（化工过程机械专业论文）球罐热塑性成形技术的实验研究和数值模拟.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h et h e r m o p l a s t i cf o r m i n g t e c h n o l o g yf o rm a l ( i n gs p h e r i c a lt a n k s at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r ( o rd o c t o r ) o fe 塾g i 塾壁曼 i 卫g b y w a n g y o n e - o i n t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r c h e n h a i - f e n g m 碣2 0 1 0 球罐热塑性成形技术的实验研究和数值模拟 摘要 球罐是现代石油化学工业及其能源工业的重要储存设备，特别是在气体 燃料的存储与供应中，处于举足轻重的位置。但是，目前的球罐制作工艺仍 然是沿用大型压力机模压成形或旋压成形，再经机械切割形成球瓣，最后拼 装焊接成球状。在此过程中，模压所使用的大型或重型设备对制造企业的投 资要求很高，机械切割造成钢板的利用率很低，球瓣拼装后所形成的焊缝是 空间曲线，导致对不同容积的球罐需要分别制作专用的自动焊接导向装置。 因此，形成了好多新的成形方法，如液压成形，爆炸成形等。哈工大的王仲 仁教授1 9 8 5 年提出了一种新的球形容器成形方法，即无模液压胀型技术，制 造出了许多装饰用球罐，也制造出了一些高压容器。 本文利用了一种新的球罐的成形方法，即热塑性成形的方法做出了实验 模型。其方法是先制成一个由多边形构成的球形内接多面体，对于实验室研 究等，在多面体下极板上预置空气接管，空气接管的另一端接排气阀和压力 表，再接空气压缩机，加温到塑性变形温度后保温，加压到指定压力进行成 形加工。用气体作为压力的载体对加热到热塑性变形温度的封闭多面体进行 加压，在高温作用下，钢材的性能发生很大的改变，塑性变形的强度变的很 低，这样我们就可以在一个比较低的压力下完成球罐壳体的热塑性成形。球 罐热塑性成形不需要大型冲压设备、直焊缝便于自动焊接设备的利用，焊缝 质量稳定，生产效率提高，劳动强度低，施工环境大为改善，制造成本降低， 壳体中应力分布比较均匀，质量更好。可使企业减少大型设备投资上千万元， 大型球罐的加工成本降低很多。 首先，本文对国内外球罐成形的技术进行了较全面地研究分析和总结， 首次在国内开展高温低压并通入气体的无模胀形技术成形方法的实验研究。 依据我们现有的环境和实验条件，并根据压力容器的设计规范，对热塑性 成形技术的球罐进行了结构设计和实验，做出y 3 2 面的足球式的球罐实体模 型。本文的实验模型采用的是边长相等的1 2 个正五边形和2 0 个正六边形平 板，将其焊接而成3 2 面足球式的多面壳体，然后将其放入箱式电阻炉加热到 9 0 0 时，使壳体保温l o 1 5 分钟后用压缩机充入气体，然后胀成了比较理想 的圆球。 其次，对所做的实体模型用压力容器行业指定的有限元分析软件 a n s y s 进行了数值模拟分析，考虑了材料的热物理性能和力学性能在高温 下的变化即材料和几何的非线性，模拟分析了在高温下成形的实体模型球罐 的应力变形及位移等；同时也建立了常温高压下通入液体成形的球罐的有限 元模型( 和本实验模型的尺寸及材料等都一样，只是成形的温度和压力及成 形方法不同) ，并对其进行了数值分析，并和热塑性成形的球罐进行了对比， 从而验证了热塑性成形方法的可行性，为球罐大型化制造提供了新的研究方 法。 关键词：球罐，热塑形成形，有限元，应力，位移 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h et h e r m o p l a s t i c f o r m i n gt e c h n o l o g yf o rm a n g s p h e 砒c a lt a n k s a b s t r a c t s p h e r i c a l t a n k s a r et h e i m p o r t a n ts t o r a g ee q u i p m e n t i nm o d e r n p e t r o c h e m i c a li n d u s t r ya n de n e r g yi n d u s t r y , e s p e c i a l l yi nc o p i n gw i t ht h es t o r a g e a n ds u p p l yo f g a sf u e l h o w e v e r , t h ep r e s e n tw o r k m a n s h i po ft h em a n u f a c t u r eo f s p h e r i c a lt a n k si st oc o n t i n u et of o l l o wt h em e t h o do fc o m p r e s s i o nm o l d i n go r s p i nf o r m i n gb ym e a n so fl a r g ep r e s s i