有限元数值建模，以试验压力为自变量，以开孔局部所受的等效应力作为因变量，通过优化计算得到等效应力最小时的试验压力ph；这里的压力试验优选为水压试验，当然气压试验亦可；当开孔个数为1时，取该孔所受等效应力最小时的水压压力为后续的试验压力；当开孔个数大于等于2时，取多个孔整体所受等效应力最小时的水压压力为后续的试验压力。

s4、以步骤s2中得到的最佳自增强压力pa对筒体进行自增强处理。

s5、按照设计要求和制造工艺对厚壁容器加工开孔。

s6、以s3中得到的试验压力ph对开孔局部进行压力试验，使得开孔局部形成塑性变形。

此步骤中的压力试验仍然优选为水压试验，当然气压试验亦可。

s7、完成后续制造工序。

值得注意的是，s3步骤可放在s2步骤前进行，亦可放在s4步骤之后进行。

实施例2：一种提高筒体开孔厚壁容器疲劳寿命的方法，包括以下步骤：

s1、根据工艺要求，明确厚壁容器的设计条件，并根据设计条件对厚壁容器进行结构设计。

在此步骤中，设计条件包括厚壁容器的材料、几何参数、载荷、温度和开孔要求等；需进行的机构设计包括几何尺寸、端部结构、密封结构和开孔形状等，这里以对开孔形状的设计为例：开孔部分设计为连续的两段式孔，靠近筒体外壁的一段为圆柱形孔，靠近筒体内壁的一段为锥形孔，锥形孔沿远离筒体外壁方向逐渐外扩，且锥形孔与筒体内壁之间采用圆角过渡。

这里的圆角半径和锥孔角度等几何参数通过有限元数值建模得到，以开孔过渡圆角半径、锥孔角度等参数为自变量，以开孔局部应力集中系数作为因变量，通过优化计算得到应力集中系数最小时的圆角半径和锥孔角度的参数。

s2、计算得出厚壁容器的筒体在未开孔情况下的最佳自增强压力pa。

此步骤中的pa通过最佳自增强压力理论计算公式得到，

最佳自增强压力

其中：

pa为厚壁容器筒体的最佳自增强压力，单位为mpa；

σs为厚壁容器材料的屈服强度，单位为mpa；

e为常温下厚壁容器材料的弹性模量；

et为设计温度下厚壁容器材料的弹性模量；

p为厚壁容器的设计压力，单位为mpa；

k为厚壁容器的直径比，

do为厚壁容器的外直径，单位为mm；

di为厚壁容器的内直径，单位为mm。

s3、以步骤s2中得到的最佳自增强压力pa对筒体进行自增强处理。

s4、按照设计要求和制造工艺对厚壁容器加工开孔。

s5、完成后续制造工序。

实施例3：一种提高筒体开孔厚壁容器疲劳寿命的方法，包括以下步骤：

s1、根据工艺要求，明确厚壁容器的设计条件，并根据设计条件对厚壁容器进行结构设计。

在此步骤中，设计条件包括厚壁容器的材料、几何参数、载荷、温度和开孔要求等；需进行的机构设计包括几何尺寸、端部结构、密封结构和开孔形状等，这里以对开孔形状的设计为例：开孔部分设计为连续的两段式孔，靠近筒体外壁的一段为圆柱形孔，靠近筒体内壁的一段为锥形孔，锥形孔沿远离筒体外壁方向逐渐外扩，且锥形孔与筒体内壁之间采用圆角过渡。

这里的圆角半径和锥孔角度等几何参数通过有限元数值建模得到，以开孔过渡圆角半径、锥孔角度等参数为自变量，以开孔局部应力集中系数作为因变量，通过优化计算得到应力集中系数最小时的圆角半径和锥孔角度的参数。

s2、计算厚壁容器在开孔后开孔局部所受等效应力最小时所对应的试验压力ph，在后续对厚壁容器加工开孔后以压力ph对开孔局部进行压力试验，使得开孔局部形成塑性变形。

在此步骤中，采用弹塑性分析方法，通过有限元数值建模，以试验压力为自变量，以开孔局部所受的等效应力作为因变量，通过优化计算得到等效应力最小时的试验压力ph；这里的压力试验优选为水压试验，当然气压试验亦可；当开孔个数为1时，取该孔所受等效应力最小时的水压压力为后续的试验压力；当开孔个数大于等于2时，取多个孔整体所受等效应力最小时的水压压力为后续的试验压力。

s3、按照设计要求和制造工艺对厚壁容器加工开孔。

s4、以s2中得到的试验压力ph对开孔局部进行压力试验，使得开孔局部形成塑性变形。

此步骤中的压力试验仍然优选为水压试验，当然气压试验亦可。

s5、完成后续制造工序。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。