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        外壓溫差預(yù)應(yīng)力自增強(qiáng)壓力容器研究*

        2016-12-29 04:55:08朱瑞林毛愛鳳朱國林
        化工裝備技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:外壓厚壁外壁

        朱瑞林毛愛鳳朱國林

        (湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計學(xué)院)(同田中心學(xué)校)(江西警察學(xué)院基礎(chǔ)部)

        外壓溫差預(yù)應(yīng)力自增強(qiáng)壓力容器研究*

        朱瑞林**毛愛鳳朱國林

        (湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計學(xué)院)(同田中心學(xué)校)(江西警察學(xué)院基礎(chǔ)部)

        針對受外壓的圓筒形壓力容器,研究了以溫差應(yīng)力為預(yù)應(yīng)力的壓力容器自增強(qiáng)方法,并探討了其設(shè)計條件。

        溫差應(yīng)力外壓壓力容器自增強(qiáng)圓筒

        0 前言

        在厚壁圓筒中引入預(yù)應(yīng)力以抵消部分操作應(yīng)力,是一種行之有效的自增強(qiáng)方法。目前引入預(yù)應(yīng)力的方法大多數(shù)是機(jī)械方法,如直接靜液壓法、機(jī)械擠壓法、爆炸脹壓法和固體自增強(qiáng)法[1-2],對于自增強(qiáng)問題的研究也主要限于機(jī)械方法[3-6]。當(dāng)內(nèi)、外壁存在溫度差時,厚壁圓筒器壁中會有溫差應(yīng)力(或稱熱應(yīng)力)產(chǎn)生,但只要適當(dāng)控制溫差,就可獲得有利的預(yù)應(yīng)力。因此利用溫差應(yīng)力降低操作應(yīng)力,不失為一種很有前景的自增強(qiáng)方法。相對而言,溫差預(yù)應(yīng)力自增強(qiáng)壓力容器比機(jī)械預(yù)應(yīng)力自增強(qiáng)壓力容器更安全、便捷、可靠,且設(shè)計靈活、節(jié)省費用。文獻(xiàn)[7]在分析了厚壁容器溫差應(yīng)力特性的基礎(chǔ)上,研究了內(nèi)壓、內(nèi)加熱情況下的厚壁圓筒自增強(qiáng)問題。所謂內(nèi)加熱,即內(nèi)壁面溫度高于外壁面溫度;所謂外加熱,即外壁面溫度高于內(nèi)壁面溫度。研究表明,內(nèi)加熱有利于內(nèi)壓操作的壓力容器,外加熱有利于外壓操作的壓力容器。本文進(jìn)一步研究外壓外加熱溫差預(yù)應(yīng)力厚壁圓筒的自增強(qiáng)問題,以找到適宜的操作與設(shè)計條件。

        1 外壓外加熱厚壁圓筒的設(shè)計法則

        內(nèi)半徑為ri、外半徑為ro的圓筒形外壓容器彈性機(jī)械應(yīng)力為[1]:

        p——容器所受的外壓,MPa;

        k——容器的徑比,無量綱,k=ro/ri;

        x——相對位置,x=r/ri,無量綱。

        圓筒內(nèi)、外壁存在溫差Δt時,器壁中任一點處(半徑為r)的溫差應(yīng)力為[1]:

        pt——熱載荷,MPa;

        E——壓力容器材料的楊氏彈性模量,MPa;

        α——壓力容器材料的熱膨脹系數(shù),℃-1;

        u——壓力容器材料的泊松比,無量綱;

        Δt——壓力容器內(nèi)、外壁的溫差,℃;

        k——壓力容器的徑比,無量綱,k=ro/ri。

        溫差應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的疊加稱為總應(yīng)力。圓筒形壓力容器受外壓時,總應(yīng)力為:

        式中sr、st、sz——徑向、環(huán)向、軸向總應(yīng)力,MPa;

        sy——材料的屈服強(qiáng)度,MPa。

        總應(yīng)力與文獻(xiàn)[7]中內(nèi)壓、內(nèi)加熱的情況不同,因而本文外壓、外加熱情況下的設(shè)計準(zhǔn)則與方法必然與之不同。

        內(nèi)壁面,x=1(應(yīng)力加下標(biāo)i):

        外壁面,x=k(應(yīng)力加下標(biāo)o):

