自增强处理原理以及在压力容器中的使用

自增强处理是一种通过施加超工作压力，使筒体产生残余应力，优化工作应力分布、提升屈服承载能力的工艺手段。其原理是在圆筒内壁施加高强度压力，促使内壁屈服并产生径向残余变形，卸压后，外层材料弹性收缩，让已塑性变形的内层材料形成压缩应力，从而获得残余压应力。依据获取径向力方式的不同，当前生产中常用的自增强处理方法主要有机械式挤压法、直接静压法、爆炸胀压法和固体自增强法四种，以下为这些方法的原理与特性介绍。一、机械式挤压法原理机械式挤压法的核心在于利用具有过盈尺寸的锥形心轴，使其在圆筒内壁滑动。在这一过程中，圆筒内壁受挤压产生塑性变形与残余应力，进而实现自增强效果。推动心轴在圆筒内滑动主要有三种方式：其一，借助冲头与水压机将心轴压入，此为间接液压方式；其二，把液压传导至心轴背面推动，即直接液压方式；其三，通过机械装置拉动心轴，称为机械拉牵法。特点该方法主要适用于开式圆筒（如管子），具有经济性优势，无需外部限定模具，密封操作相对简易。其施加压力仅受心轴材料压缩强度制约，不受圆筒自身强度影响，能够产生很高的残余应力。在相同径比条件下，机械式挤压法与静液压法所需压力均取决于内径扩胀量，但对于相同屈服强度材料，前者所需压力远低于后者，且获得的周向残余应力更大。这是因为静液压法产生的残余应力易受包申格效应影响而降低，而挤压法是三向变形组合，内壁反向屈服程度小，故残余应力更高。不过，由于该方法与静液压法在超应变时应力状态存在差异，机械式挤压法自增强过程中，心轴与内壁间的摩擦力及接触面上法向应力的轴向分量，会在圆筒内壁产生较大轴向剪应力，随着轴向应力增加，周向应力会相应减小。这使得经过该方法处理的开式圆筒在再次进行液压屈服试验时，再屈服压力下降，弹性强度降低。但每种径比下都存在一个最佳超应变量，在此条件下，圆筒弹性强度极限可与 100% 超应变的静液压法处理效果相当 。二、直接静液压法原理直接静液压法是将液体压力直接作用于圆筒内壁，促使其产生塑性变形与超应变，卸压后形成残余应力，以此提升容器的弹性强度极限与疲劳寿命。作为最早应用且最为常用的自增强方法，在大、中口径炮管以及高压、超高压容器和管道的自紧处理中广泛使用。特点该方法的操作流程与容器液压试验相似，具备操作简便、灵活性高的优势，无需特殊压力元件，能使壁面实现均匀塑性变形，尤其适用于闭式容器自增强处理。针对开式圆筒，可通过端部密封装置进行处理。然而，直接静液压法需要超高压力源、超高压泵及配套管道和附件，超高压密封问题成为限制其应用范围的关键因素。三、爆炸胀压法原理爆炸胀压法借助高能量炸药，在极短时间内产生高压，使圆筒或管子在高压气体与冲击波作用下快速发生塑性变形。内壁塑性变形量与炸药强度（单位长度炸药重量）相关，通过精准控制用药量，使爆炸产生的压力契合超应变所需，进而实现圆筒或管子的塑性变形目标。特点采用该方法时，需充分考虑端部效应，即圆筒或管子端部塑性胀大量会逐渐减小，同时也要关注径向活塞效应的影响。爆炸胀压法能够在短时间内产生极高压力，但对炸药用量控制和环境安全要求极高。四、固体自增强法原理固体自增强法选用塑性良好、熔点较低的固体介质（如铅），将其熔化后灌注到圆筒内，随后利用压（冲）杆挤压固体介质，使其塑性变形并将压力传递至筒壁，促使筒壁塑性变形，最终形成残余应力，该方法特别适用于极高压力工况下的自增强处理。特点此方法具有多方面优势：一是可避免液体介质在极高压力下固化的问题；二是固体介质不可压缩，能充分发挥自增强压力，所需自增强压力相对较低；三是固体介质塑化后粘性高，便于解决筒体端部密封难题；四是安全性高，即便器壁存在薄弱部位发生破裂，也不会引发严重危险 。