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ASME應(yīng)變強(qiáng)化本構(gòu)模型及壓力容器安全裕度分析

文檔作者：周連東江楠文檔來源：華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月16日
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ASME應(yīng)變強(qiáng)化本構(gòu)模型及壓力容器
安全裕度分析
周連東。江楠
(華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所，廣東廣州5 10640)
摘要：彈塑性有限元分析需要材料的真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線，但利用ASME中的應(yīng)變強(qiáng)化本構(gòu)模型，
按標(biāo)準(zhǔn)保證值和實(shí)測值分別建立的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線存在較大的差異。運(yùn)用ANSYS有
限元軟件模擬同一個(gè)1．4301奧氏體不銹鋼壓力容器模型在這兩種材料參數(shù)下簡體應(yīng)力、應(yīng)變以及
爆破壓力的差異，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比。同時(shí)利用有限元模擬和爆破試驗(yàn)的爆破壓力結(jié)
果，分析奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器在不同預(yù)應(yīng)變下的安全裕度和實(shí)際安全裕度。結(jié)果表明：
按保證值材料參數(shù)設(shè)計(jì)的壓力容器，容器的實(shí)際塑性應(yīng)變要比理論值小很多，用實(shí)測值材料參數(shù)設(shè)
計(jì)大變形壓力容器時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制實(shí)際的應(yīng)變值；應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的理論設(shè)計(jì)應(yīng)變可達(dá)10％ ，但
實(shí)際應(yīng)變應(yīng)在5％ 左右，容器才具有足夠的安全裕度。
關(guān)鍵詞：彈塑性；本構(gòu)模型；應(yīng)力一應(yīng)變曲線；應(yīng)變強(qiáng)化；安全裕度
中圖分類號(hào)：0344．1；TQ050．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—4837{2011)06—0011—05
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2011．06．003
Analysis of the ASM E Constitutive M ode with Strain Efect and
Safety M argin for Pressure Vessels
ZHOU Lian—dong，JIANG Nan
(Institute of Chemical Machinery and Process Equipment，South China Urriversity of Technology，Guang—
zhou 510640，China)
Abstract：The elastic—plastic analysis method need true strain—stress relationship．The true stress—
strain curves can be established with the ASME constitutive mode．But there are big differences between
the two true ASME stress—strain curves established independently by standard material values and meas—
ured material v~ues．Obtain stress．strain and burst pressure differences on the 1．4301 austenitic stainless
steel cylinder from the results of finite element analysis with the two material parameters，and then corn．
pare the simulation results with the bursting test data．Analyze the pre—strain safety margins of strain
hardening pressure vessels of austenitic stainless steel by the simulation results and bursting test data．The
results show that the actual plastic strain iS much smaller than the theoretical value for the pressure ves—
