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自增强处理原理以及在压力容器中的使用!

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自增强处理是一种通过施加超工作压力,使筒体产生残余应力,优化工作应力分布、提升屈服承载能力的工艺手段。其原理是在圆筒内壁施加高强度压力,促使内壁屈服并产生径向残余变形,卸压后,外层材料弹性收缩,让已塑性变形的内层材料形成压缩应力,从而获得残余压应力。依据获取径向力方式的不同,当前生产中常用的自增强处理方法主要有机械式挤压法、直接静压法、爆炸胀压法和固体自增强法四种,以下为这些方法的原理与特性介绍。

一、机械式挤压法

原理

机械式挤压法的核心在于利用具有过盈尺寸的锥形心轴,使其在圆筒内壁滑动。在这一过程中,圆筒内壁受挤压产生塑性变形与残余应力,进而实现自增强效果。推动心轴在圆筒内滑动主要有三种方式:其一,借助冲头与水压机将心轴压入,此为间接液压方式;其二,把液压传导至心轴背面推动,即直接液压方式;其三,通过机械装置拉动心轴,称为机械拉牵法。

特点

该方法主要适用于开式圆筒(如管子),具有经济性优势,无需外部限定模具,密封操作相对简易。其施加压力仅受心轴材料压缩强度制约,不受圆筒自身强度影响,能够产生很高的残余应力。在相同径比条件下,机械式挤压法与静液压法所需压力均取决于内径扩胀量,但对于相同屈服强度材料,前者所需压力远低于后者,且获得的周向残余应力更大。这是因为静液压法产生的残余应力易受包申格效应影响而降低,而挤压法是三向变形组合,内壁反向屈服程度小,故残余应力更高。不过,由于该方法与静液压法在超应变时应力状态存在差异,机械式挤压法自增强过程中,心轴与内壁间的摩擦力及接触面上法向应力的轴向分量,会在圆筒内壁产生较大轴向剪应力,随着轴向应力增加,周向应力会相应减小。这使得经过该方法处理的开式圆筒在再次进行液压屈服试验时,再屈服压力下降,弹性强度降低。但每种径比下都存在一个最佳超应变量,在此条件下,圆筒弹性强度极限可与 100% 超应变的静液压法处理效果相当 。

二、直接静液压法

原理

直接静液压法是将液体压力直接作用于圆筒内壁,促使其产生塑性变形与超应变,卸压后形成残余应力,以此提升容器的弹性强度极限与疲劳寿命。作为最早应用且最为常用的自增强方法,在大、中口径炮管以及高压、超高压容器和管道的自紧处理中广泛使用。

特点

该方法的操作流程与容器液压试验相似,具备操作简便、灵活性高的优势,无需特殊压力元件,能使壁面实现均匀塑性变形,尤其适用于闭式容器自增强处理。针对开式圆筒,可通过端部密封装置进行处理。然而,直接静液压法需要超高压力源、超高压泵及配套管道和附件,超高压密封问题成为限制其应用范围的关键因素。

三、爆炸胀压法

原理

爆炸胀压法借助高能量炸药,在极短时间内产生高压,使圆筒或管子在高压气体与冲击波作用下快速发生塑性变形。内壁塑性变形量与炸药强度(单位长度炸药重量)相关,通过精准控制用药量,使爆炸产生的压力契合超应变所需,进而实现圆筒或管子的塑性变形目标。

特点

采用该方法时,需充分考虑端部效应,即圆筒或管子端部塑性胀大量会逐渐减小,同时也要关注径向活塞效应的影响。爆炸胀压法能够在短时间内产生极高压力,但对炸药用量控制和环境安全要求极高。

四、固体自增强法

原理

固体自增强法选用塑性良好、熔点较低的固体介质(如铅),将其熔化后灌注到圆筒内,随后利用压(冲)杆挤压固体介质,使其塑性变形并将压力传递至筒壁,促使筒壁塑性变形,最终形成残余应力,该方法特别适用于极高压力工况下的自增强处理。

特点

此方法具有多方面优势:一是可避免液体介质在极高压力下固化的问题;二是固体介质不可压缩,能充分发挥自增强压力,所需自增强压力相对较低;三是固体介质塑化后粘性高,便于解决筒体端部密封难题;四是安全性高,即便器壁存在薄弱部位发生破裂,也不会引发严重危险 。


来源:压力容器工程师
疲劳爆炸材料控制试验模具
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首次发布时间:2025-05-21
最近编辑:16小时前
君雔
本科 | 高级工程师 压力容器工程师
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涨知识:焊接接头的强度匹配

