超高壓容器中自增強(qiáng)厚壁圓筒技術(shù)簡(jiǎn)介

  自增強(qiáng)厚壁圓筒目前是超高壓容器的主要結(jié)構(gòu)形式之一，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)，所以在工程實(shí)際當(dāng)中自增強(qiáng)厚壁圓筒形超高壓容器被廣泛使用。通過(guò)對(duì)超高壓容器的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超高壓容器的徑比k增大到一定值時(shí)，當(dāng)量應(yīng)力的增大是非常有限的，即增加壁厚（增大徑比）對(duì)于提高圓筒容器的承載能力是有限的。因此，通過(guò)增加壁厚來(lái)提高超高壓容器的承載能力是行不通的，同時(shí)，增加壁厚無(wú)疑要增加材料的消耗和加工的難度。因此，提高超高壓容器彈性承載能力比較合理的方法是使器壁產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力－自增強(qiáng)處理。

1. 自增強(qiáng)理論

  所謂“自增強(qiáng)”就是在設(shè)備使用之前，在其內(nèi)部施加很高的內(nèi)壓力，使筒體內(nèi)壁一定范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)，而外圍仍處于彈性變形狀態(tài)。卸除內(nèi)壓后，靠近外表面的材料力圖恢復(fù)原狀，但內(nèi)壁附近的材料已經(jīng)發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形而阻止外部材料的恢復(fù)，這樣靠近內(nèi)壁材料受到外層材料的箍緊作用，將使筒體內(nèi)壁側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力，而外部材料則處于受拉狀態(tài)。內(nèi)壁附近的壓縮應(yīng)力和外層材料的拉伸應(yīng)力組成自動(dòng)的平衡力系，存在于筒壁內(nèi)的這些應(yīng)力稱(chēng)為殘余應(yīng)力。而外層彈性層因收縮受到阻礙而產(chǎn)生拉應(yīng)力。在容器投人運(yùn)行承受內(nèi)壓時(shí)，由內(nèi)壓引起的拉伸應(yīng)力與內(nèi)壁壓縮殘余應(yīng)力相疊加后，使本來(lái)應(yīng)力最大的內(nèi)壁應(yīng)力值得以降低，而外層材料的拉伸殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加后，應(yīng)力水平增高，從而使容器沿壁厚方向的應(yīng)力分布變得更加均勻。

  經(jīng)過(guò)自增強(qiáng)處理而制成的設(shè)備，最大的優(yōu)點(diǎn)是施加工作壓力后，其內(nèi)壁的殘余壓應(yīng)力和正常操作時(shí)由介質(zhì)內(nèi)壓和溫度產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，可使設(shè)備內(nèi)壁層處于較低的應(yīng)力水平，使應(yīng)力沿壁厚分布均勻化，全部應(yīng)力維持在彈性范圍內(nèi)，彈性范圍擴(kuò)大，彈性承載力提高。另外，設(shè)備內(nèi)壁存在壓縮殘余應(yīng)力，操作時(shí)將使內(nèi)壁平均應(yīng)力降低，從而大大提高了設(shè)備的抗疲勞破壞的能力。

  自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算及其穩(wěn)定性研究是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。目前，對(duì)自增強(qiáng)理論的研究還是很不夠的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)取得重復(fù)數(shù)據(jù)還不多，正式的規(guī)范還在建立和完善中。在所建立的正式的規(guī)范中所采用的理論，仍以理想彈塑性材料假設(shè)為自增強(qiáng)理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而在生產(chǎn)管理的安全技術(shù)分析和評(píng)定方面則較薄弱。20世紀(jì)60年代國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者已經(jīng)做了不少工作，以理想彈塑性材料假設(shè)為自增強(qiáng)理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的理論已趨于成熟。70年代以來(lái)，美國(guó)AD及有關(guān)學(xué)者為了更準(zhǔn)確地計(jì)算，考慮應(yīng)變硬化和包辛格效應(yīng)，對(duì)高強(qiáng)度自增強(qiáng)厚壁圓筒殘余應(yīng)力進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，取得了不同程度的進(jìn)展。在這些研究成果中，力學(xué)模型都采用一定的假設(shè)條件和屈服條件，對(duì)選定的鋼材進(jìn)行了彈塑性應(yīng)力分析，而大多數(shù)只討論了厚壁圓筒的加載，而對(duì)其卸載很少分析，沒(méi)有達(dá)到工程實(shí)用的深度。實(shí)際上，正是由于圓筒的非線(xiàn)性卸載，使自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的分布更為復(fù)雜。20世紀(jì)：80年代以來(lái)，隨著我國(guó)從日本和德國(guó)先后引進(jìn)超高壓聚乙烯設(shè)備，自增強(qiáng)技術(shù)的研究在我國(guó)逐漸形成高潮，并取得了重大進(jìn)展。該問(wèn)題的進(jìn)一步深人研究為實(shí)現(xiàn)自增強(qiáng)在役反應(yīng)器安全技術(shù)分析和評(píng)定開(kāi)辟了廣闊的前景。