sels designed with standard material values and it is unreasonable to design the large——deformation pres．．
sure vessels with measured material values．For the strain hardening pressure vessels，its theoretical plas—
tic can be up to 10％ ．but its actual plastic should be about 5％ in order to ensure the pressure vessels
have sufficient safety margin．
Key words：elastic—plastic；constitutive mode；stress—strain CHIVe；strain hardening；safety margin
1 1
CPVT ASME應(yīng)變強(qiáng)化本構(gòu)模型及壓力容器安全裕度分析 VoW8．No6 201 1
0 引言
B．F．1anger 在總結(jié)壓力容器設(shè)計(jì)方法時(shí)指
出，考慮材料應(yīng)變強(qiáng)化特性和結(jié)構(gòu)非線性變形影
響的塑性力學(xué)分析，能夠使壓力容器的設(shè)計(jì)更為
合理。E．Upitis and K．MoKhtafian 在研究總結(jié)
壓力容器的實(shí)際安全裕度時(shí)指出，壓力容器的爆
破壓力與結(jié)構(gòu)變形和材料應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)密切相
關(guān)。2007年，美國ASME頒布的新版鍋爐壓力容
器規(guī)范第Ⅷ卷第2分篇 J，首次在承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)
中引入彈塑性應(yīng)力分析法，并在國際上提出了考
慮材料塑性應(yīng)變強(qiáng)化的本構(gòu)模型，并考慮載荷和
結(jié)構(gòu)的變形關(guān)系，采用有限元分析技術(shù)進(jìn)行彈塑
性分析求解壓力容器加壓強(qiáng)化直至爆破的整個(gè)過
程，有限元分析結(jié)果能夠達(dá)到與容器爆破的實(shí)際
情況幾乎一致。ASME應(yīng)變強(qiáng)化模型采用由材料
屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后延伸率等轉(zhuǎn)化而來的
真實(shí)應(yīng)力～應(yīng)變曲線進(jìn)行容器的分析設(shè)計(jì)，降低
了容器的設(shè)計(jì)壁厚，體現(xiàn)了安全性和經(jīng)濟(jì)性的完
美結(jié)合，雖然目前還沒有實(shí)際的工程應(yīng)用實(shí)例，但
其應(yīng)用前景是可以預(yù)見的。
但是材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后延伸率
分別采用標(biāo)準(zhǔn)保證值和實(shí)測值時(shí)，按照ASME應(yīng)
變強(qiáng)化本構(gòu)模型轉(zhuǎn)化而來的真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線
有一定的差異，進(jìn)行壓力容器的有限元分析設(shè)計(jì)
時(shí)，應(yīng)力、應(yīng)變以及爆破壓力等結(jié)果相差較大。因
此，文中采用有限元方法分別按保證值和實(shí)測值
下的這兩種材料參數(shù)對同一個(gè)1．4301奧氏體不
銹鋼壓力容器模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析應(yīng)力、應(yīng)變
以及爆破壓力的差異，并將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[4]
的試驗(yàn)結(jié)果對比。同時(shí)分析奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)
化壓力容器在不同預(yù)應(yīng)變時(shí)的安全裕度和實(shí)際安
全裕度，為應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬
提供參考。
1 ASME應(yīng)變強(qiáng)化本構(gòu)模型
ASME考慮材料應(yīng)變強(qiáng)化作用的材料模型如
式(1)所示，7。， 分別有其對應(yīng)的子公式，具體
見標(biāo)準(zhǔn)ASMEⅧ 一2 2007附錄3．D。
(1)
12
式中 — —真應(yīng)變
盯 ——真應(yīng)力
y，—— 微觀應(yīng)變區(qū)域真應(yīng)變
：— — 宏觀應(yīng)變區(qū)域真應(yīng)變
利用此材料模型，只要知道材料的工程屈服
強(qiáng)度、工程抗拉強(qiáng)度及斷后延伸率，就可以利用式
(1)轉(zhuǎn)換獲得材料的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲
線。由于ASME材料模型比較復(fù)雜，手工計(jì)算非
常耗時(shí)，不利于工程上的應(yīng)用；而利用Mat lab軟
件編制此模型的自動(dòng)運(yùn)算程序，則可大大提高運(yùn)
算效率，提升設(shè)計(jì)水平。標(biāo)準(zhǔn)保證值中，1．4301