        由式(7)或式(8)可知,Δt越大,承載能力或許可載荷p1/sy越大。

        式(7)或式(8)、式(9)或式(10)可同時保證sri-sti≤sy與sto≥-sy。

        利用上述結(jié)果,可從理論上確定外壓外加熱厚壁圓筒的尺寸(徑比)k,或承載能力p和溫差Δt等。

        2 算例

        例1,某生產(chǎn)過程容器外壁溫度比內(nèi)壁溫度高40°C,承壓150 MPa,求解容器的徑比如何才能滿足要求?E=2×105MPa,u=0.3,α=1.5×10-5℃-1,sy=350 MPa(下同)。

        k=1.814 263、Δt=40°C、p=150 MPa時的溫差應(yīng)力與總應(yīng)力分別如圖1、圖2所示。

        圖1 例1的溫差應(yīng)力

        圖2 例1的總應(yīng)力

        例2,某生產(chǎn)過程容器外壁溫度比內(nèi)壁溫度高50°C,容器徑比為3,求解其承載能力為多大?

        由式(7)得p=219.353 7 MPa,由式(9)得p=223.408 1 MPa。取p=219.353 7 MPa。

        例3,某地需要一個徑比k=3.5、承壓200 MPa的壓力容器,如何確定其技術(shù)參數(shù)才能保證安全?

        若不作自增強(qiáng)處理,這樣的容器的承載能力僅為pe=160.714 3 MPa。

        由式(8)得Δt≥Δt1=28.941 43℃,由式(10)得Δt≤Δt2=86.077 41℃。故容器的技術(shù)參數(shù)是k=3.5、Δt=28.941 43℃、p=200 MPa;或k=3.5、Δt=

        86.077 41℃、p=200 MPa。其溫差應(yīng)力與總應(yīng)力分別如圖3、圖4和圖5、圖6所示。

        圖3 Δt=28.941 43℃時,例3的溫差應(yīng)力

        圖4 Δt=28.941 43℃時,例3的總應(yīng)力

        圖5 Δt=86.077 41℃時,例3的溫差應(yīng)力

        圖6 Δt=86.077 41℃時,例3的總應(yīng)力

        3 結(jié)論

        本文針對受外壓的圓筒形壓力容器,研究了以溫差應(yīng)力為預(yù)應(yīng)力的壓力容器自增強(qiáng)方法,并探討了其設(shè)計條件。結(jié)論如下:

        (1)以熱應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力可明顯降低和均化厚壁圓筒的操作應(yīng)力,從而降低其壁厚。

        (2)保證sri-sti≤sy與sto≥-sy,就可保證壓力容器的安全。

        (3)內(nèi)加熱有利于降低內(nèi)壓操作容器的應(yīng)力,外加熱有利于降低外壓操作容器的應(yīng)力。但并非溫差|Δt|越大越有利。

        (4)當(dāng)生產(chǎn)過程不可避免地存在溫差時,可調(diào)節(jié)壁厚與承載能力,以保證容器的安全性。

        [1]余國琮.化工容器及設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1980.

        [2]邵國華,魏兆燦.超高壓容器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

        [3]Lvov Gennadiy,Kostromitskaya Olga.Effect of material damage on autofrettage of thick-walled cylinder[J]. Universal Journal of Mechanical Engineering,2014,2 (2):44-48.

        [4]Brünnet Horst,B?hre Dirk.Full exploitation of lightweight design potentials by generating pronounced compressive residual stress fields with hydraulic autofrettage[J]. Advanced Materials Research,2014,907:17-27.

        [5]Zhu Ruilin.Study on autofrettage for medium-thick pressure vessels[J].Journal of Engineering Mechanics, 2013,139(12):1790-1796.

        [6]Zhu Ruilin,Zhu Guolin.On autofrettage of cylinders by limiting circumferential residual stress based on mises yield criterion[J].Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2013,51(3):697-710.

        [7]朱瑞林,朱國林.溫差預(yù)應(yīng)力厚壁圓筒自增強(qiáng)分析[J].化工裝備技術(shù),2015,36(3):32-35.

        Study on Autofrettaged Pressure Vessels Subjected to External Pressure and Thermal Pre-stresses

        Zhu RuilinMao AifengZhu Guolin

        The autofrettage methods of cylindrical pressure vessels subjected to external pressure and thermal pre-stresses are studied,and the design rules of these pressure vessels are investigated.

        Thermal stress;External pressure;Pressure vessel;Autofrettage;Cylinder

        TH 49

        10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.011

        2016-02-22)

        *湖南省教育廳重點資助科研項目,編號12A087。

        **朱瑞林,男,1962年生,博士,教授。長沙市,410081。

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