專利名稱：整體壓力脹形制造球形容器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及球形容器制造方法，特別是涉及一種整體壓力脹形制造球形容器的方法。
背景技術(shù)：
對于壓力容器制作成球形結(jié)構(gòu)，在理論上有兩個明顯的優(yōu)點(diǎn)其一，在相同的內(nèi)壓力作用下，直徑和板厚相同的球瓣膜應(yīng)力僅為園柱形容器的周向膜應(yīng)力的一半；其二，在板材面積相同的情況下，球罐的容積大于一般其它形體的容積。
目前球形容器制造方法主要有如下幾種方法。
1.采用先成形球型(或其他形狀)的瓣片后，再組焊成容器。主要采用熱壓法或冷壓成形法將板料壓制成球型(或其他形狀)的瓣片及封頭，然后將它們依次組裝焊接或用包扎機(jī)包扎成相應(yīng)的容器。
熱壓法或冷壓成形法需要大型壓力機(jī)和昂貴的成套模具，熱壓法還需要對毛坯進(jìn)行加熱，勞動強(qiáng)度大，需要相應(yīng)的加熱設(shè)備，熱壓法壓制后的球型(或其他形狀)的殼板表面質(zhì)量差，減薄量大；冷壓成形法需要的壓力機(jī)噸位大，壓制后的殼板回彈量高，難以控制。另外，壓制成形要求下料精度高，壓制后的殼板精度要高，否則難以保證組裝精度。焊接后的殘余應(yīng)力大，生產(chǎn)周期長，造價高。
2.采用整體液壓成形法，將板材坯預(yù)先焊接成一個封閉平板多面殼體，該殼體的各個面不需要預(yù)先壓制成球瓣狀，然后用液體充滿內(nèi)腔，用泵加壓使殼體產(chǎn)生塑性變形形成一個球形容器。具體的實(shí)現(xiàn)過程可參見中國專利CN 85106571B。對于同類的雙層球形容器的制造方法，可參見專利91102339。
此方法需要專門的加壓的水液壓設(shè)備，難以加工非對稱容器。
3.采用爆炸脹形制作球形容器的方法，將金屬板材先加工為一定形狀后拼焊為臺形容器，內(nèi)置炸藥后封口，同時灌滿液體，利用炸藥爆炸的能量和液體傳遞壓力使得金屬板膨脹成形。可參見中國專利87105773.5-2。
此法要求炸藥量控制精確，金屬板材預(yù)加工的形狀設(shè)計要求高，不同材料、不同厚度的炸藥量不同，需先驗數(shù)據(jù)。
本發(fā)明提出了不同于以上球形容器制造方法的整體壓力脹形制造球形容器的新方法，此方法可以精確地生成內(nèi)部高壓，并且沒有噪音和污染，沒有了前端的壓力脈動，壓力生成穩(wěn)定、持久、可控，成形過程中也無需模具，操作方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出的整體壓力脹形制造球形的容器的方法不同于現(xiàn)有方法，不需要壓力機(jī)、模具等復(fù)雜設(shè)備，也不需要液壓加壓設(shè)備，可以整體脹形出球形容器，或其它復(fù)雜形狀容器。
本發(fā)明提出了不同于以前球形容器制造方法的整體壓力脹形制造球形容器的新方法，是利用相變物質(zhì)產(chǎn)生相變過程后的相變生成物體積增大，而擠壓相變物質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)部的壓力和超高壓，內(nèi)部壓力增大使得焊接的殼板膨脹變形。
本發(fā)明的整體壓力脹形制造球形容器的新方法，是通過相變控制裝置來控制相變的進(jìn)行和終止，進(jìn)而控制內(nèi)部壓力和膨脹成形的過程，且相變物質(zhì)發(fā)生相變時，裝盛該相變物質(zhì)的容器內(nèi)部是密閉空間。
本發(fā)明中的相變物質(zhì)，常溫常壓狀態(tài)下是一般是液體(液相的)，溫度或壓力(或其他外部條件)變化后，該物質(zhì)將發(fā)生相變，從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵蚱渌愋偷南?。相變過程中，新生成的相的物質(zhì)，本文稱為相變生成物。反過來，將相變生成物轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉淼南嘧兾镔|(zhì)的過程稱為反轉(zhuǎn)變。
