一种中温预应力内压内加热压力容器的制作方法

本发明为一种中温预应力内压内加热压力容器，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：

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。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中温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温差预应力压力容器，中温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）一旦温差应力过大，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dt紧密联系，因此，可根据操作条件而改变dt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；（5）弹性温差预应力压力容器需要在压力容器工作时也维持所需温差，一旦消除温差，温差预应力就不存在，这不但需要耗费能源，操作不便，而且，若生产过程不允许有温差存在，则弹性温差预应力压力容器就不可行；而本发明所构造的中温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、外壁面形成温差，温差超过一次屈服温差，即温差已经使压力容器产生了屈服，消除温差后有残余应力存在。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种中温预应力内压内加热压力容器。

本发明所采用的技术方案是：构造一种中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；温差超过二次屈服温差，即超过压力容器外壁面刚刚进入屈服的温差，而低于整体屈服温差，即低于压力容器整个壁厚刚刚全部屈服的温差；所述二次屈服温差为dt_c2，，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为容器的径比，k=r_o/r_i；由于二次屈服温差高于一次屈服温差，因而压力容器外壁面进入屈服时，内壁面必然已经屈服，因此，温差超过二次屈服温差后，温差应力使压力容器处于内、外层为塑性、中间层为弹性的弹塑性状态；保持温差一定时间使温差应力达到稳定后消除温差，压力容器内、外层材料由于已屈服而不能恢复原状，而中间层材料为弹性状态力图恢复原状，因而在压力容器中形成了温差预应力，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。

本发明的有益效果和优点是：利用温差形成一种部分材料为塑性、部分材料为弹性的压力容器结构，这种结构存在残余应力，残余应力可抵消一部分由其操作压力所引起的机械应力，以均化其应力分布，从而增强压力容器的承载能力，以形成一种中温预应力内压内加热压力容器。本发明还提供了对压力容器进行技术处理以获得部分材料为塑性、部分材料为弹性结构的控制温差。其余有益效果和优点如“背景技术”末尾（1）至（5）所述。

产生内、外壁温差的方式有多种，如，内壁面用热水或水蒸气加热，外壁面用液氨冷却；等等。

附图说明

图1是近内、外壁为塑性区，中间为弹性区的圆筒形压力容器。

图2是典型的内加热时的弹性温差应力分布图。

图中：1为塑性区1；2为塑性区2；3为弹性区。

具体实施方式

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r_i、r_o，带下标i、o的符号分别代表内、外壁面上的值；内、外壁温分别为t_i、t_o。筒壁任一半径为r处的温度为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、外壁存在温差dt时，器壁中任一点处（半径为r）的温差应力为：

(1)

其中，s_r^t、s_t^t、s_z^t—径向、环向、轴向温差应力，MPa；

p_t—热载荷，Mpa，；

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，°C^-1；

u—压力容器材料的泊松比，无量纲；

dt—压力容器内、外壁的温差，°C，dt=t_i-t_o；

k—压力容器的径比，无量纲，k=r_o/r_i；

k_r—k_r=r_o/r，无量纲；

x—相对位置，x=r/r_i，无量纲。

【示例】：若钢材的弹性模量为E=2×10⁵MPa，泊松比为u=0.3，热膨胀系数为a=1.25×10^-5°C^-1，若dt=100°C（内加热）。设r_i=300mm，r_o=900mm，即k=3，其温差应力如说明书附图2所示。

压力容器内、外壁温差应力为： (2)

当s_ri^t-s_zi^t=s_y时（内加热），容器内壁面开始屈服，由式（1）或式（2）得内壁面刚刚屈服的温差，即一次屈服温差dt_c1：

(3)

其中s_y为压力容器材料的屈服强度。

对上例，若s_y=300MPa，由式（3）得dt_c1=125.39552°C。

由式（1）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s_ri^t=0，因此，随着温差dt增大，总是内壁面先屈服，随着温差dt不断增大，由内壁面开始的屈服区即塑性区1从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。温差继续增大时，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外壁开始屈服后、整体屈服前的状态，此时压力容器的结构为近内、外壁为塑性区，中间为弹性区的形式，如说明书附图1所示。

当s_to^t-s_ro^t=s_y时（内加热），容器外壁面开始屈服，由式（1）或式（2）得外壁面刚刚屈服的温差，即二次屈服温差dt_c2：

(4)

易知，dt_c1>dt_c2。对上例，由式（4）得dt_c2=254.45322°C。

实施例1，某压力容器用15CrMoR材料制成，该材料的弹性模量E=2.1×10⁵MPa，泊松比u=0.32，热膨胀系数a=1.2×10^-5°C^-1，屈服强度s_y=275MPa，容器内壁面半径r_i=200mm，外壁面半径r_o=500mm，即k=2.5。为获得部分材料为塑性、部分材料为弹性的结构，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、外壁面存在温差而产生温差应力。由式（3）知，dt_c1=115.08467°C，由式（4）知，dt_c2=208.91301°C，因此温差控制在208.91301°C之上，例如温差dt=220°C。保持温差一定时间使温差应力达到稳定后消除温差，即可获得近内、外壁为部分材料为塑性、中间部分材料为弹性的压力容器结构。