CN111496121A - 简单压力容器深拉成型封头材料选择方法及封头成型工艺 - Google Patents

简单压力容器深拉成型封头材料选择方法及封头成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提出了简单压力容器深拉成型封头材料选择方法及封头成型工艺，简单压力容器深拉成型封头材料选择方法包括如下步骤：利用材料单向拉伸试验获取真实应力应变曲线；利用成型极限图试验绘制FLD成型极限图；通过输入材料的参数并应用有限元方法来计算不过规格简单压力容器的成型深度。简单压力容器深拉成型封头成型工艺通过沿着封头的直边段，等间距选取试样进行单向拉伸试验和冲击试验。本发明方便快捷的为深拉成型封头的选材提供方法，为企业生产缩短时间周期，节约设计和制造成本。

Description

简单压力容器深拉成型封头材料选择方法及封头成型工艺
技术领域
本发明涉及深拉成型简单压力容器技术领域，尤其涉及简单压力容器深拉成型封头材料选择方法及封头成型工艺。
背景技术
简单压力容器通常是批量生产的压力容器。TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和NB/T47052-2016《简单压力容器》都规定了简单压力容器(以下简称“容器”)的型式及材料、设计、制造、检验和验收等方面的建造要求。其中，TSG21-附录A2.3简单压力容器规定同时满足以下条件的压力容器称之为简单压力容器：
(1)压力容器由简体和平盖、凸形封头(不包括球冠形封头)，或者由两个凸形封头组成。
(2)简体、封头和接管等主要受压元件的材料为碳素钢、奥氏体不锈钢或者Q345R。
(3)设计压力小于或者等于1.6MPa。
(4)容积小于或者等于1m3。
(5)工作压力与容积的乘积小于或者等于1MPa.m3。
(6)介质为空气、氮气、二氧化碳、惰性气体、医用蒸馏水蒸发而成的蒸汽或者上述气(汽)体的混合气体；允许介质中含有不足以改变介质特性的油等成分，并且不影响介质与材料的相容性。
(7)设计温度大于或者等于-20℃；最高工作温度小于或者等于150℃。
(8)非直接受火焰加热的焊接压力容器(当内直径小于或者等于550mm时允许采用平盖螺栓连接)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单压力容器深拉成型封头材料选择方法及封头成型工艺，其能方便快捷的为深拉成型封头的选材提供方法，为企业生产缩短时间周期，节约设计和制造成本。
本发明的另一目的在于提供简单压力容器深拉成型封头成型工艺，其旨在提高深拉成型简单压力容器的塑性要求、形状公差等，能够提高产品的安全性和合格率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，其包括如下步骤：
(1)利用材料单向拉伸试验获取真实应力应变曲线；
(2)利用成型极限图试验绘制FLD成型极限图；
(3)通过输入材料的参数并应用有限元方法来计算不过规格简单压力容器的成型深度。
步骤(1)中，按照试样要求将试验材料加工成板条形试样，启动试验机，输出名义应力-名义应变曲线：
Figure BDA0002417215570000021
式中，σtrue为真实应力；
εtrue为真实应变；
σnom为名义应力；
εnom为名义应变；
根据名义应力-名义应变与真实应力-真实应变关系绘制真实应力-真实应变曲线。
步骤(2)包括如下步骤：
(2.1)成型极限图试验：制作试件，选择适配的凸模，在试件的一侧表面印制网格圆，利用压力边紧拉深拉筋外的试验材料，试样在凸模的作用下形成凸包，当凸包某个局部才生缩颈或者破裂时，凸模停止移动，测量缩颈或者破裂区附近的网格圆长轴和短轴尺寸，由此计算材料允许的极限主应变量(e1，e2)；