相變過程中，物質(zhì)從一種相(例如液相)轉(zhuǎn)變到另一種相(例如固相)，物質(zhì)內(nèi)部結(jié)合的鍵發(fā)生變化，物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，宏觀上表現(xiàn)為物質(zhì)的體積發(fā)生變化，擁有這一相變后體積發(fā)生變化的性能的物質(zhì)才能在本發(fā)明中作為相變物質(zhì)。
本發(fā)明的相變物質(zhì)，可以是單質(zhì)，也可以是化合物或多種物質(zhì)的混合物，只要能夠產(chǎn)生相變時的體積變化即可，正常狀態(tài)下為液體。有時需要在相變物質(zhì)中添加其他物質(zhì)來改變或改善相變條件，便于對相變過程的控制。
本發(fā)明的容器是依據(jù)設(shè)計計算結(jié)果將板材切割成所需形狀的塊狀，再拼焊在一起構(gòu)成內(nèi)部空間密閉的殼體，再外接一個連接管道和一個可以啟、閉的控制閥門，使得內(nèi)部空間在需要時能夠和外界導(dǎo)通或關(guān)閉，容器在相變物質(zhì)發(fā)生相變時其內(nèi)部要是一個密閉的空間。
容器內(nèi)的相變物質(zhì)發(fā)生相變后，相變生成物的體積和原來的(相變前)狀態(tài)下的相變物質(zhì)的體積相比是有變化的，當(dāng)相變生成物的體積比原來的(相變前)狀態(tài)下的相變物質(zhì)的體積增大時，容器內(nèi)的相變物質(zhì)受擠壓產(chǎn)生壓力。當(dāng)容器內(nèi)的物質(zhì)受擠壓產(chǎn)生壓力時，此壓力通過容器內(nèi)的(流體)物質(zhì)傳遞給容器的內(nèi)壁，此時，容器壁會有一定量的變形，當(dāng)容器的變形在設(shè)計的一定范圍內(nèi)，同時物質(zhì)相變?nèi)匀荒軌蚶^續(xù)進(jìn)行，相變生成物的體積不斷增大，容器內(nèi)的壓力就會繼續(xù)增加，容器的塑性變形也會繼續(xù)增大，直到容器膨脹為球體為止。當(dāng)然，整個過程是在容器的強(qiáng)度極限下進(jìn)行，保證容器不被脹破。
當(dāng)容器內(nèi)的所有相變物質(zhì)全部發(fā)生相變后，容器的脹形活動也就終止了。此時需要將前述的密閉空間開放，再通過相變控制裝置使得相變生成物質(zhì)的進(jìn)行反相變，同時加入因容器體積膨脹所空缺的那部分體積的相變物質(zhì)，然后再將空間密閉，繼續(xù)進(jìn)行新的相變過程，繼續(xù)增大容器的殼體的膨脹的塑性變形。多次循環(huán)相變→反相變→相變→反相變的過程后，最終使得容器能夠膨脹到球形容器的狀態(tài)。
本發(fā)明的相變過程是可控制的，相變控制裝置是整個壓力系統(tǒng)的重要組成部分。物質(zhì)從一種相(例如液相)轉(zhuǎn)變到另一種相(例如固相)是有條件的，有時是溫度條件，有時是壓力條件，也可能是電、磁、光等其他條件。通過對相變條件的控制，就可以控制相變的進(jìn)行和終止，即控制相變的速度、過程和相變結(jié)果，從而控制相變生成物的體積增加量，進(jìn)而控制容器內(nèi)的壓力，最終控制了膨脹變形量，這就是能夠通過物質(zhì)相變來產(chǎn)生壓力或超高壓力使得容器產(chǎn)生膨脹變形的基本前提和原理。
本發(fā)明的整體壓力脹形制造球形容器的方法還可以應(yīng)用于兩層容器、多層容器等復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的容器的制造。
本發(fā)明的整體壓力脹形制造球形容器的方法與其它壓力脹形方法相比，有明顯的特點(diǎn)。不同于通常的液壓脹形方法，無需液壓設(shè)備，也就避免了液壓系統(tǒng)的噪音、發(fā)熱、振動、維護(hù)問題。
本發(fā)明的整體壓力脹形制造球形容器的方法從原理上不同與其他已有的方法，是一種新型的整體壓力脹形制造球形容器的方法。
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。


