CN1061551A

CN1061551A - 瓜瓣式结构无模胀形制造球形容器工艺

Info

Publication number: CN1061551A
Application number: CN 90109221
Authority: CN
Inventors: 王仲仁; 董建令
Original assignee: WANG ZHONG-REN ET AL; WANG ZHONG REN
Current assignee: WANG ZHONG-REN ET AL; WANG ZHONG REN
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1992-06-03

Abstract

球形容器广泛应用于石油、化工、轻工等部门作为压力容器。本工艺采用整体胀形法，但多面壳体是由瓜瓣(一定形状的单曲率壳)或瓜瓣和平板组焊成的，即瓜瓣式多面壳体。这类多面壳体具有胀形时易成球，成球后质量好的优点。成球后焊缝的分布可以与传统的球形容器的焊缝分布一致。实践证明，这类多面壳体可用于建造大直径、厚壁球形容器，且建造的球形容器满足有关球形容器的检验标准。

Description

球形容器具有受力均匀，承压高，重量轻及外形美的优点，所以广泛应用了石油化工、冶金、轻工等部门所为压力容器。传统的制造方法为先下料压出球瓣及封头，然后装配焊接进行打压试验，即先成形后焊接方法。1985年，王仲仁教授等提出球形容器整体胀形新工艺（中国专利局，专利号：85106571·6），是对球形容器制造方法的重大变革。其要点是将板料组焊成封闭的多面壳体，然后再从内部施加压力胀形成球。这种方法的主要优点是不需要压力机和模具就可以加工球形容器，可以省去压力机的巨额投资及模具加工费，可以缩短生产周期，这对于多品种生产显得非常优越。此外，胀形实质上是“超载”处理，可以大幅度减少焊缝附近的残余应力，可以代替打压试验。

胀形用多面壳体的结构形式是这项工艺的关键技术之一。在初期，我们采用的多面壳体结构如附图1所示。这些多面壳体由平板组成或数个锥台及平板组成。这几种多面壳体在薄壁球形容器的制造上获得了成功。但在厚壁球形容器的制造过程中遇到了一些困难，主要表现在：

（1）胀形过程中，焊缝变形复杂，焊缝沿纵向先呈波浪状，后变成圆弧。这对焊缝自身有一定的损伤作用。采用这几种结构的厚壁多面壳体在胀形过程中易出现开裂，影响胀球过程的顺利进行。

（2）由锥台和平板组成的多面壳体在胀形中环焊缝在压应力作用下由于弹塑性失稳出现垂直焊缝方向的皱纹，而这些皱纹是在后面的胀形过程中不能消除的。这就使成形后的球形容器难以满足有关球形压力容器的检验标准。

（3）胀形成球过程中，多面壳体的面积增加率大，焊缝和母材的变形量大，胀球过程中的内压力高，焊缝的应力水平高，开裂的可能性大。另外，胀成球后，壁厚减薄量大，塑性储备也有所降低。

（4）胀形后，原多面壳体的“丫”型焊缝处出现夹角影响胀成球的椭圆度。

针对以上困难，我们提出了瓜瓣式结构无模胀形制造球形容器工艺，它的基本思想是将板料切割成一定形状的板坯，然后在弯卷设备上予弯成一定形状的单曲率壳（它的中面是由直线段的两个端点在两条曲线上移动时，直线段所描述出的空间曲面，可以是柱面，可以是锥面。），即瓜瓣，然后将这些瓜瓣组合，或将瓜瓣与平板组合构成封闭的多面壳体，充入传压介质（如水、油、空气等）加压或采用高能方法（如爆炸法，电磁成形法等），使壳体发生塑性变形，在内部压力的作用下，多面壳体最终将成为理想的球壳。本工艺与以往的整体胀形制造球形容器工艺的区别主要反映在胀形用的多面体壳的结构上。瓜瓣式多面壳体结构有许多种，但在胀形中较好的主要是下面三种：

1、桔瓣式：如附图2a，2b所示，附图2a为三带桔瓣式多面壳体，1为赤道带，2为上极带，3为下极带;附图2b为五带桔瓣式多面壳体，1为赤道带，2为上温带，3为下温带，4为上极带，5为下极带。这种多面壳体的主要特征是可以做成这样的球形容器，其上的焊缝分布与传统球形容器中的桔瓣式球形容器焊缝分布一致。在桔瓣式多面壳体中，瓜瓣和平板的布置方法为：瓜瓣按灯笼的形式沿四周布置，零曲率母线（即柱面母线）在不同水平面内，平板（多边形板或圆平板），放在上部和下部与四周的瓜瓣一起形成封闭的球内接或近似球内接的多面壳体，如附图2a所示。这时的多面壳体由三带组成，即赤道带1和两极带2、3。当要求制造的球形容器直径大时，可以增加带数，附图2b所示的多面壳体分为五个带（赤道带1，上温带2，下温带3，上极带4和下极带5）。当要求制造的球形容器直径更大时，则带数还可以增多。带与带之间的接合靠瓜瓣弯卷成形时形成的折边实现，或将折边部分地卷成一定形状的柱面或锥面实现。带与带之间的接口（如附图2a、2b中的各纬向环焊缝）形成的封闭曲线可以是圆，可以是平面多边形，也可以是其它曲线。一般来说，当纬向环缝构成的封闭曲线为圆周或平面多边形时，多面壳体的装配要容易得多。制造压力容器时，不同带的纵焊缝要相互错开，如附图2b所示。