(2.2)绘制FLD成型极限图
(a)改变试样与凸模接触面间的润滑条件，用来测量成型极限图的双拉变形区(e1＞0，e2＞0)，若在试样和凹模之间放置适配的橡胶垫可以接近于等双拉应变状态，即e1＝e2；
(b)采用不同宽度的试样，用来测定成型极限图的拉压变形区(e1＞0，e2≤0)；
以表面应变e2为横坐标、表面应变e1为纵坐标建立表面应变坐标系，根据散点图采用合适的曲线连接即为成型极限图。
通过前述两种方法进行试验，试验的次数越多，获得的应变数据越多，所获得的成型极限图越准确，一般情况下，绘制一种材料的成型极限图最少需要8组不同规格试样，每组试样至少3件。
步骤(3)中，将材料的性能参数输入有限元软件中计算，根据封头表面的最大主应力和最小主应力，结合FLD成型极限图，或输入FLD损伤判据，得到不同规格简单压力容器的最大成型深度。
进一步，所述材料的性能参数包括弹性模量、泊松比、真实应力-真实应变。
一种简单压力容器深拉成型封头成型工艺，该工艺通过沿着封头的直边段，等间距选取试样进行单向拉伸试验和冲击试验，该工艺包括如下步骤：
(a)成型后按封头标准端面形状向内缩进一定尺寸作为间隙样板轮廓线，检查时使样板垂直于待测表面，保证内表面的形状公差应满足：
样板与封头内表面间的最大间隙，其中，外凸不大于1.25Di，内凹不大于0.625Di；
(b)等间距的截取试样，按照标准尺寸制作单向拉伸试件，进行单向拉伸试验，保证断后延伸率不小于14％；
(c)等间距的截取试样，按照标准尺寸制作冲击试件，在试件上规定的位置加工出缺口，试件缺口对称面偏离试验机两砧座件的中点不大于0.5mm，缺口背向打击面放置，利用摆锤一次性打击试件，试件断裂，测定试件吸收的能量，当吸收的能量大于27J则判定容器的韧性满足要求。
步骤(c)中，试件表面的粗糙度Ra优于5μm。
步骤(c)中，所述试件缺口的形状为V型或者U型。
本发明与现在常用的普通凸形封头相比，本发明的深拉成型封头具有较大的直边段(标准普通凸形封头的直边段一般为40mm或者25mm)，直边段长度一般大于100mm，通常视不同设计压力和厚度等在150-500mm之间。封头的深拉采用冲压成型工艺，用模具在冲压设备上一次深拉较大直边段的封头，目前，应用深拉技术是实现简单压力容器产品的设计制造轻型化、降低成本，增强企业竞争能力的好办法。
深拉是冲压成型的一种，模具给板料边缘部分施加的压边力仅仅是为了防止零件产生翘曲，板料可以在凹模内自由流动，变形主要发生在板料边缘部分，特点是拉-压变形。经过深拉后得到的工件沿着底部向口部方向的厚度是不同的，在厚度最薄处最容易断裂，通常称之为危险端面。深拉成型的效果以及深拉的深度和材料的变形性能有关，为了确定某种材料不同种规格的封头深拉成型的深度，采用成型极限图与有限元方法共同分析。
深拉是一个塑性变形的过程，材料变形后必然发生加工硬化，使得其强度和硬度的增加，塑性下降。压力容器需要保证容器材料具备综合性能良好的材料。塑性是材料发生不可恢复的非弹性形变的能力，塑性不好的材料即脆硬，脆性材料发生破坏时，基本不发生塑性变形并突然断裂，破坏危险大。但是由于深拉时变形不均匀，从底部到口部塑性由小逐渐增大，深拉成型后材料的性能也是不均匀的，我们可以通过单向拉伸和冲击试验判断材料深拉成型后的塑性指标，并且为深拉成型封头进一步机加工后制成简单压力容器的依据。
附图说明
图1为本发明实施例中材料真实应力-真实应变曲线图。
图2为本发明实施例中材料成型极限图。
图3为本发明实施例中封头间隙样板图。
图4为本发明实施例中取样位置图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
实施例1：一种简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，容器材料选择Q235B，冲压深度选择450mm，封头直径选择740mm。具体包括如下步骤：
