一种弹性温差预应力压力容器的制造方法
【专利摘要】一种弹性温差预应力压力容器，解决提高压力容器承载能力与安全性等技术问题。该种压力容器利用内、外壁温差产生的温差应力抵消部分由操作内压 p 引起的机械应力，以降低和均化其应力分布，从而增强其承载能力，比机械预应力方法自增强压力容器更安全、便捷、可靠、节省，设计更灵活。其技术方案要点是：给定保证该种压力容器既安全（当量应力低于屈服强度）又经济（承载高，厚度小，成本低）的限制条件，即给定径比 k 、温差 dt 、工作压力 p 、弹性模量 E 、热膨胀系数 m 、泊松比 u 、屈服强度 s y之间须满足的约束条件，从而形成既安全又经济的技术方案。该种压力容器的径比最低达或，最高工作压力达 p / s y=ln k 或 p / s y=( k 2-1)/ k 2。
【专利说明】一种弹性温差预应力压力容器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种弹性温差预应力压力容器。
【背景技术】
[0002] 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，如说明书附图3所示。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，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。本发明则利用压力容器内、外壁的温差产生温差预应力来降 低和均化压力容器中的应力，从而构造一种弹性温差预应力压力容器。温差由容器本身的 工作温差造成，或在容器投入使用前对其内、外壁进行加热或冷却而造成。温差预应力压力 容器比机械预应力压力容器更安全、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) -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出紧密联系，因此，可根据操作条 件而改变出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。
[0003] 压力容器受机械内压时，其最危险应力是内壁面的拉应力；当压力容器内壁面温 度高于外壁面温度时，其温差应力的分布是，最危险应力是内壁面的压应力。故本发明提供 的是内压内加热弹性温差预应力压力容器的技术方案，所谓弹性温差预应力即在温差应力 单独作用下，压力容器处于弹性状态。
[0004] 有些压力容器材料的失效应由第三强度理论控制，有些压力容器材料的失效应由 第四强度理论控制，即不同的材料应由不同的强度理论控制。本发明提供由第四强度理论 控制的弹性温差预应力压力容器的技术方案。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种弹性温差预应力压力容器。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种弹性温差预应力压力容 器，其特征是：所述压力容器内、外壁面存在温差，且内壁面温度匕高于外壁面温度（。，即 温差出=^-(。>〇 ;温差使压力容器器壁产生温差预应力，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 容器工作压力为内压；所述压力容器内壁面半径为&、外壁面半径为r。，径比为左=^/^ ; 所述压力容器在温差预应力作用下，处于弹性状态，即出 < 出。，出。为温差预应力刚使压 力容器内壁面产生屈服的温差，称为临界温差，出。由压力容器的各技术参数，即材料的弹 性模量万、材料的热膨胀系数?、材料的泊松比"、材料的屈服强度径比々决定，具体是：
【权利要求】
1?一种弹性温差预应力压力容器，其特征是：所述压力容器内、外壁面存在温 差，且内壁面温度G高于外壁面温度（。，即温差出=匕-(。>〇;温差使压力容器器壁产 生温差预应力，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/7所产生的应力，所述压力容器工作压力/7为内压；所 述压力容器内壁面半径为A、外壁面半径为r。，径比为A=Tt5Zri ;所述压力容器在温 差预应力作用下，处于弹性状态，即出彡出。，出。为温差预应力刚使压力容器内壁 面产生屈服的温差，称为临界温差，出。由压力容器的各技术参数，即材料的弹性模 量万、材料的热膨胀系数?、材料的泊松比"、材料的屈服强度径比々决定，具体是：
对于确定径比々、确定温差的压力容器，其工作压力的特征是、对于 确定工作压力/7、确定温差出的压力容器，其径比A为关联式（1)、（2)所得的较大值，
2. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力压力容器，其特征是：所述温差由压力容器 本身的工作温度造成，或对压力容器内、外壁面进行加热或冷却而造成。
3. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力压力容器，其特征是：对于径比 左彡2. 0542956825的压力容器，其温差冶为最优温差冶e，工作压力为/7=A=/72，其中由
4. 根据权利要求1所述的弹性温差预应力压力容器，其特征是：温差出为 临界温差冶。，（1)对于径比々彡2. 0542956825的压力容器，工作压力/7为
【文档编号】F16J12/00GK104358867SQ201410640932
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】朱瑞林, 朱国林, 朱玲, 李 权, 黄干斌, 雷群意, 曾祥, 赵保录, 邓卫军 申请人:湖南师范大学