朱瑞林毛愛(ài)鳳朱國(guó)林
(湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)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(ài)鳳朱國(guó)林
(湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院)(同田中心學(xué)校)(江西警察學(xué)院基礎(chǔ)部)
針對(duì)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(jì)條件。
溫差應(yīng)力外壓壓力容器自增強(qiáng)圓筒
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(duì)于自增強(qiáng)問(wèn)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(shí),厚壁圓筒器壁中會(huì)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(duì)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(jì)靈活、節(jié)省費(fèi)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(wèn)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(wèn)題,以找到適宜的操作與設(shè)計(jì)條件。
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(wú)量綱,k=ro/ri;
x——相對(duì)位置,x=r/ri,無(wú)量綱。
圓筒內(nèi)、外壁存在溫差Δt時(shí),器壁中任一點(diǎn)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(wú)量綱;
Δt——壓力容器內(nèi)、外壁的溫差,℃;
k——壓力容器的徑比,無(wú)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(shí),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(jì)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(shí)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。
例1,某生產(chǎn)過(guò)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(shí)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(guò)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(gè)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(shí),例3的溫差應(yīng)力
圖4 Δt=28.941 43℃時(shí),例3的總應(yīng)力
圖5 Δt=86.077 41℃時(shí),例3的溫差應(yīng)力
圖6 Δt=86.077 41℃時(shí),例3的總應(yīng)力
本文針對(duì)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(jì)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(guò)程不可避免地存在溫差時(shí),可調(diào)節(jié)壁厚與承載能力,以保證容器的安全性。
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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(diǎn)資助科研項(xiàng)目,編號(hào)12A087。
**朱瑞林,男,1962年生,博士,教授。長(zhǎng)沙市,410081。