n gm a c h i n e ，s p h e r i c a ls e c t o rf o r m i n g t h r o u g hm e c h a n i c a lc u t t i n g ，a s s e m b l a g eo ft h es p h e r i c a ls e c t o r s ，a n ds p h e r e f o r m i n gb yw e l d i n g d u r i n gt h ep r o c e s s ，l a r g eo rh e a v ye q u i p m e r i tu s e di n c o m p r e s s i o nm o l d i n gr e q u i r e sh i g hi n v e s t m e n tf o rt h em a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e s ， t h em e c h a n i c a lc u t t i n gt e n d st ol e a dt ot h el o wu t i l i z a t i o nr a t eo ft h es t e e lp l a t e ， s p a c ec u r v ew e l d e dj o i n tw i l lb ef o r m e da f t e rt h ea s s e m b l a g eo ft h es p h e r i c a l s e c t o r s ，w h i c hg i v e sr i s et ot h ep r o b l e mo fs p h e r i c a lt a n k so fd i f f e r e n tv o l u m e s n e e dd i f f e r e n ts p e c i a la u t o m a t i cw e l d i n ge q u i p m e n tf o rg u i d i n g t h e r e f o r e ，al o t o fn e wf o r m i n gm e t h o d sa p p e a r ，s u c ha sh y d r o f o r m i n g ，e x p l o s i v ef o r m i n g ，e t c i n19 8 5 ，p r o f e s s o rw a n gz h o n g r e nf r o mh a r b i ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y p r o p o s e dan e w m e t h o do fs p h e r i c a lt a n kf o r m i n g ，t h a ti s ，d i e l e s sh y d r o b u l g i n g t e c h n o l o g y ，b yw h i c h al o to fo r n a m e n t a ls p h e r i c a lt a n k sa n ds o m eh i g hp r e s s u r e v e s s e l sw e r em a n u f a c t u r e d i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o do fs p h e r i c a lt a n kf o r m i n gi si n t r o d u c e d ，t h a ti s ， t h e r m o p l a s t i cf o r m i n g ，u n d e rt h eg u i d a n c eo fw h i c ha ne x p e r i m e n t a lm o d e li s p r o d u c e d t h em e t h o di s ：ag l o b a li n s c r i b e dp o l y h e d r o nc o m p o s e do fp o l y g o n si s m a d ea tf i r s t t h e n ，w h e ni tc o m e st ol a b o r a t o r yr e s e a r c h ，a na i rr e c e i v e rp i p e s h o u l db ep r e s e ta tt h el o w e rp o l eb o a r do ft h ep o l y h e d r o n ，w i t ht h eo t h e re n do f t h ea i rr e c e i v e rp i p ec o n n e c t e dt oa na i re v a c u a t i o nv a l v ea n dap r e s s u r em e t e r a n da na i rc o m p r e s s o r w h e nt h ep o l y h e d r o ni sw a r m e dt ot h e p o i n to f t h e