容积式热水器内胆的强度理论探讨

　　电热水器的核心技术——内胆制造技术，因其涉及到压力容器、搪瓷制造专业及表面工程处理等材料学科。这个超出“家电”范畴的核心部件，目前大部分是靠热水器制造厂去制造。另外，由于热水器内胆只受自来水压力，无给水泵，其额定出口水温不超过85℃，并装有可靠的超温保护装置，这些特点使得热水器内胆划归压力容器范围之外。

　　本文主要是针对该现状，借用压力容器相关强度理论，以某品牌热水器的内胆为例进行强度理论分析和强度计算。

　　1. 理论概述

　　圆筒形元件在受内压力P的作用下主要产生二种形变，即轴向伸长和径向胀大。壁上的任意一点将产生三个方向的主应力：沿圆筒切线方向的切向应力，沿圆筒轴线方向的轴向应力及沿圆筒直径方向的径向应力，如下图所示。

　　由于元件的壁厚相对于筒体的直径要小的多，可按薄壁圆筒体作分析，即近似地认为切向应力沿壁厚均匀分布。

　　2. 内胆中桶的应力分析

　　封头和中桶是内胆受压元件，其外径和内径比值一般较小（k<1.1），中桶的三向应力的近似式可表示为：

　　环向应力：

　　轴向应力：

　　径向应力：

　　式中δ是桶体的壁厚，D是桶体中径，P是内压力。

　　由上式可得出几点重要的结论：

　　1） 长圆桶形内胆比短粗型内胆承受能力要好（直径尽量小）。

　　2） 纵焊缝的受力状态比环焊缝恶劣。这也是内胆纵焊缝处比环焊缝处容易出现裂纹、搪瓷破坏、漏水的主要原因。

　　3） 由于环向的应力大，中桶上的孔尽量开成椭圆口，且长度方向与轴向一致。

　　3. 内胆封头的应力分析

　　热水器的内胆封头是一个碟形封头，该封头是带折边的球面封头,由半径为330mm的球面体,半径为20mm的过渡环壳和短圆筒等三部分组成，其应力的近似式可表示为：

　　环向应力：

　　轴向应力：

　　式中δ是桶体的壁厚，D是桶体中径，P是内压力

　　由上式可得出以下重要结论：

　　当半球形封头和圆柱形中桶用材一致时，内胆的封头厚度可以剪薄至中桶厚度的一半。

　　实践中，内胆封头和中桶一般选用相同的厚度、甚至封头加厚。主要是考虑封头上一般多开孔的原因。当然，根据上述理论，不开孔一侧的封头采用较薄的板料是可以考虑的，这也是节约钢材的一种方法。

　　4. 内胆强度的校核理论

　　内胆中桶是由塑性材料（低碳钢）制成的，板料一般比较薄。对于这种薄壳容器设计采用第一强度理论，即最大主应力准则，可得当量应力：

　　若应用第三强度理论，即最大剪应力强度理论，可得当量应力：

　　考虑到温度效应，取，再考虑焊缝或孔带的减弱系数?及壁厚附加量C后，可得到内胆桶体计算壁厚公式：，  式中，D为桶体的内泾。

　　此公式是我国锅炉压力容器规范对于圆筒设计所采用的公式。它应用了最大剪应力强度理论。实验结果表明，按最大剪应力强度理论所得的常温爆破压力及蠕变温度以上的持久爆破压力，都较为接近实验爆破压力平均值。

　　上式是对几何形状精确的圆筒，只承受内压，圆筒壁厚与直径之比很小，且不是在边界范围内导出的公式。实际情况与这些理论条件是有区别的。例如：圆筒形状不完全精确，引起附加弯曲应力；圆筒边界变形不协调，引起边界应力，操作运行时，圆筒内、外壁具有温差，引起温差应力；圆筒厚度与直径相比有一定比值，使应力沿壁厚分布不均等。由于这些因素的存在，圆筒内的应力分布将发生变化，最大应力有所增加。

　　通过以上方面的分析，认识到目前电热水器内胆方面的不足，那么采取相应的措施将对提高热水器使用寿命有重要意义。

　　参考文献

　　[1] 李景辰 等编《压力容器基础知识》 北京:劳动人事出版社,1986

　　[2] 李之光、王铣庆编著《锅炉受压元件强度分析与设计》北京:机械工业出版社,1985

　　[3] 郑传祥、文棋《低碳钢压力容器爆破试验及爆破压力公式研究》压力容器.2002,9

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