奧氏體不銹鋼的工程屈服強(qiáng)度、工程抗拉強(qiáng)度及
斷后延伸率分別為205 MPa，520 MPa，0．40；文獻(xiàn)
[4]中1．4301奧氏體不銹鋼容器材料的實(shí)測工
程屈服強(qiáng)度、工程抗拉強(qiáng)度及斷后延伸率分別為
282 MPa，747 MPa，0．51。則分別按標(biāo)準(zhǔn)保證值和
實(shí)測值建立的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖1
所示?？梢钥闯?，采用真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的彈
塑性分析法，與極限分析法和應(yīng)力分類法相比，更
接近結(jié)構(gòu)實(shí)際行為；保證值曲線位于實(shí)測值曲線
下方，且隨著應(yīng)變的增大、兩者之間的差距越大。
1200
豈
600
O
O．2 0．4
真應(yīng)變s
圖1 ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線
2 有限元模擬分析
采用ANSYS10．0有限元軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)
試驗(yàn)容器的尺寸建立三維有限元模型，模型參數(shù)
與文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行爆破試驗(yàn)的壓力容器的尺寸參
數(shù)一致，試驗(yàn)容器內(nèi)徑500 mm，筒體壁厚6．5
mm，采用壁厚8．5 mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，主體材
第28卷第6期 壓 力 容 器 總第223期
料為1．4301奧氏體不銹鋼。材料各向同性、等向
強(qiáng)化，材料真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線分別取標(biāo)準(zhǔn)保證
值和實(shí)測值下的ASME真實(shí)應(yīng)力～應(yīng)變曲線，分
兩次進(jìn)行模擬。模擬時(shí)采用米賽斯(Von Mises)
屈服準(zhǔn)則，按大變形條件，分多個(gè)子步緩慢加載至
容器的最大有限元計(jì)算壓力，將最大計(jì)算壓力作
為容器的爆破壓力。
2．1 等效應(yīng)力一應(yīng)變
圖2示出實(shí)測ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變材料參
數(shù)有限元爆破壓力下的等效應(yīng)力分布圖，可以看
出，最大等效應(yīng)力和應(yīng)變出現(xiàn)在筒體的中間部位，
材料參數(shù)為保證值時(shí)，最大等效應(yīng)力和應(yīng)變位置
同樣出現(xiàn)在筒體的中間部位，與容器實(shí)際爆破試
驗(yàn)時(shí)延性斷裂出現(xiàn)在筒體的中間位置一致。
” 6
24：46 1 3 ?！?3 ’ 5 q ” 9
圖2 等效應(yīng)力云圖
為了了解整個(gè)加載過程中筒體最大等效應(yīng)力
和等效應(yīng)變部位的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的變化情
況，圖3示出了兩種材料參數(shù)下簡體最大等效應(yīng)
力和等效應(yīng)變部位隨內(nèi)壓變化的等效應(yīng)力一應(yīng)變
曲線?？梢钥闯觯豪脤?shí)測材料參數(shù)進(jìn)行模擬的
等效應(yīng)力一應(yīng)變曲線位于利用標(biāo)準(zhǔn)材料參數(shù)進(jìn)行
模擬的等效應(yīng)力一應(yīng)變曲線之上，而且兩者之間
的結(jié)果數(shù)據(jù)相差較大，同一應(yīng)變下，前者的等效應(yīng)
力明顯大于后者的等效應(yīng)力；如當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)材料參數(shù)
下發(fā)生最大28．8％的等效應(yīng)變時(shí)，實(shí)測材料參數(shù)
下只發(fā)生14％左右的等效應(yīng)變，遠(yuǎn)小于其32．1％
的最大等效應(yīng)變；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)材料參數(shù)下發(fā)生10％的
等效應(yīng)變時(shí)，實(shí)測參數(shù)下只發(fā)生3．5％的等效應(yīng)
變；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)材料參數(shù)下發(fā)生5％的等效應(yīng)變時(shí)，實(shí)
測參數(shù)下只發(fā)生1％ 的等效應(yīng)變；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)下
發(fā)生的等效塑性應(yīng)變過小時(shí)，實(shí)測參數(shù)下就可能
沒有發(fā)生塑性應(yīng)變，簡體的仍處于彈性階段。
∞
毫
＼
b
涮
圖3 有限元等效應(yīng)力一應(yīng)變曲線
2．2 爆破壓力
壓力容器的爆破壓力最能反映壓力容器的實(shí)
際承載能力，有限元模擬和實(shí)測的爆破壓力 如
表1所示。從表1可以看出，采用保證值與實(shí)測