在附图2a、2b中，除了上极线和下极线（最上面和最下面的线条）外，其余线均表示焊缝，而上、下极线可以是焊缝，也可以由母材形成的。

这种多面壳体焊缝短，装配简单。

需要指出的是：这种多面壳体结构除了用于制造球形容器外，还可以用于制造椭球形容器，水滴状容器和蘑菇状容器或其它形状的“怪球”形容器，所不同的是，此时的这种多面壳体将分别内接或近似内接于封闭椭球面，水滴状封闭曲面、蘑菇状封闭曲面或其它形状的封闭曲面。另外，附图2a所示的结构还可以用于制造可切割成两个大直径容器封头的扁球形容器，或单个封头。

2、足球式：如附图3a、3b所示。这种多面壳体的主要特征是可以做成这样的球形容器，其上的焊缝分布与传统球形容器中的足球式球形容器焊缝分布一致。在足球式多面壳体中，瓜瓣的布置方法为：瓜瓣分布在球内接正方体（每个棱的长度相等的正平行六面体）的各个侧面上。每一侧面上的瓜瓣的直线段母线与相邻侧面上的瓜瓣的直线段母线在空间上对应呈交叉状。各个侧面上分布的瓜瓣数为2个或2个以上。每个侧面上的瓜瓣与相邻侧面上的瓜瓣靠瓜瓣弯卷成形过程中形成的折边实现接合或将折边部分地弯卷成一定形状的柱面或锥面实现接合。所有侧面上的瓜瓣一起构成一封闭球内接或近似球内接的多面壳体。瓜瓣组焊成多面壳体后，该多面壳体的每条焊缝处在一定的曲线段上，而这些曲线段的各部分的曲率圆均在曲线段的同一侧。每个侧面上的瓜瓣数可根据要制造的球形容器直径的大小取适当的数目。一般来说，直径越大，每个侧面上的瓜瓣数目就越多。一般每个侧面上的瓜瓣数相同。附图3a为每侧面上瓜瓣数目为3的多面壳体，而附图3b为每侧面上瓜瓣数为5的多面壳体。

这种多面壳体具有更短的焊缝，更省料。

同时需要说明的是，这种结构除了可用于制造球形容器外，还可以用于制造椭球形容器、水滴状容器和蘑菇状容器或其它形状的“怪球”形容器，所不同的是，瓜瓣分布在长方体上，且多面壳体将内接或近似内接于某一封闭椭球面，水滴状封闭曲面，蘑菇状封闭曲面或其它形状的封闭曲面。

3、桔瓣足球混合式：如附图4a、4b所示。在附图4a中，1为赤道带，2为上温带，3为下温带，4为上极带，5为下极带。这种多面壳体的主要特征是可以做成这样的球形容器，即其上焊缝的分布与传统球形容器中的桔瓣足球混合式球形容器的焊缝分布一致。在附图4a中，一部分（赤道带1）为桔瓣式组合，其余部分（上温带2，下温带3和上极带4，下极带5的瓜瓣为足球式组合。附图4a为含有一个桔瓣式带的混合式多面壳体，赤道带与上、下温带的接合靠赤道带的瓜瓣在弯卷成形过程中形成的折边实现或将折边部分地弯卷成一是形状的柱面或锥面实现。这种结构集桔瓣式的易装配和足球式的省料的优点为一体，是一种即省料，装配又简单的多面壳体结构。所有的瓜瓣组焊在一起形成一球内接或近似球内接的封闭多面壳体。当要建造的球形容器直径大时，可以增加桔瓣式部分的带数或足球式的上、下极带的瓜瓣数。附图4b为桔瓣式部分分为三带的混合式多面壳体。

在附图4a和附图4b中，桔瓣式带的纬向环焊缝为圆周或平面多边形，而其余焊缝均处在一定的曲线段上，这些曲线段的各部分的曲率圆均在曲线段的同一侧。

同样，这种结构除了可用于制造球形容器外，还可以用于制造椭圆形容器，水滴状容器和蘑菇状容器或其它的“怪球”形容器，所不同的是，此时的这种多面壳体将分别内接或近似内接于封闭椭球面，水滴状封闭曲面，蘑菇状封闭曲面或其它形状的封闭曲面。

采用瓜瓣式结构的多面壳体建造球形容器保持了整体胀形法制造球形容器的优点，即：

（1）不需要模具和压力机;

（2）下料、组装和焊接过程较传统工艺简单，可实现一次精确下料;

（3）整体成形过程有利于减少由于焊接引起的残余压力，且可代替打压试验;

