[发明专利]一种确定具有温差的承压圆筒的安全载荷的方法

说明书

本发明为了保证压力容器的安全设计、制造、运行，同时节约材料、降低成本，公开了一种确定具有温差的承压圆筒的安全载荷的方法，将同时承受压力与温差载荷的承压圆筒的各个关键应力限制在屈服强度σ_y以下(工程应用时，只需将σ_y除以安全系数即是许用应力[σ])，以充分保证此种压力容器的安全，由此导出安全的操作或设计压力与安全的操作或设计温差等参数范围，以及最佳的操作(设计)压力与温差等参数。本发明给出了所述安全及最佳参数的计算公式、图表及其使用方法。按本发明的方法确定操作(设计、制造)参数，能保证压力容器安全且经济。

技术领域

本发明涉及一种确定具有温差的承压圆筒的安全载荷的方法，属高端装备制造技术领域。

背景技术

压力容器是广泛应用于许多工业部门的关键设备，如机械、化工、能源(包括核能等)、航空、航天、兵器、材料、制药、轻工、食品、冶金、石油、建筑等部门。压力容器的主体部分绝大多数是承受内压的圆筒，即本发明所述承压圆筒。任何承压设备的外壳绝大多数都是圆筒，如机械行业中的液压缸、气缸，航空发动机外壳、石油化工工业中的压力容器外壳、枪炮的管子、核反应堆外壳等等。承压圆筒是承受工作载荷的关键部件，其安全性极为重要，一旦因强度不足造成事故，不但停工停产，导致重大经济损失，而且造成人员伤亡。

众所周知，圆筒承受工作压力时，其器壁中的弹性应力分布很不均匀，若按最大应力设计承压圆筒，其承载能力是很低的，并且其壁厚很大。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。为了降低应力、改善应力分布以提高承载能力，引入附加应力是一种行之有效的办法。传统上，一般是采用机械方法引入预应力，即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。当承压圆筒内、外壁存在温差时，由于热胀冷缩，因而会在圆筒器壁中产生温差应力，或称热应力。承压圆筒内、外壁的温差有时是为了改善应力分布而人为施加的，有时是生产过程中必然存在的温差(如化工压力容器、加氢反应器、超高压食品杀菌釜、核反应堆、聚变反应堆等)。

当承压圆筒同时承受机械载荷(即操作压力)与热载荷(即内、外壁之间的温度差)时，其总应力更为复杂，将出现新的力学现象与规律。因此，承压圆筒同时承受机械压力载荷与温差引起的热载荷时，怎样有效且合理地利用热应力(即温差应力)、怎样科学、合理地确定安全的操作或设计参数范围、如何确定最佳操作参数或最佳设计参数，从而达到既安全，又经济的目的，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种确定具有温差的承压圆筒的安全载荷的方法，以全面确保此种承压圆筒的安全。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提出一种确定具有温差的承压圆筒的安全载荷的方法，所述载荷包括承压圆筒所承受的压力与温差，具体如下：

获取承压圆筒的外半径r_o、内半径r_i，得到承压圆筒的径比k；

获取承压圆筒内壁温度t_i与外壁的温度t_o，得到温度差Δt＝t_i-t_o；

获取承压圆筒承受压力时的初始屈服压力p_e，获取承压圆筒承受压力时的全屈服载荷p_y；

当承压圆筒的径比k≥k_b时，安全的压力范围按p_e≤p≤2p_e确定，同时安全的温差范围按Δt₁≤Δt≤Δt₂确定；