值的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線模擬的爆破壓力
二者相差很大；用保證值的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)
變曲線進(jìn)行模擬的爆破壓力與實(shí)測爆破壓力誤差
達(dá)到30％ ；而采用實(shí)測值的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)
變曲線進(jìn)行模擬的爆破壓力與實(shí)測爆破壓力誤差
很小，這說明了有限元模擬的正確性。
表1 爆破壓力比較
材料參數(shù) 有限元爆破 實(shí)測爆破
壓力／MPa 壓力／MPa
使用實(shí)測值的 16
， 11 16．2O
ASME應(yīng)力一應(yīng)變曲線
使用保證值的 11
． 322 16．20
ASME應(yīng)力一應(yīng)變曲線
從有限元模擬的等效應(yīng)力～應(yīng)變曲線、有限
元模擬的爆破壓力與實(shí)測爆破壓力的比較，可以
看出，用保證值A(chǔ)SME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線模擬
的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及爆破壓力值都比用實(shí)測
值A(chǔ)SME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線模擬的結(jié)果小，保
證值的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線是偏安全的，
工程中壓力容器的分析設(shè)計(jì)應(yīng)采用建立在標(biāo)準(zhǔn)保
證值上的ASME應(yīng)力一應(yīng)變曲線，可使容器的實(shí)
際塑性應(yīng)變比設(shè)計(jì)中確定的塑性應(yīng)變小，能夠確
保容器的經(jīng)濟(jì)性與安全性的統(tǒng)一。而如果以建立
13
ASME應(yīng)變強(qiáng)化本構(gòu)模型及壓力容器安全裕度分析 Vo128．No6 201 1
在實(shí)測值上的真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線進(jìn)行壓力容器
的設(shè)計(jì)，當(dāng)產(chǎn)生5％ 的等效應(yīng)變時(shí)，等效應(yīng)力達(dá)到
450 MPa，當(dāng)產(chǎn)生10％的等效應(yīng)變時(shí)，等效應(yīng)力高
達(dá)560 MPa，這會(huì)導(dǎo)致容器壁厚過小，這顯然是不
安全、不合理的，但其可用于模擬容器在實(shí)際載荷
作用下的強(qiáng)化和爆破情況。
3 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器安全裕度分
析
奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化低溫容器的技術(shù)原
理：室溫下將容器充滿液體，緩慢加壓至容器的總
體應(yīng)力達(dá)到或超過材料屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化應(yīng)力 ，
容器產(chǎn)生塑性變形后再卸除壓力，容器產(chǎn)生永久
的塑性變形；再次加載時(shí)，應(yīng)力將沿卸載曲線線性
增長，超過or 后才再次進(jìn)入塑性階段，這樣相當(dāng)
于將奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度由 提高到了
，從而提高其許用應(yīng)力。奧氏體不銹鋼的應(yīng)變
強(qiáng)化是通過產(chǎn)生塑性變形來提高許用應(yīng)力，相當(dāng)
于彈塑性分析設(shè)計(jì)，可用彈塑性有限元方法分析
奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的強(qiáng)化過程。因
此，江楠 提出可以利用ASME應(yīng)變強(qiáng)化本構(gòu)模
型計(jì)算應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的強(qiáng)化應(yīng)力和應(yīng)變。
壓力容器彈塑性分析法采用限制結(jié)構(gòu)變形
量，那么對于奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器這
種利用材料強(qiáng)化特性的同時(shí)，容器尺寸會(huì)因發(fā)生
明顯的塑性變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力弱化的壓力
容器，強(qiáng)化處理時(shí)其塑性應(yīng)變限制值多大才安全，
才能達(dá)到材料應(yīng)變強(qiáng)化性能與結(jié)構(gòu)變性的平衡
呢?瑞典、歐盟及美國標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定最大理論應(yīng)
變可達(dá)10％ ，實(shí)際只有3％ ～5％ ；澳大利亞標(biāo)
準(zhǔn) 則較保守，應(yīng)變限制在5％ ，局部最大10％ ；
目前國內(nèi) 一。。也開始制造應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器，但