r m o p l a s t i cd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，i ts h o u l db ek e p ta tt h et e m p e r a t u r e a n d t h ep o l y h e d r o ns h o u l db ep r o c e s s e dw h e nt h ep r e s s u r ei si n c r e a s e dt ot h eg i v e n p o i n t a st h ep r e s s u r ec a r r i e r ，g a ss h o u l db eu s e dt oi n c r e a s et h ep r e s s u r ef o rt h e c l o s e dp o l y h e d r o nw h e ni sh e a t e dt ot h ep o i n to ft h e r m o p l a s t i cd e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e i n f l u e n c e db yh i g ht e m p e r a t u r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h es t e e lag r e a t d e a l ，w i t h t h e s t r e n g t h o fp l a s t i cd e f o r m a t i o n b e c o m i n gl o w e r h e n c e ， t h e r m o p l a s t i cf o r m i n go ft h es h e l lb o d yo ft h es p h e r i c a lt a n kw i l lb ef u l f i l l e di n t h ec o n d i t i o no far e l a t i v e l yl o w e rp r e s s u r e t h ea d v a n t a g e so ft h em e t h o da r e t h e r m o p l a s t i cf o r m i n go ft h es p h e r i c a lt a n kd o e sn o tn e e dl a r g es t a m p i n g e q u i p m e n t ；s t r a i g h tw e l d i n gl i n e sa r ec o n v e n i e n tf o rb e i n gu t i l i z e db ya u t o m a t i c w e l d i n ge q u i p m e n t ；t h eq u a l i t yo ft h ew e l d i n gl i n e si ss t a b l e ；t h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y i s i n c r e a s e d ；t h el a b o ri n t e n s i t y i s r e d u c e d ；t h ec o n s t r u c t i o n e n v i r o n m e n ti s g r e a t l yi m p r o v e d ；t h e c o s to fm a n u f a c t u r ei s l o w e r e d ；t h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s si nt h es h e l lb o d yi se v e n ，w h i c hs a f e g u a r d st h eg o o d q u a l i t y o ft h es h e l lb o d y i ft h em e t h o di su s e di np r a c t i c e ，t h ee n t e r p r i s e sm a ys a v e m o r et h a nt e nm i l l i o nr m b y u a ni nt h ei n v e s t m e n to fl a r g ee q u i p m e n t ，w h i c hi n t u r nm a ys u b s t a n t i a l l yl o w e rt h ec o s to ft h ep r o c e s s i n go fl a r g es p h e r i c a lt a n k s t o b e g i nw i t h ，d o m e s t i ca n df o r e i g nf o r m i n gt e c h n o l o g i e so fs p h e r i c a lt a n k s a r er e v i e w e dt h o r o u g h l ya n ds y s t e m a t