(1)按照试样要求将试验材料加工成圆板试件，试件在工作段应该不含加工硬化、缺口、擦伤、道行、毛刺、粗糙表面或尖角等有害缺陷。启动试验机，输出名义应力-名义应变曲线：
Figure BDA0002417215570000061
式中，σtrue为真实应力；εtrue为真实应变；σnom为名义应力；εnom为名义应变。
根据名义应力-名义应变与真实应力-真实应变关系绘制真实应力-真实应变曲线，如图1所示。
(2)成型极限图(FLD)试验，绘制FLD成型极限图
制作试件，选择合理的凸模，在试件的一侧表面印制网格圆，利用压力边紧拉深拉筋外的试验材料，试样在凸模的作用下形成凸包，当凸包某个局部才生缩颈或者破裂时，凸模停止移动，测量缩颈或者破裂区附近的网格圆长轴和短轴尺寸，由此计算材料允许的极限主应变量(e1，e2)。
绘制成型极限图主要在于双拉变形区、拉压变形区的最大主应变和最小主应变的数值。可以通过下面方式实现：
(a)改变试件与凸模接触面间的润滑条件，用来测量成型极限图的双拉变形区(e1＞0，e2＞0)，若在试件和凹模之间放置适配的橡胶垫可以接近于等双拉应变状态，即e1＝e2。
(b)采用不同宽度的试件，用来测定成型极限图的拉压变形区(e1＞0，e2≤0)。
以表面应变e2为横坐标、表面应变e1为纵坐标建立表面应变坐标系，根据散点图采用合适的曲线连接即为成型极限图，如图2所示。
(3)输入材料的参数，应用有限元方法，计算封头的成型深度
将材料的性能参数(包括弹性模量、泊松比、真实应力-真实应变)输入有限元软件中计算，计算后根据封头表面的最大主应力和最小主应力，结合FLD成型极限图，或输入FLD损伤判据，得到此规格封头的最大成型深度为450mm。
通过成型极限图试验来获得的成型极限图过程中，绘制材料的成型极限图最少需要8组不同规格试件，每组试件至少3件。
实施例2：一种简单压力容器深拉成型封头成型工艺，其包括如下步骤：
(a)成型后按封头标准端面形状向内缩进一定尺寸作为间隙样板轮廓线，如图3所示，该图中示出了封头间隙样板1，检查时候应使样板垂直于待测表面，保证内表面的形状公差应满足：样板与封头内表面间的最大间隙，其中，外凸不大于1.25Di，内凹不大于0.625Di。
(b)等间距的截取试样，如图4所示，按照标准尺寸制作单向拉伸试件，进行单向拉伸试验，封头高度350mm以下断后延伸率大于14％，封头头高度350mm以下符合要求。
(c)等间距的截取试样，如图4所示，该图示出了取样位置P，按照标准尺寸制作冲击试件，试件表面的粗糙度Ra应该优于5μm，端部除外。在试件上规定的位置加工出缺口(V型或者U型)，试件缺口对称面偏离试验机两砧座件的中点不大于0.5mm，缺口背向打击面放置，利用摆锤一次性打击试件，试件断裂，测定试件吸收的能量。封头高度350mm以下吸收的能量均大于27J，认为封头高度350mm以下部分的韧性满足要求。
结论为在封头高度350mm处切割封头合格。
综上，本发明的封头进行深拉成型时，需要对金属薄板的基本性能提出要求，这些性能主要包括：强度性能、变形性能。深拉成型封头深拉深度主要通过FLD(Forming limitdiagram)成型极限图，引入FLD损伤判据，进行有限元计算得到深拉成型简单压力容器用材料在深拉成型时所能获得的最大深度。封头深拉成型后，为了保证容器具备安全的塑性余量，需要满足冲击试验和单向拉伸试验指标，截取适量的直边段满足容器对韧性的要求。深拉成型封头的材料选择为深拉成型简单压力容器用材料的深拉成型制造提供了方法。封头成型要求保证了深拉成型简单压力容器具有更好的力学性能，相比普通成型封头而言，具备足够的韧性要求。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)利用材料单向拉伸试验获取真实应力应变曲线；