只是把應(yīng)變強(qiáng)化當(dāng)作一種容器的制造工藝，對應(yīng)
變限制的相關(guān)理論探討仍然不夠，且缺乏必要的
基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)。雖然ASMEⅧ 一2通過大量基礎(chǔ)
性試驗(yàn)(試驗(yàn)數(shù)據(jù)未公布)給出了彈塑性分析時(shí)
的應(yīng)變限制條件，但鄧陽春等_1 對奧氏體不銹鋼
的斷裂應(yīng)變測試證明ASMEⅧ 一2的應(yīng)變限制條
件對奧氏體不銹鋼是不安全的。因此本文不從
ASME給出的應(yīng)變限制條件出發(fā)，而是從最能反
映壓力容器承載能力的安全裕度的角度去討論奧
氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的應(yīng)變限制值。
14
壓力容器在不同預(yù)應(yīng)變下的安全裕度則為爆
破壓力P 與壓力容器在強(qiáng)化過程中產(chǎn)生一定預(yù)
應(yīng)變時(shí)對應(yīng)的預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化壓力P：的比值，即 =
P ／t,：；而壓力容器的實(shí)際安全裕度為爆破壓力P
與設(shè)計(jì)壓力P 的比值，即rt = ／p 。由于應(yīng)變強(qiáng)
化壓力容器在預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化處理時(shí)，預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化壓
力為設(shè)計(jì)壓力的1．5倍，因此，在容器模型尺寸固
定的情況下，設(shè)計(jì)壓力可通過式： =p／1．5，由有
限元模擬的預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化壓力反推獲得。這個(gè)過程
可理解為先給定容器尺寸，再定設(shè)計(jì)壓力，與一般
先給設(shè)計(jì)壓力再定容器尺寸的設(shè)計(jì)過程相反。預(yù)
應(yīng)變強(qiáng)化壓力值取產(chǎn)生一定預(yù)應(yīng)變時(shí)有限元模擬
的壓力結(jié)果，爆破壓力則采用實(shí)際壓力容器爆破
試驗(yàn)時(shí)的爆破壓力。圖4示出保證值和實(shí)測值下
的有限元壓力一應(yīng)變曲線，表2列出有限元分析
的壓力容器的實(shí)際安全裕度、不同預(yù)應(yīng)變下的安
全裕度。
日
皇
＼
真應(yīng)變e
圖4 有限元壓力一應(yīng)變曲線
保證值下的安全裕度代表設(shè)計(jì)時(shí)的理論安全
裕度，實(shí)測值下的安全裕度則認(rèn)為容器實(shí)際強(qiáng)化
過程中的安全裕度。從表2可以看出：利用保證
值下的材料參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)變強(qiáng)化容器時(shí)，容器的實(shí)
際安全裕度都大于2．5，安全余量足夠，與文獻(xiàn)
[13]中的一系列奧氏體不銹鋼壓力容器爆破試
驗(yàn)得出的安全裕度結(jié)果大體一致。利用實(shí)測值下
的材料參數(shù)模擬壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)，1％，
5％，10％預(yù)應(yīng)變下的安全裕度都小于1．8，這表
明容器實(shí)際應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制壓力，稍有不
慎就可能導(dǎo)致容器過量的變形，有限元壓力一應(yīng)
變曲線在后期比較平緩，較小的壓力增長會(huì)帶來
第28卷第6期 壓 力 容 器 總第223期
表2 安全裕度
材料 壓力／MPa、 預(yù)應(yīng)變 實(shí)測爆破壓力P
參數(shù) 裕度值 =1％ =5％ =lO％ ／MPa
p 6．432 8．023 9．319
p 保證值 4．288 5．349 6．2l3
n 2．5l9 2．019 1．738
n 3．778 3．O29 2．607
16．20
p： 9．150 11．243 l3．230
p 6．18 7．500 8．82
實(shí)測值 1
． 770 1．44l 1．224
凡c 2．656 2．162 1．837
較大的應(yīng)變增長也說明了這一點(diǎn)。容器的實(shí)際安
全裕度則為：10％ 應(yīng)變時(shí)的實(shí)際裕度為1．837，余
量不夠；5％ 應(yīng)變時(shí)的實(shí)際裕度為2。162，與歐盟
壓力容器標(biāo)準(zhǔn)EN 13445的最小安全裕度相當(dāng)，在
滿足環(huán)境要求的前提下可合理使用；1％應(yīng)變時(shí)的
實(shí)際裕度為2．656，余量足夠，還可適當(dāng)降低。這
表明實(shí)際中容器的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)變5％ 左右時(shí)，安
全裕度可以很好地保證，同時(shí)可以避免由于結(jié)構(gòu)
應(yīng)變大于5％ 導(dǎo)致塑性應(yīng)變材料產(chǎn)生時(shí)效一H ，在
應(yīng)變強(qiáng)化加壓時(shí)也較易控制壓力值。