i c a l l yi nt h ep a p e r t h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho ft h e f o r m i n gm e t h o do fd i e l e s sb u l g i n gb yf i l l i n gg a sa th i g h t e m p e r a t u r ea n dl o wp r e s s u r ew a sf i r s tl a u n c h e di nc h i n a i no u rc u r r e n t e n v i r o n m e n ta n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ep r e s s u r e v e s s e ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n s ，as p h e r i c a lt a n km a d eb yt h e r m o p l a s t i cf o r m i n g t e c h n o l o g yi sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t e d ，a n dar e a lm o d e lo faf o o t b a l ll i k e s p h e r i c a lt a n k 、i t h3 2s u r f a c es e c t o r sw a sf m a l l yp r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a l m o d e lu s e di nt h et h e s i si saf o o t b a l ll i k ep o l y h e d r o nw h i c hi sm a d eu po f12 p e n t a g o np l a t e sa n d2 0h e x a g o np l a t e st h r o u g hw e l d i n g t h e nt h ep o l y h e d r o ni s p u ti n t oab o x t y p er e s i s t a n c ef u r n a c e ，a n dt h e nh e a t e du pt o9 0 0 。c ，a tw h i c ht h e s h e l lb o d ys h o u l db ek e p tw a r mf o r10 - 15m i n u t e s t h e ng a si sg r a d u a l l yf i l l e d i n t ot h es h e l lb o d yb yp r e s s u r em a c h i n eu n t i lt h ep o l y h e d r o ni sb u l g e di n t oa r e l a t i v e l yr e a lg l o b a ls p h e r e f u r t h e r m o r e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h er e a lm o d e lw a sc a r r i e do u tb y m e a n so f a n s y s ，af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o l t a r ew h i c hi sd e s i g n a t e di nt h e i v i n d u s t r y o fp r e s s u r ev e s s e l s t h e c h a n g i n gc o n d i t i o n s ( i e g e o m e t r i c a l l y n o n l i n e a rc h a n g e s ) o ft h et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h em a t e r i a la th i g ht e m p e r a t u r ea r et a k e ni n t oa c c o u n t m e a n w h i l e ，af i n i t e e l e m e n tm o d e lo fas p h e r i c a lt a n km a d eb yh y d r o b u l g i n gt e c h n o l o g yt h r o u g h f i l l i n gl i q u i da tn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ew a sb u i l t ( t h es i z ea n d t h em a t e r i a lo ft h eh y d r o b u l g i n gm o d e la r es a m ea