[发明专利]一种弹性温差预应力压力容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种弹性温差预应力压力容器。

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，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）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。

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。

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

本发明的目的是提供一种弹性温差预应力压力容器。

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t_i高于外壁面温度t_o，即温差dt=t_i-t_o>0；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p为内压；所述压力容器内壁面半径为r_i、外壁面半径为r_o，径比为k=r_o/r_i；所述压力容器在温差预应力作用下，处于弹性状态，即dt≤dt_c，dt_c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，dt_c由压力容器的各技术参数，即材料的弹性模量E、材料的热膨胀系数m、材料的泊松比u、材料的屈服强度s_y、径比k决定，具体是：                                                ；所述压力容器技术参数由以下两个关联式（1）、（2）约束：

（1） 3b²p²+3abp_tp+a²p_t²-s_y²≤0，即，