CN103406724B - 一种增强耐压结构承载能力的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海工和采油装备技术领域，特别涉及一种增强耐压结构承载能力的工艺方法。技术方案是：制作球壳；钻孔连接，贴应变片，使球壳与增压泵、数据采集系统相连；逐级加压并保压，进入全塑性后，各观测点应变变化速率小于0.01s-1，球壳自动趋球；继续逐级加压至各点应变达到0.02以上，停止加压，保压；逐级卸载处理后，定向均布残余应力形成。本发明进一步提高了承载能力，降低各种初始缺陷的影响，进而降低了工艺难度。由于本发明是通过应力处理达到提高承载极限的目的，因此可在不增加结构重量的前提下提高其承载能力，对于涉海结构可大大提高其浮力储备，对深海潜器意义尤为突出。
Description
技术领域
本发明涉及一种海工和采油装备技术领域，特别涉及一种增强耐压结构承载能力的工艺方法。
背景技术
目前球壳结构是最理想的耐压结构形式。对于水下或地下的巨大压力，球壳结构是破坏模式最少，能够有效平衡强度与稳定性失效问题，进而获得最大的极限承载能力的结构形式。因此，球壳是海工和采油装备的重要结构形式。
在当前的耐压球壳制造工艺中，一般通过铸造、焊接或机械加工等方式成形。而加工过程引入的残余应力，通过振动、超声或热处理等方式进行释放。虽然减小了初始应力对耐压球壳极限承载能力的影响，但仍存在问题：
其一，成形过程中会引入几何初始缺陷，尤其是球壳的不圆度，破坏了球形结构自身稳定性，降低了耐压球壳极限承载能力。
其二，成形过程中会引入非均布残余应力，同样破坏了球形结构自身稳定性，降低了耐压球壳极限承载能力。
其三，随着水深的增加，耐压球壳厚度直径比（厚径比）需不断增大，导致自重不断增大，浮力储备逐渐降低。因此对于特定材料当其浮力储备降为0时，即失去做耐压结构的实际意义。就工程材料而言，钛合金是目前屈强比最优的金属。因此，当前工艺无法从结构形式和材料属性上增强耐压球壳的极限承载能力。
与耐压球壳相近的压力容器领域，自增强可以通过施加预应力，使之与工作内压引起的应力叠加，使应力较大的内壁应力降低，应力较小的外壁应力有所增加，从而使容器壁中应力趋于均匀，由此可提高压力容器的承载能力。但自增强技术有其自身的限制性而不能应用于耐压球壳结构中，总结如下：
其一，自增强技术原理就是通过一定的内部压力使部分壁厚进入塑性阶段，其他部分保持弹性阶段，卸载后形成内层受压外层受拉的应力分布。该技术产生的应力分布与耐压球壳工作压力引起的应力分布叠加后，不仅不能相互抵消，反而同向增大，降低了结构的极限承载能力。
其二，自增强技术应用对象为厚壁结构，且其厚度直径比一般大于1/10，远超出了耐压球壳的该参数（1/50~1/20）。
其三，自增强技术应用对象主要为柱壳结构，如炮筒、石油套管和筒形压力容器等，其工艺对象为形状简单的单曲率结构，而耐压球壳为三维双曲率结构。
其四，自增强技术应用于承受内压的结构，如炮筒、石油套管和压力容器都承受内压载荷。专利CN101655829A提出了“一种外压自增强圆筒及其设计计算与制造方法”，虽然其应用对象为外压容器，但其预紧力的施加也同样靠外压。外压使结构内部受到压缩，在进入塑性变形之前，会受到屈曲的影响使结构失稳破坏。
基于上述原因，将预紧力的思想应用于耐压球壳结构，同时通过将变形发展至全塑性状态利用内压作用下的趋球原理，消除非均匀残余应力分布和几何不圆度缺陷，进而提升其极限承载能力就是本发明的原动力。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种增强耐压结构承载能力的工艺方法。
其技术方案是包括以下步骤实现：
步骤一：板材准备，然后通过焊接或机械加工工艺制造耐压球壳；
步骤二：在球壳对称位置上开两个螺纹孔，并安装上高压螺纹双通接头和下高压螺纹双通接头；
步骤三：以球心为圆心，在球壳外表面划线，所组成的圆形垂直于螺纹孔中轴线；在划线处贴4~8组应变片并使其均匀分布在圆周上，每组应变片分别由切向及垂直于切向的两个应变片组成，应变片接线后通过数据连接线与数据采集系统连接，其作用为确定球壳表面所处弹塑性状态；
