超高壓容器中自增強厚壁圓筒技術簡介

  自增強厚壁圓筒目前是超高壓容器的主要結構形式之一，由于其結構簡單，工藝過程容易實現(xiàn)，所以在工程實際當中自增強厚壁圓筒形超高壓容器被廣泛使用。通過對超高壓容器的研究發(fā)現(xiàn)，當超高壓容器的徑比k增大到一定值時，當量應力的增大是非常有限的，即增加壁厚（增大徑比）對于提高圓筒容器的承載能力是有限的。因此，通過增加壁厚來提高超高壓容器的承載能力是行不通的，同時，增加壁厚無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)生預應力－自增強處理。

1. 自增強理論

  所謂“自增強”就是在設備使用之前，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原狀，但內(nèi)壁附近的材料已經(jīng)發(fā)生不可恢復的塑性變形而阻止外部材料的恢復，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)壁側出現(xiàn)壓應力，而外部材料則處于受拉狀態(tài)。內(nèi)壁附近的壓縮應力和外層材料的拉伸應力組成自動的平衡力系，存在于筒壁內(nèi)的這些應力稱為殘余應力。而外層彈性層因收縮受到阻礙而產(chǎn)生拉應力。在容器投人運行承受內(nèi)壓時，由內(nèi)壓引起的拉伸應力與內(nèi)壁壓縮殘余應力相疊加后，使本來應力最大的內(nèi)壁應力值得以降低，而外層材料的拉伸殘余應力與工作應力疊加后，應力水平增高，從而使容器沿壁厚方向的應力分布變得更加均勻。

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

  自增強殘余應力的準確計算及其穩(wěn)定性研究是該項技術的關鍵。目前，對自增強理論的研究還是很不夠的，通過實驗取得重復數(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為自增強理論設計的基礎，而在生產(chǎn)管理的安全技術分析和評定方面則較薄弱。20世紀60年代國內(nèi)外的研究學者已經(jīng)做了不少工作，以理想彈塑性材料假設為自增強理論設計基礎的理論已趨于成熟。70年代以來，美國AD及有關學者為了更準確地計算，考慮應變硬化和包辛格效應，對高強度自增強厚壁圓筒殘余應力進行了較系統(tǒng)的研究，取得了不同程度的進展。在這些研究成果中，力學模型都采用一定的假設條件和屈服條件，對選定的鋼材進行了彈塑性應力分析，而大多數(shù)只討論了厚壁圓筒的加載，而對其卸載很少分析，沒有達到工程實用的深度。實際上，正是由于圓筒的非線性卸載，使自增強殘余應力的分布更為復雜。20世紀：80年代以來，隨著我國從日本和德國先后引進超高壓聚乙烯設備，自增強技術的研究在我國逐漸形成高潮，并取得了重大進展。該問題的進一步深人研究為實現(xiàn)自增強在役反應器安全技術分析和評定開辟了廣闊的前景。

 2. 自增強研究現(xiàn)狀

  自增強處理技術是1906年法國軍械官員 Halval首次提出，1913年該技術應用于制造炮筒，之后長期在兵器工業(yè)中廣為應用。但在民用工業(yè)方面，尤其是在石油化工領域，在屈服點以上工作的觀點未被工程技術界所接受。1930年英國A.E.Macrea發(fā)表了《金屬的超應變》的著名論著，并推導了基本的計算公式，但仍未引起對自增強技術的重視。自第二次世界大戰(zhàn)以來，自增強技術已由炮筒的設計、制造轉到石油化工生產(chǎn)上，特別是高壓聚乙烯工藝，從反應釜、超高壓管道以至超高壓壓縮機的汽缸等都采用了自增強技術。1933年，英國提出低密度超高壓聚合，德國經(jīng)過相當大的努力解決了100 MPa以上的超高壓容器的材料、設計、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。20世紀60年代，自增強技術隨著理論研究與實驗研究的配合發(fā)展得很快，德國BASF公司把自增強技術應用到高壓聚乙烯320 MPa反應器的設計與制造。隨著日本三菱油化公司應用自增強技術設計制造了數(shù)十套高壓聚乙烯反應器，聚合壓力由250MPa提高到350MPa。自20世紀70年代以來，自增強理論已經(jīng)成為超高壓容器設計的主要理論基礎。我國的自增強技術雖然起步較晚，但因我國所引進高壓聚乙烯管式反應器的維修和國產(chǎn)化要求，國內(nèi)在80年代對自增強技術的研究出現(xiàn)一個高潮。至今，自增強處理壓力已增加到2000 MPa以上,顯然，自增強技術業(yè)已成為制造業(yè)中一種非常重要的工藝技術。

  對于自增強圓筒，合理的最大設計壓力是接近或等于內(nèi)壁材料的屈服強度。目前適宜的容器結構形式可利用的材料最大彈性強度一般為1700~2000 MPa.然而，當操作壓力超過1000MPa時，考慮到產(chǎn)生超高壓泵及超高壓管道的超高強度材料的來源及其脆性斷裂傾向等實際因素，美國T.E.Davidson等人提出采用自增強與多層圓筒相結合的設計方案。

3. 自增強彈塑性分析的理論模型

  自增強殘余應力的準確計算必須根據(jù)材料的彈塑性本構關系建立計算自增強殘余應力的理論模型。目前，用來分析這一關系的理論主要有彈塑性力學中的全量理論和應變增量理論。由于精確描述彈塑性材料的應力應變關系不僅復雜，而且難度很大，因此，為了滿足工程上應用的需要，在解決具體問題時，常常對應力應變曲線進行簡化。常見的簡化模型有以下幾種。

 a. 理想彈塑性模型

 由英國著名力學家HILL在1967年提出，他不考慮加載時材料的應變硬化和Bauschinger效應的影響，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，大多為高強度的合金鋼，這些材料，即使微小的超應變，都表現(xiàn)出明顯的應變硬化和 Bauschinger 效應，而 Bauschinger 效應的存在，使得自增強容器內(nèi)壁的壓縮殘余應力降低，減小了圓筒的彈性操作范圍和實際獲得的殘余應力值。

 b. 卸載冪硬化模型

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

 c. 雙冪函數(shù)強化模型

  雙冪函數(shù)強化模型同時考慮了加載和卸載時材料的應變硬化和 Bauschinger效應的影響，并把材料進入屈服后的應力－應變的非線性關系視為冪函數(shù)關系。這種模型適用于多數(shù)硬化明顯的鋼制自增強容器，或者自增強度較大的情況，具有較強的適應性。

 d. 雙線性硬化模型

 雙線性硬化模型與雙向冪硬化模型的適用性基本一致，只是將屈服后相當應力與相當應變的非線性關系視為直線關系。這樣處理后，使得計算比較簡單。