附圖為整體壓力脹形制造球形容器方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例本發(fā)明選擇最常見的液態(tài)的水作為相變物質(zhì)為例來進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理。
從化學(xué)上說，水是極性很強(qiáng)的分子，分子間除范德華力外，還存在特殊的作用力——?dú)滏I，氫鍵比化學(xué)鍵的鍵能小得多，但比范德華力大，它能使水分子結(jié)合形成許多種不同的無規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)；在正常溫度下，水處于穩(wěn)定的液態(tài)，水蒸氣則是由水蒸發(fā)或冰升華而成的氣體；常壓下在4℃(277.15K)時，水的密度最大。
若溫度降低，水分子會彼此接合形成六面體的結(jié)構(gòu)，即為冰。冰的結(jié)構(gòu)沒有通融性而無法擠壓，因此體積比同量液態(tài)水的體積大。特別是當(dāng)水凝結(jié)成冰時，體積會膨脹，固態(tài)的水(冰)的密度小于液態(tài)水。
液體固化的關(guān)鍵過程在于臨界核的形成。臨界核是一塊足夠大到不會再液化的固體物質(zhì)，其余物質(zhì)就以它為核心繼續(xù)固化。它可以在雜質(zhì)微粒的基礎(chǔ)上形成，也可以通過機(jī)械振動產(chǎn)生。在不受外界干擾的純水中，臨界核由某一區(qū)域的水分子之間產(chǎn)生幾個持續(xù)時間異常長的氫鍵而產(chǎn)生。以這些水分子構(gòu)成的臨界核緩慢地增長、形狀發(fā)生變化，直至更多穩(wěn)定的氫鍵在整個系統(tǒng)中迅速地擴(kuò)散開來，使水從液體變?yōu)楣腆w。水分子結(jié)冰除溫度條件外，還要求在水中有凍結(jié)核。有了凍結(jié)核，亂動著的水分子才能按冰的晶體結(jié)構(gòu)排列起來，水分子有了核心或有依附而按冰的晶體結(jié)構(gòu)排列起來，成為冰。
本發(fā)明選擇水作為本發(fā)明中的相變生成物質(zhì)，正是基于上述水的獨(dú)特相變特性考慮的，當(dāng)然還有其他物質(zhì)也可以考慮，只要相變時有體積變化就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的思想。
為了增加凍結(jié)核，可在單質(zhì)的水中加入一些粉末狀的物質(zhì)，構(gòu)成混合物，或者其它性狀的利于結(jié)冰(相變)的物質(zhì)，其在容器中的性狀和具體結(jié)構(gòu)形式可以根據(jù)系統(tǒng)需求靈活設(shè)計。
附圖為整體壓力脹形制造球形容器的方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示的系統(tǒng)由包括相變控制裝置1、相變生成物2、控制閥門3、連接管道4、相變物質(zhì)5、容器6所組成。
圖中的相變控制裝置1是指利用相變轉(zhuǎn)變條件(溫度、壓力、磁場、光、電等條件)的變化，并通過控制這些轉(zhuǎn)變條件來控制相變物的生成、相變物生成的速度、相變物的生成量，進(jìn)而控制容器內(nèi)的壓力的連續(xù)變化。
圖中的控制閥門3、連接管道4是作為相變物質(zhì)5——水的進(jìn)、出通道和控制裝置，控制閥門3的導(dǎo)通和截止就可以控制進(jìn)、出容器的水量，并通過連接管道4和容器6一起構(gòu)成密閉空間。
本例中選擇了水作為相變物質(zhì)5，可以通過相變控制裝置1來控制容器6內(nèi)部的溫度條件(相變條件)，就可以控制相變生成物2——冰的生成量，從而來控制壓力容器6內(nèi)部的壓力。在本發(fā)明的原理介紹中選擇水作為相變生成物質(zhì)，水向冰的相變，就是液相向固相的轉(zhuǎn)變，由液相向固相轉(zhuǎn)變的相變產(chǎn)物——相變生成物就是冰；反之，由固相向液相轉(zhuǎn)變的相變產(chǎn)物——相變生成物就是水。