4 結(jié)論
(1)ASME應(yīng)變強(qiáng)化模型公式復(fù)雜，編制自動(dòng)
運(yùn)算程序，可提高分析設(shè)計(jì)的水平和效率，方便其
在工程上的設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元模擬。
(2)保證值的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線位
于實(shí)測值的ASME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線下面，前
者用于容器的設(shè)計(jì)，后者用于模擬容器的實(shí)際塑
性強(qiáng)化過程。設(shè)計(jì)時(shí)確定的應(yīng)變在實(shí)際中要小很
多，利用保證值A(chǔ)SME真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線是偏
安全的，可用于工程中。而用實(shí)測ASME真實(shí)應(yīng)
力一應(yīng)變曲線設(shè)計(jì)則會(huì)導(dǎo)致容器的壁厚過小，安
全性有可能得不到保證。
(3)保證值的ASME應(yīng)變強(qiáng)化模型用于設(shè)計(jì)
應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器，設(shè)計(jì)時(shí)確定的應(yīng)變不大于
10％時(shí)，容器的實(shí)際安全裕度都是足夠的；在對壓
力容器進(jìn)行實(shí)際的強(qiáng)化處理時(shí)，容器的實(shí)際應(yīng)變
5％ 左右時(shí)，安全裕度足夠，且可避免產(chǎn)生時(shí)效，加
壓強(qiáng)化時(shí)也更易實(shí)現(xiàn)對壓力的控制，達(dá)到安全性
與經(jīng)濟(jì)性并重的目的。
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(下轉(zhuǎn)第23頁)
1 5
第28卷第6期 壓 力 容 器 總第223期
進(jìn)料
閥
抽
支架
圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意
芯，基本上將管芯分成兩部分，一部分起毛細(xì)抽吸
作用；另一部分起液體回流通道作用。貼近表壁
外層用細(xì)網(wǎng)，細(xì)孔網(wǎng)毛細(xì)效果好、抽吸力大，但流
動(dòng)阻力大；內(nèi)層用粗孔網(wǎng)，流動(dòng)阻力小，這樣可由
表面細(xì)孔網(wǎng)提供較大的毛細(xì)抽吸壓力，通道內(nèi)的
粗孔網(wǎng)使流動(dòng)阻力較小。組合管芯能兼顧毛細(xì)力
和滲透率，從而能獲得較高的軸向傳熱能力。通
過這樣的改進(jìn)，可以在蒸發(fā)部分獲得更大的壓強(qiáng)，
并通過吸液芯將冷凝液吸回蒸發(fā)部分，大大提高
裝置的循環(huán)效果和速率。
在新的裝置中加入了一些新的部件，以提高
試驗(yàn)時(shí)對熱管內(nèi)部情況的了解程度。蒸發(fā)部分設(shè)
置了一段玻璃管，方便對液體沸騰情況的觀察。
此外裝置中加裝了熱電阻和差壓計(jì)，隨時(shí)監(jiān)測裝
置溫度和壓強(qiáng)的變化，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
4．2 試驗(yàn)結(jié)果
在室溫為13 qC下，每隔3 min測得裝置散熱
段周圍提高4～6 oC，可以初步達(dá)到供熱效果。若
同樣裝置并聯(lián)使用效果更佳。
5 結(jié)論
(1)由于甲醇的汽化潛熱和導(dǎo)熱率較高而沸
點(diǎn)又相對較低，選用甲醇為工作介質(zhì)。
(2)設(shè)計(jì)出一種利用介質(zhì)相變傳熱的熱管裝
置，并對其加以改進(jìn)，用于低品位能量的吸收與轉(zhuǎn)
移。在利用裝置進(jìn)行一系列試驗(yàn)后，試驗(yàn)裝置存
在傳熱效果不明顯以及沸騰無法持續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)
象，對其進(jìn)行了原因分析并對裝置做了大量改進(jìn)，
以期能夠使裝置進(jìn)行持續(xù)的相變循環(huán)，液體持續(xù)
沸騰，翅片溫度上升，并達(dá)到一定的傳熱效率。
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收稿日期：2011—03—11 修稿日期：2011—05—24
作者通信地址：200237上海市梅隴路130號(hào)華東理工大
學(xué)，E—mail：sty89512@hotmail．corn。
(上接第15頁)
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1951：283—290
收稿日期：2011—05—12 修稿日期：2011—05—31
作者簡介：周連東(1985～)，男，碩士，專業(yè)方向：過程裝
備的可靠性及應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器，通信地址：510640廣東
省廣州市天河區(qū)華南理工大學(xué)化工機(jī)械研究所，E—mail：
zhouliandong@ 126．com。
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