(2)利用成型极限图试验绘制FLD成型极限图；
(3)通过输入材料的参数并应用有限元方法来计算不过规格简单压力容器的成型深度。
2.根据权利要求1所述的简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，其特征在于，步骤(1)中，按照试样要求将试验材料加工成板条形试样，启动试验机，输出名义应力-名义应变曲线：
Figure FDA0002417215560000011
式中，σtrue为真实应力；
εtrue为真实应变；
σnom为名义应力；
εnom为名义应变；
根据名义应力-名义应变与真实应力-真实应变关系绘制真实应力-真实应变曲线。
3.根据权利要求1所述的简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤：
(2.1)成型极限图试验：制作试件，选择适配的凸模，在试件的一侧表面印制网格圆，利用压力边紧拉深拉筋外的试验材料，试样在凸模的作用下形成凸包，当凸包某个局部才生缩颈或者破裂时，凸模停止移动，测量缩颈或者破裂区附近的网格圆长轴和短轴尺寸，由此计算材料允许的极限主应变量(e1，e2)；
(2.2)绘制FLD成型极限图
(a)改变试样与凸模接触面间的润滑条件，用来测量成型极限图的双拉变形区(e1＞0，e2＞0)，若在试样和凹模之间放置适配的橡胶垫可以接近于等双拉应变状态，即e1＝e2；
(b)采用不同宽度的试样，用来测定成型极限图的拉压变形区(e1＞0，e2≤0)；
以表面应变e2为横坐标、表面应变e1为纵坐标建立表面应变坐标系，根据散点图采用合适的曲线连接即为成型极限图。
4.根据权利要求3所述的简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，其特征在于，通过成型极限图试验来获得的成型极限图过程中，绘制材料的成型极限图最少需要8组不同规格试样，每组试样至少3件。
5.根据权利要求1所述的简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，其特征在于，步骤(3)中，将材料的性能参数输入有限元软件中计算，根据封头表面的最大主应力和最小主应力，结合FLD成型极限图，或输入FLD损伤判据，得到不同规格简单压力容器的最大成型深度。
6.根据权利要求5所述的简单压力容器深拉成型封头材料选择方法，其特征在于，所述材料的性能参数包括弹性模量、泊松比、真实应力-真实应变。
7.一种简单压力容器深拉成型封头成型工艺，其特征在于，该工艺通过沿着封头的直边段，等间距选取样本进行单向拉伸试验和冲击试验，该工艺包括如下步骤：
(a)成型后按封头标准端面形状向内缩进一定尺寸作为间隙样板轮廓线，检查时使样板垂直于待测表面，保证内表面的形状公差应满足：
样板与封头内表面间的最大间隙，其中，外凸不大于1.25Di，内凹不大于0.625Di；
(b)等间距的截取试样，进行单向拉伸试验，保证断后延伸率不小于14％；
(c)等间距的截取试样，按照标准尺寸制作冲击试件，在试样上规定的位置加工出缺口，试样缺口对称面偏离试验机两砧座件的中点不大于0.5mm，缺口背向打击面放置，利用摆锤一次性打击试样，试样断裂，测定试样吸收的能量，当吸收的能量大于27J则判定容器的韧性满足要求。
8.根据权利要求7所述的简单压力容器深拉成型封头成型工艺，其特征在于，步骤(c)中，试样表面的粗糙度Ra优于5μm。
9.根据权利要求7所述的简单压力容器深拉成型封头成型工艺，其特征在于，步骤(c)中，所述缺口的形状为V型或者U型。
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