长期以来,焊接结构的传统设计原则基本上是强度设计。在实际的焊接结构中,焊缝与母材在强度上的配合关系可有三种:焊缝强度等于母材(等强匹配)、焊缝强度超出母材(超强匹配,也叫高强匹配)及焊缝强度低于母材(低强匹配)。从结构的安全可靠性考虑,一般都要求焊缝强度至少与母材强度相等,即“等强”设计原则。但实际生产中,多是按照熔敷金属强度来选择焊接材料,而熔敷金属强度并非是实际的焊缝强度。熔敷金属不等同于焊缝金属,特别是低合金高强度钢用焊接材料,其焊缝金属的强度往往比熔敷金属的强度高出不少。所以,就会出现名义“等强”而实际“超强”的结果。超强匹配是否一定安全可靠,认识上并不一致,并且有所质疑。我国九江长江大桥设计中就限制焊缝的“超强值”不大于98MPa;美国的学者Pelini则提出,为了达到保守的结构完整性目标,可采用在强度方面与母材相当的焊缝或比母材低137MPa的焊缝(即低强匹配);根据日本学者佐藤邦彦等的研究结果,低强匹配也是可行的,并已在工程上得到应用。但比利时学者Soete和我国张玉凤等的观点是,超强匹配应该有利。显然,涉及焊接结构安全可靠的有关焊缝强度匹配的设计原则,还缺乏充分的理论和实践的依据,未有统一的认识。为了确定焊接接头更合理的设计原则和为正确选用焊接材料提供依据,清华大学陈伯蠡教授等承接了国家自然科学基金研究项目“高强钢焊缝强韧性匹配理论研究”。课题的研究内容有:490MPa级低屈强比高强钢接头的断裂强度,690~780MPa级高屈强比高强钢接头的断裂强度,无缺口焊接接头的抗拉强度,深缺口试样缺口顶端的变形行为,焊接接头的NDT试验等。大量试验结果表明: 1 对于抗拉强度490MPa级的低屈强比高强钢,选用具备一定韧性而适当超强的焊接材料是有利的。如果综合焊接工艺性和使用适应性等因素,选用具备一定韧性而实际“等强”的焊接材料应更为合理。该类钢焊接接头的断裂强度和断裂行为取决于焊接材料的强度和塑韧性的综合作用。因此,仅考虑强度而不考虑韧性而进行的焊接结构设计,并不能可靠地保证其使用安全性。 2 对于抗拉强度690~780MPa级的高屈强比高强钢,其焊接接头的断裂性能不仅与焊缝的强度、韧性和塑性有关,而且受焊接接头的不均质性所制约,焊缝过分超强或过分低强均不理想,而接近等强匹配的接头具有最佳的断裂性能,按实际等强原则设计焊接接头是合理的。因此焊缝强度应有上限和下限的限定。 3 抗拉强度匹配系数(Sr)即焊接材料的熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强度之比值,它可以反映接头力学性能的不均质性。试验结果表明,当Sr≧0.9时,可以认为焊接接头强度很接近母材强度。因此,生产实践中采用比母材强度降低10%的焊接材料施焊,是可以保证接头等强度设计要求的。当Sr≧0.86时,接头强度可达母材强度的95%以上,这是因为强度较高的母材对焊缝金属产生拘束作用,使焊缝强度得到提高。 4 母材的屈强比对焊接接头的断裂行为有重要影响,母材屈强比低的接头抗脆断能力较母材屈强比高的接头抗脆断能力更好。这说明母材的塑性储备对接头的抗脆断性能亦有较大的影响。 5 焊缝金属的变形行为受到焊缝与母材力学性能匹配情况的影响。在相同拉伸应力下,低屈强比钢的超强匹配接头的焊缝应变较大,高屈强比钢的低强匹配接头的焊缝应变较小,焊接接头的裂纹张开位移(COD值)也呈现相同的趋势,即低屈强比钢的超强匹配接头具有裂纹顶端处易于屈服且裂纹顶端变形量更大的优势。 6 焊接接头的抗脆断性能与接头力学性能的不均质性有很大关系,他不仅决定于焊缝的强度,而且受焊缝的韧性和塑性所制约。焊接材料的选择不仅要保证焊缝具有适宜的强度,更要保证焊缝具有足够高的韧性和塑性,即要控制好焊缝的强韧性匹配。对于强度级别高的钢种,要使焊缝金属与母材达到等强匹配则存在很大的技术难度,既使焊缝强度达到了等强,却使焊缝的塑性、韧性降低到了不可接受的程度;抗裂性能也显著下降,为防止出现焊接裂纹,施工条件要求极为严格,施工成本大大提高。为了避免这种只追求强度而损害结构整体性能,提高施工上的经济可靠性,不得不把强度降下来,采用低强匹配方案。如日本的潜艇用钢NS110,它的屈服强度大于或等于1098MPa,而与之配套的焊条和气保焊丝的熔敷金属屈服强度则要求大于或等于940MPa,其屈服强度匹配系数为0.85。采用低强匹配的焊接材料后,焊缝的含碳量及碳当量都可以降低,这将使焊缝的塑韧性得到提高,抗裂性能得到改善,给焊接施工带来了方便,降低了施工方面的成本。另外,日本学者佐藤邦彦的一些试验数据表明,只要焊缝金属的强度不低于母材强度的80%,仍可保证接头与母材等强,但是低强焊缝的接头整体伸长率要低一些。在疲劳载荷作用下,如不削除焊缝的余高,疲劳裂纹将产生在熔合区;但若削除焊缝的余高,疲劳裂纹将产生在低强度的焊缝之中。因此,关于低强焊缝的运用,应当结合具体条件进行一些试验工作为宜。来源:压力容器工程师

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