容積式熱水器內膽的強度理論探討

　　電熱水器的核心技術——內膽制造技術，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科。這個超出“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，由于熱水器內膽只受自來水壓力，無給水泵，其額定出口水溫不超過85℃，并裝有可靠的超溫保護裝置，這些特點使得熱水器內膽劃歸壓力容器范圍之外。

　　本文主要是針對該現狀，借用壓力容器相關強度理論，以某品牌熱水器的內膽為例進行強度理論分析和強度計算。

　　1. 理論概述

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

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

　　2. 內膽中桶的應力分析

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

　　環(huán)向應力：

　　軸向應力：

　　徑向應力：

　　式中δ是桶體的壁厚，D是桶體中徑，P是內壓力。

　　由上式可得出幾點重要的結論：

　　1） 長圓桶形內膽比短粗型內膽承受能力要好（直徑盡量小）。

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

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

　　3. 內膽封頭的應力分析

　　熱水器的內膽封頭是一個碟形封頭，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的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成，其應力的近似式可表示為：

　　環(huán)向應力：

　　軸向應力：

　　式中δ是桶體的壁厚，D是桶體中徑，P是內壓力

　　由上式可得出以下重要結論：

　　當半球形封頭和圓柱形中桶用材一致時，內膽的封頭厚度可以剪薄至中桶厚度的一半。

　　實踐中，內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孔的原因。當然，根據上述理論，不開孔一側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. 內膽強度的校核理論

　　內膽中桶是由塑性材料（低碳鋼）制成的，板料一般比較薄。對于這種薄殼容器設計采用第一強度理論，即最大主應力準則，可得當量應力：

　　若應用第三強度理論，即最大剪應力強度理論，可得當量應力：

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

　　此公式是我國鍋爐壓力容器規(guī)范對于圓筒設計所采用的公式。它應用了最大剪應力強度理論。實驗結果表明，按最大剪應力強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，都較為接近實驗爆破壓力平均值。

　　上式是對幾何形狀精確的圓筒，只承受內壓，圓筒壁厚與直徑之比很小，且不是在邊界范圍內導出的公式。實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，引起附加彎曲應力；圓筒邊界變形不協(xié)調，引起邊界應力，操作運行時，圓筒內、外壁具有溫差，引起溫差應力；圓筒厚度與直徑相比有一定比值，使應力沿壁厚分布不均等。由于這些因素的存在，圓筒內的應力分布將發(fā)生變化，最大應力有所增加。

　　通過以上方面的分析，認識到目前電熱水器內膽方面的不足，那么采取相應的措施將對提高熱水器使用壽命有重要意義。

　　參考文獻

　　[1] 李景辰 等編《壓力容器基礎知識》 北京:勞動人事出版社,1986

　　[2] 李之光、王銑慶編著《鍋爐受壓元件強度分析與設計》北京:機械工業(yè)出版社,1985

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

　　(責編 蔣士樺)