st h o s eo ft h em o d e li nt h e e x p e r i m e n tm e n t i o n e di n t h ep a p e r , w i t ht h eo n l yd i f f e r e n c ei nt h ef o r m i n g t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea n dt h ef o r m i n gm e t h o d ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h eh y d r o b u l g i n gm o d e li sa l s oc a r r i e do u t ，w h i c hi sc o m p a r e dw i t ht h a to ft h e t h e r m o p l a s t i cf o r m i n gs p h e r i c a lt a n k h e n c e ，t h ef e a s i b i l i t yo f t h et h e r m o p l a s t i c f o r m i n gm e t h o df o rm a k i n gs p h e r i c a lt a n k si sv a l i d a t e d k e y w o r d s ：s p h e r i c a lt a n k ，t h e r m o p l a s t i cf o r m i n g ，f i n i t ee l e m e n t ，s t r e s s ， d i s p l a c e m e n t v v i 目录 摘要i a b s t r a c t i i i f 了j 录i 1 绪论1 1 1 球罐的各种成形技术1 1 1 1 球罐的特点1 1 1 2 球罐的不同成形技术及其特点。2 1 2国内外球罐制造技术的现状和发展趋势4 1 2 2 我国球罐建造技术发展简史5 1 2 3 我国球罐成形技术与国际先进水平差距及发展趋势5 1 3 本文的主要研究内容7 2 应用热塑性成形技术的球罐的实验模型的设计过程9 2 1 球罐的设计9 2 1 1 球罐结构的确定9 2 1 2 球壳板的下料尺寸及坡口的设计l0 2 2 球壳板尺寸及壁厚的确定1 1 2 2 1 球壳板边长尺寸1 1 2 2 2 球壳板的厚度1 2 2 3 球罐的选材。1 2 2 3 1 球罐选材的基本原则1 2 2 - 3 - 2 国内球罐所用材料一1 4 2 3 3 本实验模型的球壳材料的选定1 4 2 3 4 接管选定和快接卡套选定一1 6 2 4 球罐成形压力16 2 5 球罐的焊接及其焊接后的模型图片1 7 2 5 1 焊接应注意的问题1 7 2 5 2 焊接完成后的照片1 7 3 实验方法及数据。1 9 3 1 实验所需装置1 9 3 2 实验步骤及注意事项2 0 3 2 1 实验步骤2 0 3 2 1 实验应注意的事项2 l 3 3 实验数据分析2 1 3 3 1 第一次充压后数据记录2 2 3 3 2 第二次充压后数据记录2 2 4 热塑性成形球罐的有限元理论基础2 5 4 1 有限元分析的理论基础2 5 4 1 1 有限元分析的一般步骤2 5 4 1 2 轴对称问题的有限元法2 5 4 2 热塑性成形球罐的力学模型2 9 4 2 1 金属塑性成形的力学基础2 9 4 2 2 屈服准则。31 4 2 3 塑性变形时的应力应变关系31 4 3 本章小结。3 2 5 热塑性成形球罐的有限元分析3 3 5 1a n s y s 软件简介及其主要功能3 3 5 2 热塑性成形球罐的有限元分析3 3 5 2 1 有限元模型的建模。3 3 5 2 2 网格的划分3 4 5 2 3 边界条件3 5 5 2 4 球罐高温下的力学性能3 5 5 3 有限元分析结果3 7 5 3 1 变形分析结果3 7 5 3 2 应力分析结果。4 0 5 4 常温下成形的球罐模型的有限元分析及结果4 2 5 4 1 有限元模型的建模、网格划分及边界条件4 2 5 4 2 有限元分析结果4 3 5 5 两种工况有限元分析的结果的分析。4 9 5 5 1 高温实验结果与理论值结果的分析一4 9 5 5 2 常温实验结果与理论值结果的分析5 2 5 5 3 结论5 5 6 结论5 7 6 1 全文的总结5 7 6 2 对未来研究的展望5 8 致谢一5 9 参考文献6 1 期间发表的学术论文目录6 5 明及关于学位论文使用授权的声明6 7 球罐热塑性成形技术的实验研究和数值分析 1 绪论 1 1 球罐的各种成形技术 1 1 1 球罐的特点 随着我国石油、化工、轻纺、冶金及城市燃气工业的发展，作为储存容器的球罐， 得到了广泛的应用和迅速的发展。最近二十年，球罐已被广泛用于石油、化工、城建、 冶金、船舶、航空航天和核工业等各个工业领域。它与同容量的其它储罐相比，具有受 力均匀、比表面积小、板厚小、消耗钢材小、重量轻、制造方便、施工周期短、占地面 积小、维修方便等优点。 球罐是用于储存和运输各种工业用气体、液化气体、液体及固体的压力容器。