 2. 自增強(qiáng)研究現(xiàn)狀

  自增強(qiáng)處理技術(shù)是1906年法國(guó)軍械官員 Halval首次提出，1913年該技術(shù)應(yīng)用于制造炮筒，之后長(zhǎng)期在兵器工業(yè)中廣為應(yīng)用。但在民用工業(yè)方面，尤其是在石油化工領(lǐng)域，在屈服點(diǎn)以上工作的觀點(diǎn)未被工程技術(shù)界所接受。1930年英國(guó)A.E.Macrea發(fā)表了《金屬的超應(yīng)變》的著名論著，并推導(dǎo)了基本的計(jì)算公式，但仍未引起對(duì)自增強(qiáng)技術(shù)的重視。自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，自增強(qiáng)技術(shù)已由炮筒的設(shè)計(jì)、制造轉(zhuǎn)到石油化工生產(chǎn)上，特別是高壓聚乙烯工藝，從反應(yīng)釜、超高壓管道以至超高壓壓縮機(jī)的汽缸等都采用了自增強(qiáng)技術(shù)。1933年，英國(guó)提出低密度超高壓聚合，德國(guó)經(jīng)過(guò)相當(dāng)大的努力解決了100 MPa以上的超高壓容器的材料、設(shè)計(jì)、制造與操作控制以后，在1939年建成了第一套操作壓力為150 MPa的乙烯超高壓聚合工廠(chǎng)。20世紀(jì)60年代，自增強(qiáng)技術(shù)隨著理論研究與實(shí)驗(yàn)研究的配合發(fā)展得很快，德國(guó)BASF公司把自增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用到高壓聚乙烯320 MPa反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制造。隨著日本三菱油化公司應(yīng)用自增強(qiáng)技術(shù)設(shè)計(jì)制造了數(shù)十套高壓聚乙烯反應(yīng)器，聚合壓力由250MPa提高到350MPa。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，自增強(qiáng)理論已經(jīng)成為超高壓容器設(shè)計(jì)的主要理論基礎(chǔ)。我國(guó)的自增強(qiáng)技術(shù)雖然起步較晚，但因我國(guó)所引進(jìn)高壓聚乙烯管式反應(yīng)器的維修和國(guó)產(chǎn)化要求，國(guó)內(nèi)在80年代對(duì)自增強(qiáng)技術(shù)的研究出現(xiàn)一個(gè)高潮。至今，自增強(qiáng)處理壓力已增加到2000 MPa以上,顯然，自增強(qiáng)技術(shù)業(yè)已成為制造業(yè)中一種非常重要的工藝技術(shù)。

  對(duì)于自增強(qiáng)圓筒，合理的最大設(shè)計(jì)壓力是接近或等于內(nèi)壁材料的屈服強(qiáng)度。目前適宜的容器結(jié)構(gòu)形式可利用的材料最大彈性強(qiáng)度一般為1700~2000 MPa.然而，當(dāng)操作壓力超過(guò)1000MPa時(shí)，考慮到產(chǎn)生超高壓泵及超高壓管道的超高強(qiáng)度材料的來(lái)源及其脆性斷裂傾向等實(shí)際因素，美國(guó)T.E.Davidson等人提出采用自增強(qiáng)與多層圓筒相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。

3. 自增強(qiáng)彈塑性分析的理論模型

  自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算必須根據(jù)材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系建立計(jì)算自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的理論模型。目前，用來(lái)分析這一關(guān)系的理論主要有彈塑性力學(xué)中的全量理論和應(yīng)變?cè)隽坷碚?。由于精確描述彈塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不僅復(fù)雜，而且難度很大，因此，為了滿(mǎn)足工程上應(yīng)用的需要，在解決具體問(wèn)題時(shí)，常常對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化。常見(jiàn)的簡(jiǎn)化模型有以下幾種。

 a. 理想彈塑性模型

 由英國(guó)著名力學(xué)家HILL在1967年提出，他不考慮加載時(shí)材料的應(yīng)變硬化和Bauschinger效應(yīng)的影響，將材料視為理想彈塑性體。然而，用于制造超高壓容器的材料，大多為高強(qiáng)度的合金鋼，這些材料，即使微小的超應(yīng)變，都表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化和 Bauschinger 效應(yīng)，而 Bauschinger 效應(yīng)的存在，使得自增強(qiáng)容器內(nèi)壁的壓縮殘余應(yīng)力降低，減小了圓筒的彈性操作范圍和實(shí)際獲得的殘余應(yīng)力值。

 b. 卸載冪硬化模型

  卸載冪硬化模型同時(shí)考慮了材料反向屈服后的應(yīng)變硬化和 Bauschinger效應(yīng)，但忽略了材料在加載段的硬化。這種模型適用于屈強(qiáng)比較高、塑性比較好的鋼制自增強(qiáng)容器，或者用于自增強(qiáng)度較小的情況。

 c. 雙冪函數(shù)強(qiáng)化模型

  雙冪函數(shù)強(qiáng)化模型同時(shí)考慮了加載和卸載時(shí)材料的應(yīng)變硬化和 Bauschinger效應(yīng)的影響，并把材料進(jìn)入屈服后的應(yīng)力－應(yīng)變的非線(xiàn)性關(guān)系視為冪函數(shù)關(guān)系。這種模型適用于多數(shù)硬化明顯的鋼制自增強(qiáng)容器，或者自增強(qiáng)度較大的情況，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

 d. 雙線(xiàn)性硬化模型

 雙線(xiàn)性硬化模型與雙向冪硬化模型的適用性基本一致，只是將屈服后相當(dāng)應(yīng)力與相當(dāng)應(yīng)變的非線(xiàn)性關(guān)系視為直線(xiàn)關(guān)系。這樣處理后，使得計(jì)算比較簡(jiǎn)單。