1,超高压容器,2,超高压容器的结构,由于强度高，不适焊接，多用锻造结构,圆筒状（受力好，便于制造）,单层式，多层热套，绕丝式，剖分式压力夹套式,3,弹塑性应力分布,4,塑性层,5,塑性层,6,弹性层,7,5-41,5-42,弹性层,8,弹性层内应力分布,9,弹性及塑性层内应力分布汇总,10,弹性及塑性层内应力分布汇总,11,自增强处理,12,进行大于工作压力的超压处理，形成预应力 超压时形成塑性层和弹性层。卸压后，塑性层中形成残余压应力，弹性层中形成残余拉应力，在筒壁中形成了预应力。 厚壁筒自增强处理的方法：液压法，机械式挤压法，爆炸胀压法,自增强处理,13,自增强处理,14,自增强处理中最核心的问题是将筒壁中的弹塑性分界层应控制在何处，其目的是控制卸载后得到最合理的残余应力分布，以使工作承载后得到最合理的应力分布。这就是筒壁径向变形的最佳选择或称“最佳超应变度”的选择。超应变度的含义是指自增强处理时内壁塑性层厚度与总厚度之比。,最佳超应变度的选择：不发生反向屈服的原则：自增强处理卸载后内壁得到最大压应力不使材料发生反向屈服。工作承载时获得最佳应力分布：自增强处理后的三向残余应力，叠加上工作压力作用下的三个主应力的相当应力(或称应力强度)达到最佳。,超应变度的选择,15,超应变度的选择,16,塑性应变强化及鲍辛格效应的影响,17,实际上钢材并非理想塑性材料，对于中低强度钢屈服后的应变硬化较明显，随着应变量的增大，材料应力有明显增强，按理想塑性求得的自增强压力下圆筒的塑性层偏薄，卸载后的压缩残余应力偏低，自增强效果不足。高强钢的屈强比较高，屈服后强化效应较小，自增强压力下圆筒的塑性层偏薄的效应不明显，残余压力偏低的效应也不明显，自增强效果尚可。精确分析塑性应变硬化对自增强效果的影响很复杂，可采用有限元方法解决,塑性应变的影响,18,鲍辛格效应将压缩屈服强度与拉伸屈服强度之比称为鲍辛格效应系数(简称BEF)。鲍辛格效应的存在会使厚壁圆筒自增强卸载过程中内壁过早屈服，内壁的压缩残余应力绝对值降低，减少了圆筒的弹性操作范围。鲍辛格效应还使自增强卸载时更容易发生内壁反向屈服。鲍辛格效应愈明显，越容易发生反向屈服，厚壁筒就会在今后的投用运行中随着开车与停车不断发生反复的拉伸与压缩塑性变形，从而影响筒体的疲劳寿命。,鲍辛格效应的影响,19,自增强效果的衰减,20,自增强效果的衰减,长期的高温及振动造成残余应力的衰减 例如高压聚乙烯的超高压管式反应器运行10年后，由于温度与振动的影响残余应力会衰减3040 若经残余应力测定衰减至50以上，就需要考虑进行再次自增强处理，以恢复残余应力,21,超高压容器的材料,22,工程上将抗拉强度在400700MPa的钢称为非调质高强度钢。抗拉强度在6001200MPa范围内的称为调质型高强度钢，抗拉强度超过1200MPa或1400MPa的则称为超高强度钢。超高压容器一般都采用抗拉强度在800MPa以上的特高强度钢和1300MPa以上的超高强度钢。,强度要求,23,超高压容器通常采用锻造法加工，不需要冷加工，因此可适当降低对超高强度钢的塑性要求。事实上抗拉强度超过1000MPa的钢，要保证5 15是很困难的，强度愈高对5的要求愈不能过高。一般国内外锻造的单层超高压容器要求 ；5为10一15。事实上b在2000MPa左右的钢能保证的5 还不到10。,塑性要求,24,钢材的韧性是保证超高压容器安全性的极重要的性能，绝不低于对强度与塑性的要求。尤其是超高强度钢对微缺陷非常敏感，特别是应力集中区再存在微缺陷(如裂纹，或由夹杂物在交变应力下引发的微裂纹)特别容易导致低应力脆断。超高压容器用钢往往从两个方面提出韧性要求，一是冲击韧性，另一是断裂韧性。冲击韧性应采用V形缺口夏比冲击试验来获得，用冲击吸收功值AKV来衡量材料的冲击韧性。,韧性要求,25,超高压容器应进行严格控制有害杂质元素(特别是磷硫)、有害微量元素(砷、锡、锑、铅、铋等)和含气(氧、氢、氮)量的控制。磷与硫的存在会在钢中形成多种夹杂物，降低冲击韧性和断裂韧性在交变载荷作用下夹杂物将是钢材内部引发疲劳裂纹的重要发源地,化学成分,26,都要进行调质热处理：淬火回火不同的回火温度可以得到不同的效果。 200的低温回火仍可保持较高的强度，塑性与韧性的变化也不大。500600 的高温回火虽可提高塑性与韧性，但强度损失过于明显。中温回火介于其中。因此回火温度的确定十分关键。中低合金含量的超高强度钢一般多采用低温回火，可以得到较高的强度，而韧性与塑性也可以得到较为满意的保证。,热处理,27,真空热处理；形变热处理，即淬火后使钢材发生低温塑性变形再强化，然后再回火，抗拉强度可提高3一10，而韧性与塑性提高更多；超高温淬火，例如AISl4340钢的淬火温度从870 提高到1200oC，得到板条状的低碳马氏体，再作200oC的低温回火，可提高断裂韧性值及屈服强度。,新的热处理工艺,28,(1) 预应力法增强厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？试以双层热套圆筒为例加以说明。,复习思考题,(2) 为什么推导Lame公式时力平衡公式在弹塑性分析中同样适用?,29,一台内径为300mm的容器, 设计内压为28MPa， 材料为16MnR, 其设计温度下屈服强度为350MPa，抗拉强度为530MPa，焊缝系数为1, 腐蚀裕量为2mm,试设计其壁厚？,习题,30,谢谢！,