各种 球罐已广泛应用于石油、化工、石油化工、冶金、机械、轻工、电力、航天、核能、城 建等工业部门，如：石油工业储存各种油品、液态烃、l p g 、l n g 等；化学工业储存各 种化学介质及产品、液氨；石油化工储存液态烃、液态乙烯、液态丙烯及各种石油化工 介质；冶金工业储存高压氧气、氮气、氢气；城市建设储存城市煤气、天然气等；能源 工业用于核电站的压力壳及安全壳等。 一一乒1 一一。3 2 ? ：l7 热 h lxr1 1 - 小d嘏” n 耀姒彤彩 鬈 ， 嚣糙敞心 图1 1 球罐 f i g 1 1s p h e r i c a lt a n k 卜项部操作平台2 一上部极带板3 - _ k 温带板4 一赤道带5 一下部温带板6 一下部极带板7 一支柱8 一 拉杆9 - 盘梯l o - 中间休g o 1 - t o po p e r a t i n gp l a t f o r m2 u p p e rp o l a rz o n eb o a r d3 - u p p e rt e m p e r a t ez o n eb o a r d4 - e q u a t o r i a lz o n e 5 - l o w e rt e m p e r a t ez o n eb o a r d6 - l o w e rp o l a rz o n eb o a r d7 p i l l a r8 - p u l l i n gr o d9 - w i n d i n gs t a i r c a s e 10 - m i d d l er e s tl e d g e 储存容器一般有圆筒形和球形两种，球形储罐一般由球壳板、支柱、拉杆、人孔、 接管、梯子、平台等部件组成( 见图1 1 ) 。球罐与常用的圆筒形容器相比有如下优点：( 1 ) 陕西科技大学硕十学位论文 球罐的表面积小，即在相同容量下球罐所需要的钢材面积最小。( 2 ) 球罐壳板承载能力 比圆筒形容器大一倍，即在相同直径、相同压力下，采用同样钢板时，球罐板厚只需要 圆筒形容器板厚的一半。( 3 ) 球罐占地面积小，且可向空间高度发展，有利于地表面积 的利用。由于这些特点，再加上球罐基础简单，受风面小，外观漂亮，可用于美化工 程环境等原因，使球罐的应用得到了很大发展。 1 1 2 球罐的不同成形技术及其特点 a 冲压成形 该技术采用冲床和模具来生产所需的形状。冲床既可以是机械传动的，也可以是液 压传动的，但是深冲时最好还是用液压传动的，因为在冲程全长上液压冲床都能提供满 载压力。绝大多数传统技术可用于不锈钢的冲压成形，但不要忘记，冲压不锈钢所需的 力要比冲压低碳钢所需的力大6 0 t 4 , 2 5 。显然，冲床的机架应能承受这么大的力才行。而 且，解决划伤也很关键，特别是冲压不锈钢时的高摩擦力和高温所造成的划伤。如果使 用含有特高压( e p ) 添加剂的油，应在冲压成形以后把这种添加剂除掉，因为这种添加 剂会造成腐蚀。由于模具加工成本高，所以，只有进行大批量生产时才采用这种技术。 ( 1 ) 冷压成形 冷压成形就是钢板在常温状态下，经冲压变形成为球面球壳板的过程。冷压成形采 用点压法，其特点是小模具、多压点，钢板不必加热、成形美观、精度高、无氧化皮。 冲压设备多采用8 0 0 - - , 2 5 0 0 t 的压力机。冷压成形特别适用于热处理状态使用的并以使用 状态供货的钢板，对0 7 m n c r m o v r 和0 7 m n c r m o v d r 等调质状态供货的钢板应采用冷压成形。 ( 2 ) 温压成形 温压成形是指将钢板加热到低于临界点的某一温度时压制成形，主要决绝工厂压力 机能力不足，以及防止某些材料低应力脆性破坏。温压介于冷压与热压之间，与热压相 比，温压具有加热时间短、氧化皮少等优点，与冷压相比，则无脆性破坏的危害。温压 成形的温度要仔细选择，确保以后在加工过程中的热处理与成形温度的效果，不使材料 的力学性能降至最低要求之下。 ( 3 ) 热压成形 热压成形一般是将钢板加热到塑性变形温度，然后用模具一次冲压成形，因此需要 模具尺寸大，加热炉必须能一次加热若干块钢板，以保证连续冲压。热压成形要求比冷 压成形低一些，不需要正火钢板，冲压成形容易，模具强度可以低一些，但耐热性能要 好幅1 。 b 滚压成形 滚压法成形球壳板长度不受限制，用辊压机成形。辊压机由四个从动上辊和五个主 动下辊组成。上辊两端细中间粗，下辊两端粗中间细，以形成球形曲面。 2 球罐热塑性成形技术的实验研究和数值分析 对于以上的制造工艺，存在着许多难以克服的缺点，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 下料工序复杂，因为球罐的毛坯展开尺寸很难精确计算，而且由于弹性形变， 成形后的精度难以控制。( 2 ) 用于冲压加工球瓣的模具费用昂贵。( 3 ) 在整体焊接装 配过程中对冲压件尺寸精度要求很高，一般的冲压加工难以满足，并且会在装配中产生 装配应力。( 4 ) 由于焊缝的冷却收缩，导致球体的几何变形。采用一般方法无法进行校 正。( 5 ) 由于坡口间隙大，器壁约束强，从而会产生较大的残余应力。为减少残余应力 需要专门的后续处理。 c 液压成形 液压成形是最近几年来得到很大发展的一种新型加工技术。与一般的加工技术相比， 液压成形技术不仅能成形复杂零件，提高零件质量，还能减少成形工序，降低加工成本， 特别适合于小批量零件的加工生产。按照加工对象的不同，液压成形技术可以分为管材 液压成形、液压胀球以及板材液压成形【6 。