容積式熱水器內(nèi)膽的強(qiáng)度理論探討

　　電熱水器的核心技術(shù)——內(nèi)膽制造技術(shù)，因其涉及到壓力容器、搪瓷制造專業(yè)及表面工程處理等材料學(xué)科。這個(gè)超出“家電”范疇的核心部件，目前大部分是靠熱水器制造廠去制造。另外，由于熱水器內(nèi)膽只受自來(lái)水壓力，無(wú)給水泵，其額定出口水溫不超過(guò)85℃，并裝有可靠的超溫保護(hù)裝置，這些特點(diǎn)使得熱水器內(nèi)膽劃歸壓力容器范圍之外。

　　本文主要是針對(duì)該現(xiàn)狀，借用壓力容器相關(guān)強(qiáng)度理論，以某品牌熱水器的內(nèi)膽為例進(jìn)行強(qiáng)度理論分析和強(qiáng)度計(jì)算。

　　1. 理論概述

　　圓筒形元件在受內(nèi)壓力P的作用下主要產(chǎn)生二種形變，即軸向伸長(zhǎng)和徑向脹大。壁上的任意一點(diǎn)將產(chǎn)生三個(gè)方向的主應(yīng)力：沿圓筒切線方向的切向應(yīng)力，沿圓筒軸線方向的軸向應(yīng)力及沿圓筒直徑方向的徑向應(yīng)力，如下圖所示。

　　由于元件的壁厚相對(duì)于筒體的直徑要小的多，可按薄壁圓筒體作分析，即近似地認(rèn)為切向應(yīng)力沿壁厚均勻分布。

　　2. 內(nèi)膽中桶的應(yīng)力分析

　　封頭和中桶是內(nèi)膽受壓元件，其外徑和內(nèi)徑比值一般較?。╧<1.1），中桶的三向應(yīng)力的近似式可表示為：

　　環(huán)向應(yīng)力：

　　軸向應(yīng)力：

　　徑向應(yīng)力：

　　式中δ是桶體的壁厚，D是桶體中徑，P是內(nèi)壓力。

　　由上式可得出幾點(diǎn)重要的結(jié)論：

　　1） 長(zhǎng)圓桶形內(nèi)膽比短粗型內(nèi)膽承受能力要好（直徑盡量?。?。

　　2） 縱焊縫的受力狀態(tài)比環(huán)焊縫惡劣。這也是內(nèi)膽縱焊縫處比環(huán)焊縫處容易出現(xiàn)裂紋、搪瓷破壞、漏水的主要原因。

　　3） 由于環(huán)向的應(yīng)力大，中桶上的孔盡量開(kāi)成橢圓口，且長(zhǎng)度方向與軸向一致。

　　3. 內(nèi)膽封頭的應(yīng)力分析

　　熱水器的內(nèi)膽封頭是一個(gè)碟形封頭，該封頭是帶折邊的球面封頭,由半徑為330mm的球面體,半徑為20mm的過(guò)渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成，其應(yīng)力的近似式可表示為：

　　環(huán)向應(yīng)力：

　　軸向應(yīng)力：

　　式中δ是桶體的壁厚，D是桶體中徑，P是內(nèi)壓力

　　由上式可得出以下重要結(jié)論：

　　當(dāng)半球形封頭和圓柱形中桶用材一致時(shí)，內(nèi)膽的封頭厚度可以剪薄至中桶厚度的一半。

　　實(shí)踐中，內(nèi)膽封頭和中桶一般選用相同的厚度、甚至封頭加厚。主要是考慮封頭上一般多開(kāi)孔的原因。當(dāng)然，根據(jù)上述理論，不開(kāi)孔一側(cè)的封頭采用較薄的板料是可以考慮的，這也是節(jié)約鋼材的一種方法。

　　4. 內(nèi)膽強(qiáng)度的校核理論

　　內(nèi)膽中桶是由塑性材料（低碳鋼）制成的，板料一般比較薄。對(duì)于這種薄殼容器設(shè)計(jì)采用第一強(qiáng)度理論，即最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，可得當(dāng)量應(yīng)力：

　　若應(yīng)用第三強(qiáng)度理論，即最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論，可得當(dāng)量應(yīng)力：

　　考慮到溫度效應(yīng)，取，再考慮焊縫或孔帶的減弱系數(shù)?及壁厚附加量C后，可得到內(nèi)膽桶體計(jì)算壁厚公式：，  式中，D為桶體的內(nèi)涇。

　　此公式是我國(guó)鍋爐壓力容器規(guī)范對(duì)于圓筒設(shè)計(jì)所采用的公式。它應(yīng)用了最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論所得的常溫爆破壓力及蠕變溫度以上的持久爆破壓力，都較為接近實(shí)驗(yàn)爆破壓力平均值。

　　上式是對(duì)幾何形狀精確的圓筒，只承受內(nèi)壓，圓筒壁厚與直徑之比很小，且不是在邊界范圍內(nèi)導(dǎo)出的公式。實(shí)際情況與這些理論條件是有區(qū)別的。例如：圓筒形狀不完全精確，引起附加彎曲應(yīng)力；圓筒邊界變形不協(xié)調(diào)，引起邊界應(yīng)力，操作運(yùn)行時(shí)，圓筒內(nèi)、外壁具有溫差，引起溫差應(yīng)力；圓筒厚度與直徑相比有一定比值，使應(yīng)力沿壁厚分布不均等。由于這些因素的存在，圓筒內(nèi)的應(yīng)力分布將發(fā)生變化，最大應(yīng)力有所增加。

　　通過(guò)以上方面的分析，認(rèn)識(shí)到目前電熱水器內(nèi)膽方面的不足，那么采取相應(yīng)的措施將對(duì)提高熱水器使用壽命有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 李景辰 等編《壓力容器基礎(chǔ)知識(shí)》 北京:勞動(dòng)人事出版社,1986

　　[2] 李之光、王銑慶編著《鍋爐受壓元件強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)》北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985

　　[3] 鄭傳祥、文棋《低碳鋼壓力容器爆破試驗(yàn)及爆破壓力公式研究》壓力容器.2002,9

　　(責(zé)編 蔣士樺)