步骤四：通过高压管将上高压螺纹双通接头与压力泵相连接，启动压力泵向耐压球壳内部注满液体介质，注满液体后，停止压力泵工作，并将高压螺纹接头接压力表密封；
步骤五：继续启动压力泵向耐压球壳内部逐级加压，加压过程要缓慢，每级加压后进行适当保压，保压时间不少于5分钟；当通过数据采集系统显示各观测点进入塑性后，继续加压直至球壳自动趋球，停止加压进入保压，保压时间为10-30分钟，释放制球过程中引入的非均布残余应力；本发明中保压是指停止加压后，压力表在一定时间内显示无变化；
步骤六：继续启动压力泵逐级加压，每级加压幅度要小于前序步骤，使球壳整体进入后继屈服变形，直至各观测点的应变达到0.02以上，停止加压并进行保压，保压时间为5-30分钟；
步骤七：卸载，直至结构内外气压平衡，形成周向均匀径向内拉外压的定向应力状态；
步骤八：通过数据采集系统显示定向应力数值，作为后续压力试验的标定值；
步骤九：撤掉所有应变片；
步骤十：打开上高压螺纹双通接头和下高压螺纹双通接头，释放球壳内部液体。
优选的，上述的步骤五中，当通过数据采集系统显示各观测点进入塑性后，继续加压直至球壳各点应变速率最大差值小于0.01s-1，球壳自动趋球。
优选的，上述的步骤六中，球壳各点应变达到0.02~0.3。
优选的，上述的球壳板材的厚度要求是厚径比大于1/50以上。
上述的球壳的材料采用铝合金、不锈钢、高强钢或钛合金。
优选的，上述的步骤四中液体介质可选水、乳化液或耐压油。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
其一，通过内压使耐压球壳进入全塑性，卸载后形成的定向应力。定向应力与工作应力叠加后使壁厚方向应力分布均匀，提高球壳极限承载能力；
其二，定向应力使耐压球壳内表面受拉，外表面受压。外表面受压状态能有效抑制腐蚀与裂纹扩展，使承载极限提高5%-15%。
其三，内压作用下，球壳自动趋圆，提高了球体的几何精度，消除了初始几何缺陷，使承载极限提高5%-30%；
其四，球壳进入全塑性后，制球过程中引入的残余应力会被完全释放，消除了初始应力缺陷，球壳承载极限进一步提高；
其五，由于本发明是通过应力处理达到提高承载极限的目的，因此可在不增加结构重量的前提下提高其承载能力，对于涉海结构可大大提高其浮力储备，对深海潜器意义尤为突出；
其六，本发明对初始缺陷具有自动修复技术，因此采用该技术后，对制球的工序的加工精度要求较低，大大降低了制球的工艺难度；
其七，通过数据采集系统实时监控过程，可实现定向应力的准确定量控制；
其八，通过内压形成定向应力，只需通过压力泵向球壳内部充填液体介质即可，工装简单；工艺过程便于实施，不受场地、设备吨位及环境的限制，因此成本极低；
其九，本发明是在常规工艺的基础上对耐压球壳进行处理，可以直接对已投入使用的现有设备进行改造，提高其使用性能。
附图说明
图1为本发明的基本原理图；
图2为本发明系统流程示意图；
上图中：a为未处理耐压球壳受外压载荷后壁厚方向应力分布，b为经过处理未受载荷时定向应力分布，c为本工艺处理后的耐压球壳受外压载荷后壁厚方向应力分布；
耐压球壳1、上高压螺纹双通接头2、下高压螺纹双通接头3、应变片4、数据连接线5、数据采集系统6、高压管7、压力泵8、压力表9。
具体实施方式
结合附图2，对本发明作进一步的描述：
步骤一：板材准备，然后通过焊接或机械加工等常规工艺制造耐压球壳1，上述与现有技术相同，此不赘述；
步骤二：在球壳1对称位置上开两个直径约2毫米的螺纹孔，并安装上高压螺纹双通接头2、下高压螺纹双通接头3；
步骤三：以球心为圆心，在球壳外表面划线，所组成的圆形垂直于螺纹孔中轴线。在划线处贴4~8组应变片4并使其均匀分布在圆周上，每组应变片分别由切向及垂直于切向的两个应变片组成。应变片接线后通过数据连接线5与数据采集系统6连接，其作用为确定球壳1表面所处弹塑性状态。上述应变片贴法及接线方法与现有技术相同，不再赘述；
步骤四：通过高压管7将高压螺纹接头2与压力泵8相连接，启动压力泵8向耐压球壳1内部注满液体介质，一般选择水即可。注满水后，停止压力泵8工作，并将高压螺纹接头3接压力表9密封；