相變控制裝置1和容器6之間可以構(gòu)成傳熱通道進(jìn)行熱交換，從而能夠改變?nèi)萜?內(nèi)部的溫度條件。
容器內(nèi)的冰增加后，冰相對于原來體積的水會有約10％的體積增加量，冰就會擠壓容器內(nèi)的水，從而產(chǎn)生內(nèi)部壓力，擠壓容器的壁產(chǎn)生膨脹的塑性變形。
結(jié)冰越多，壓力會越大，直至水完全結(jié)成冰為止。
當(dāng)容器6內(nèi)的水完全結(jié)成冰還不能夠達(dá)到容器膨脹成球形所需要的變形量時，需打開由控制閥門3、連接管道4和容器6一起構(gòu)成的密閉空間，通過相變控制裝置1使得相比物——冰產(chǎn)生反相變，再變成水，同時加入因容器體積膨脹所空缺的那部分體積的水，然后再將空間密閉，繼續(xù)進(jìn)行新的相變過程，繼續(xù)增大容器殼體的膨脹變形。多次循環(huán)水→冰→水→冰的相變和反相變的循環(huán)過程后，最終使得容器能夠膨脹到球形容器的狀態(tài)。
圖中容器6本身要不會因壓力過大超過材料的極限而漲破，在設(shè)計時要考慮到。
本例中選擇了水作為相變物質(zhì)5，相變物質(zhì)5所指的也可以是水與其他物質(zhì)的混合物(粉末、固體、液體等性狀)，一般應(yīng)為流體，本例為水或水基混合物。其他物質(zhì)的加入，主要為結(jié)冰容易，也為改善水的其他條件而加入的，比如排除水中溶解的氣體、防銹等輔助性能。
本發(fā)明的整體壓力脹形制造球形容器的方法是不同于以往的方法的新方法，具有明顯的特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、軍事領(lǐng)域等場合。
權(quán)利要求
1.一種整體壓力脹形制造球形容器的新方法，其特征在于，利用相變物質(zhì)產(chǎn)生相變過程后的相變生成物體積增大，而擠壓相變物質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)部的壓力和超高壓，內(nèi)部壓力增大使得焊接的殼板膨脹變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所屬的整體壓力脹形制造球形容器的新方法，其特征在于，相變物質(zhì)發(fā)生相變時，裝盛該相變物質(zhì)的容器內(nèi)部是密閉空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所屬的壓力和超高壓力的產(chǎn)生方法，其特征在于，通過相變控制裝置來控制相變的進(jìn)行和終止，進(jìn)而控制容器內(nèi)部壓力和膨脹成形的過程。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種整體壓力脹形制造球形容器的方法，是利用相變物質(zhì)產(chǎn)生相變過程后的相變生成物體積增大，而擠壓相變物質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)部的壓力和超高壓，內(nèi)部壓力增大使得焊接的殼板膨脹變形，相變物質(zhì)發(fā)生相變時，裝盛該相變物質(zhì)的容器內(nèi)部是密閉空間，通過相變控制裝置來控制相變的進(jìn)行和終止，進(jìn)而控制容器內(nèi)部壓力和膨脹成形的過程。本發(fā)明的整體壓力脹形制造容器的方法的系統(tǒng)由相變控制裝置(1)、相變生成物(2)、控制閥門(3)、連接管道(4)、相變物質(zhì)(5)、容器(6)所組成。本發(fā)明的方法無需模具，操作簡單，可應(yīng)用于壓力容器的制作，還適用于復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)容器的制作。
文檔編號B21D26/00GK1775405SQ20051012806
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者許宏 申請人:許宏