（4）市场变化适应性强，生产过程所需的设备简单。

除此之外，用瓜瓣式结构的多面壳体建球还有其特殊的优点。即：

（1）焊缝短：特别是足球式和桔瓣足球混合式的多面壳体更是如此;

（2）材料利用率高;

（3）焊缝人都处在球面上或在球面的近距离处，多面壳体更接近于球壳，球面在胀形过程中，整个多面壳体的变形量小，面积增加率小，板厚减薄量也小，多面壳体胀球所需的内压力低。这有利于降低焊缝处的拉应力，使多面壳体更易于成球，而且由于焊缝变形量很小，塑性指标基本上不发生变化。

（4）“丫”型焊缝处在胀形成球后不出现尖角;

（5）焊缝在胀形过程中变形简单，不发生纵向的波浪，而且不会出现由锥台组成的多面壳体胀形过程中焊缝产生由于弹塑性不稳而形成的皱纹。

实践表明瓜瓣式结构的多面壳体不仅适用于建造薄壁球形容器，而且适用于建造厚壁球形容器。建造球形容器用材料可以记00F，G3131，16MnR，20g，1Gr18Ni9Ti等等容器常用材料。一般来说，如果材料的延伸率达到20%，焊接性能较好，即可以用任意厚度的这些材料采用瓜瓣式结构无模胀形工艺建造球形容器。利用上面几种结构的多面壳体胀形成的球形容器完全满足钢制压力容器标准JB741-80和有关的球形容器检验标准。

最后要说明的是瓜瓣式无模胀形制造球形容器工艺还可以用在建筑行业的容器或结构上，如水塔、球形建筑结构和其它类形结构。

Claims

1、本工艺采用封闭多面壳体整体胀形法制造球形容器。其特征是将板料下成一定形状的坯料，在弯卷设备上成形为单曲率壳，即瓜瓣，然后组焊这些瓜瓣或瓜瓣和平板形成封闭的多面壳体。在壳体内部填入传压介质(如水、油或气体)，加压使多面壳体发生变形，最后成为球形容器。多面壳体的内部加压也可以采用高能方法，如爆炸法或电磁成形法。

2、权利要求1中的瓜瓣是单曲率壳。它的中面是由直线段的两个端点在两条曲线上移动时，直线段所描述出的空间曲面。当直线段做平行移动时，描绘出的曲面为柱面，单曲率壳靠弯卷设备获得。

3、权利要求1中的多面壳体可以是桔瓣式的。瓜瓣按灯笼的形式沿四周布置，零曲率母线在不同的水平面内，平板（多边板或圆板）放在上部和下部。平板和瓜瓣一起构成封闭的球内接或近似球内接的多面壳体。当要做的球壳直径大时，可以增加多面壳体的带数。带与带之间的接合靠瓜瓣在弯卷成形时形成的折边实现，或将折边部分地弯卷成一定形状的柱面或锥面实现。带与带相接构成的封闭曲线可以是圆周或平面多边形，也可以是其它曲线。这种壳体胀球后的焊缝分布可以与传统的桔瓣式球形容器焊缝分布一致。

4、权力要求1中的多面壳体可以是足球式的，即瓜瓣分布在球内接正方体的各个侧面上，构成球内接或近似球内接的封闭多面壳体。每一侧面上的瓜瓣与相邻侧面上的瓜瓣交叉相接。每一侧面上的瓜瓣与相邻侧面上的瓜瓣的接合靠瓜瓣弯卷成形过程中形成的折边实现或将折边部分地弯卷成一定形状的柱面或锥面实现。这种多面壳体可以实现胀球后焊缝的分布与传统的足球式球形容器焊缝分布一致。当要做的球形容器直径大时，可以同时增加每侧面上的瓜瓣数。

5、权利要求1中的多面壳体可以是混合式的，其特征是中间部分为桔瓣式的，而上、下部分为足球式的球内接或近似球内接的多面壳体，桔瓣带与足球带的接合靠桔瓣带的瓜瓣在弯卷成形过程中形成的折边实现，或将折边部分地弯卷成一定形状的柱面或锥面实现。接合处的封闭曲线可以是圆周，可以是平面多边形，也可以是其它曲线。当要做的球形容器直径大时，可以增加桔瓣式部分的带数或足球式部分的瓣数。采用这种多面体可以得到焊缝分布与传统的桔瓣足球混合式球形容器焊缝分布一致的球形容器。

6、权利要求3中的桔瓣式多面壳体可以用来制造椭球形容器、水滴状容器和蘑菇状容器及其它形状的“怪球”形容器，也可以用来制造各种容器封头。此时多面壳体内接或近似内接相应的封闭曲面。

7、权利要求4中的足球式多面壳体可以用胀形法制造椭球形容器，水滴状容器和蘑菇状容器及其它形状的“怪球”形容器。此时多面壳体内接或近似内接相应封闭曲面。

8、权利要求5中的桔瓣足球混合式多面壳体可以用以制造椭球形容器，水滴状容器和蘑菇状容器及其它形状的“怪球”形容器。此时多面壳体内接或近似内接相应的封闭曲面。