无模液压胀形技术是哈尔滨工业大学王仲仁 教授的首创，1 9 8 5 年获得国家发明专利，曾先后获得省科技进步一等奖及国家发明奖， 同时在第1 8 届北美加工研究会上，液压胀球被列为五项新成果之首【。，0 1 。液压胀球的基本 原理是用单曲率壳体或板料，经过焊接后组装成一个封闭的多面壳体或单曲率壳体，在 壳体中充入传压介质，使之发生塑性变形并逐步胀形成为球形容器m 1 3 】。理论依据：一是 力学上的趋球原理，即曲率半径不同的壳体在趋球弯矩的作用下将逐渐趋于一致；二是 金属材料存在塑性变形的自动调节能力，当某一区域的变形过为集中，则该区域将发生 变形强化，塑性变形将转移至它处。液压胀形与传统的制球工艺相比最大特点是不用模 具，其主要流程是精下料切坡口( 有时用卷板机弯卷) 、组装、焊接、冲液打压胀形， 即该工艺的主要工序为：下料一弯卷一组装焊接一液压胀形i 汕1 4 - 1 5 1 。 液压胀球成形时有两个关键点：一是传压介质的加，二是焊接的质量。传压介质的加 载包括液压泵的流量、加载速度以及保压时间。一般来说，在成形初期可使用大流量和 大的加载速度，但在成形末期，必须降低流量和加载速度。同时在成形过程中，当压力 达到适当的值时，还须保持一段时间，以利于球壳成形。焊接质量也决定着成形的成功 与否。焊接质量不好，会造成成形过程中焊接处开裂。因此在成形前需对焊接处进行表 面探伤，一旦发现焊接处有裂纹，需及时修7 1 , t , 。- 鲥9 i 。 d 爆炸成形 爆炸成形也属于无模成形工艺，爆炸成形的基本原理为：爆炸成形时，爆炸物质的 化学能在极短时间内转化为周围介质( 空气或水) 中的高压冲击波，并以脉冲波的形式作 用于坯料，使其产生塑性变形并以一定速度贴模，完成成形过程。冲击波对坯料的作用 时间为微秒级，仅占坯料变形时间的一小部分。这种高速变形条件，使爆炸成形的变形 机理及过程与常规冲压加工有着根本性的差别。其主要特点是：无需使用冲压设备，生 3 陕西科技大学硕十学位论文 产条件简化，节省模具材料，降低成本，缩短周期短。但爆炸成形过程极其不稳定，它 们的安全性较差 2 0 - 2 a 。 1 9 8 6 年北京通州高能加工技术应用研究所采用无模爆炸成形技术，将预制的球内接 多节锥台壳体中充水，在球心处引爆炸药，将多锥壳体胀成球本，为中小型球罐的制造 开辟了一条简便易行、高效节能新途径。 e 热塑性成形 一种大型球罐的热塑性成形方法：是先制成一个由多边形构成的锥台式球形内接多 面体，然后对于工业生产：在多面体下极板上预置加热用燃料及空气接管、燃烧喷嘴， 在上极板配置排气阀，在多面体的壳体上配置温度传感器、内压传感器，设置柔性保温 材料，在多面体下方设置绝热材料和环状柔性气囊；柔性气囊充气后将多面体抬起，燃 烧喷嘴对多面体的壳体加热至热塑性变形温度后保温，排气阀调节壳内压力并实现胀压 成形。对于实验室研究等，在多面体下极板上预置空气接管，空气接管的另一端接排 气阀和压力表，再接空气压缩机，加温到塑性变形温度后保温，加压到指定压力进行成 形加工。本成形方法的有益效果是，大型球罐制造工艺简化，不需要大型冲压设备、直 焊缝便于自动焊接设备的利用，生产效率提高，成本降低，壳体中应力分布比较均匀， 质量较好1 2 4 1 。 1 2国内外球罐制造技术的现状和发展趋势 1 2 1 国外球罐建造技术发展简史 2 0 世纪3 0 年代，世界上只有很少几个国家能进行球罐的制造，如美国在1 9 1 0 年、德 国在1 9 3 0 年分别建造了有限的几台铆接结构的小型低压球罐。由于铆接结构不仅费工而 且费料( 以一般的铆接结构来考虑，搭接部分的材料重量约占球壳总重量的1 3 - - , 1 7 ， 总的铆钉量约为球壳总重量的4 6 ，即2 0 以上的材料是白白浪费了) ，且球罐密闭 程度差，制造相对困难，给球罐的发展带来巨大的阻力【明。 4 0 年代初，随着焊接技术的慢慢成熟，以及适合焊接的新钢种的不断开发，球罐的 制造由铆接改为焊接，由此技术上得到了很大发展。如美国在1 9 4 1 年、前苏联在1 9 4 4 年、 日本于1 9 5 5 年、前西德于1 9 5 8 年分别制造了一批压力较高、容量较大的焊接球罐【2 5 】。 6 0 年代至今，是球罐制造水平的高速发展期。以日本为例，6 0 年代前单个液化气球 罐的容积均在2 0 0 0 m 3 以下，而目前已具备生产单个容积在2 0 0 0 0 m 3 以上液化气球罐的能 力。同时，西德已有生产容积为4 3 3 0 0 m 3 以上球罐的能力，同时美国还建造了一台容量 3 4 0 0 m 3 、设计温度为2 5 0 。c 的超低温液氢球罐 a s - 3 1 。此外许多工业先进国家还进行了双重 壳低温球罐、深冷球罐及运输液化天然气的深冷大型船用球罐的试验研究，并已投入批 量生产。 4 球罐热塑性成形技术的实验研究和数值分析 1 2 2 我国球罐建造技术发展简史 我国制造球罐始于6 0 年代初。1 9 5 8 年建成的中国第一台工业用球罐是由中国科学院 力学研究所设计及使用、北京金属结构厂制造的，其几何容量为6 0 0 m 3 、内径1 0 5 0 0 m m 、 工作压力0 8m p a ，选用厚2 5r a i n 的a 3 f 钢板制成，用于储存压缩空气。该球罐至1 9 8 0 年 开罐检查后才停止使用1 3 2 。1 9 7 2 年中国自行设计、制作的7 台1 0 0 0 m 3 液化石油气球罐在岳 阳石化厂建成1 3 3 i 。该