步骤五：继续启动压力泵8向耐压球壳1内部逐级加压，加压过程要缓慢，每级加压后进行适当保压，保压时间不少于5分钟。当通过数据采集系统6显示各观测点进入塑性后，继续加压直至各观测点应变速率最大差值小于0.01s-1，球壳1自动趋球，停止加压进入保压，保压时间为10-30分钟，释放制球过程中引入的非均布残余应力。本发明中保压是指停止加压后，压力表9在一定时间内显示无变化；
步骤六：继续启动压力泵8逐级加压，每级加压幅度要小于前序步骤，使球壳1整体进入后继屈服变形，直至各观测点的应变达到0.02以上，停止加压并进行保压，保压时间为5-30分钟。最终应变可以根据材料特性和球壳尺寸等相关数据并结合实际需求在0.02~0.3内选取；
步骤七：卸载，直至结构内外气压平衡，形成周向均匀径向内拉外压的定向应力状态；
步骤八：通过数据采集系统6显示定向应力数值，作为后续压力试验的标定值；
步骤九：撤掉所有应变片；
步骤十：打开上高压螺纹双通接头2和下高压螺纹双通接头3，释放球壳内1部液体；
本发明的板材厚度需保证球壳厚径比大于1/50以上。
球壳材料为铝合金、不锈钢、高强钢或钛合金。
液体介质为水、乳化液或耐压油。
本发明通过内压使耐压球壳进入全塑性，卸载后形成的定向应力。定向应力与工作应力叠加后使壁厚方向应力分布均匀，提高球壳极限承载能力，其工作原理如图1所示；a为未处理耐压球壳受外压载荷后壁厚方向应力分布，b为经过处理未受载荷时定向应力分布，c为本工艺处理后的耐压球壳受外压载荷后壁厚方向应力分布。
Claims (6)
1.一种增强耐压结构承载能力的工艺方法，其特征是包括以下步骤实现：
步骤一：板材准备，然后通过焊接或机械加工工艺制造耐压球壳（1）；
步骤二：在球壳（1）对称位置上开两个螺纹孔，并安装上高压螺纹双通接头（2）和下高压螺纹双通接头（3）；
步骤三：以球心为圆心，在球壳外表面划线，所组成的圆形垂直于螺纹孔中轴线；在划线处贴4~8组应变片（4）并使其均匀分布在圆周上，每组应变片分别由切向及垂直于切向的两个应变片组成，应变片接线后通过数据连接线（5）与数据采集系统（6）连接，其作用为确定球壳（1）表面所处弹塑性状态；
步骤四：通过高压管（7）将上高压螺纹双通接头（2）与压力泵（8）相连接，启动压力泵（8）向耐压球壳（1）内部注满液体介质，注满液体后，停止压力泵（8）工作，并将高压螺纹接头（3）接压力表（9）密封；
步骤五：继续启动压力泵（8）向耐压球壳（1）内部逐级加压，加压过程要缓慢，每级加压后进行适当保压，保压时间不少于5分钟；当通过数据采集系统（6）显示各观测点进入塑性后，继续加压直至球壳（1）自动趋球，停止加压进入保压，保压时间为10-30分钟，释放制球过程中引入的非均布残余应力；本发明中保压是指停止加压后，压力表（9）在一定时间内显示无变化；
步骤六：继续启动压力泵（8）逐级加压，每级加压幅度要小于前序步骤，使球壳（1）整体进入后继屈服变形，直至各观测点的应变达到0.02以上，停止加压并进行保压，保压时间为5-30分钟；
步骤七：卸载，直至结构内外气压平衡，形成周向均匀径向内拉外压的定向应力状态；
步骤八：通过数据采集系统（6）显示定向应力数值，作为后续压力试验的标定值；
步骤九：撤掉所有应变片；
步骤十：打开上高压螺纹双通接头（2）和下高压螺纹双通接头（3），释放球壳（1）内部液体。
2.根据权利要求1所述的增强耐压结构承载能力的工艺方法，其特征在于：所述的步骤五中，当通过数据采集系统（6）显示各观测点进入塑性后，继续加压直至球壳（1）各点应变速率最大差值小于0.01s-1，球壳（1）自动趋球。
3.根据权利要求1所述的增强耐压结构承载能力的工艺方法，其特征在于：所述的步骤六中，球壳（1）各点应变达到0.02~0.3。
4.根据权利要求1所述的增强耐压结构承载能力的工艺方法，其特征在于：所述的球壳（1）板材的厚度要求是厚径比大于1/50以上。
5.根据权利要求1所述的增强耐压结构承载能力的工艺方法，其特征在于：所述的球壳（1）的材料采用铝合金、不锈钢、高强钢或钛合金。
6.根据权利要求1所述的增强耐压结构承载能力的工艺方法，其特征在于：所述的步骤四中液体介质可选水、乳化液或耐压油。
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