U型夾套容器封口錐的設(shè)計(jì)

劉 旭

（四川瀘天化弘旭工程建設(shè)有限公司，四川 瀘州 646300）

0 引 言

U型夾套容器是整體夾套容器之一種（如圖1所示），內(nèi)容器的圓筒部分和下封頭都包有夾套，形成U型結(jié)構(gòu)。相對(duì)于各類整體夾套容器而言，U型夾套容器結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛。我國現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中對(duì)U型夾套容器與內(nèi)容器的封閉部位只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，而沒有具體的強(qiáng)度計(jì)算說明，因此在U型夾套容器設(shè)計(jì)工作中，夾套與內(nèi)容器的封閉部位（封口錐或封口環(huán)）常常被工程技術(shù)人員忽視，為簡化設(shè)計(jì)，大多取與夾套筒體相同的壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)及制造，但事實(shí)上這樣做是不合理的。由于夾套封閉件與夾套筒體是2種結(jié)構(gòu)不同的元件，2種結(jié)構(gòu)所引起的應(yīng)力值是不一樣的，因此封閉件應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以下筆者以U型夾套封口錐為例對(duì)夾套封閉件的設(shè)計(jì)作一簡介。

1 封口錐的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 封口錐的材料選擇

封口錐的材料一般選用與夾套筒體相同的材料；當(dāng)夾套與內(nèi)容器材料不同或容器需進(jìn)行熱處理時(shí)，封口錐的材料應(yīng)選用與內(nèi)容器相同的材料。

圖1 U型夾套容器示意圖

1.2 封口錐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

封口錐的結(jié)構(gòu)可分為帶圓弧過渡和不帶圓弧過渡2種，如圖2所示（圖中：Rs為內(nèi)容器筒體外直徑，mm；Rj為夾套筒體內(nèi)直徑，mm；其余符號(hào)之意義見下文表1）；封口錐可以做成與夾套筒體為整體結(jié)構(gòu)或采用全焊透的結(jié)構(gòu)（可使用墊板）。

圖2 封口錐結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 帶圓弧過渡的封口錐

帶圓弧過渡的封口錐如圖2（a）所示，因其結(jié)構(gòu)具有良好的加工工藝性和較高的承載能力，故設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用。

帶圓弧過渡的封口錐與夾套筒體為整體結(jié)構(gòu)時(shí)，因制作成本較低，常用于單件生產(chǎn)的夾套容器；當(dāng)內(nèi)容器的公稱直徑≥2000mm，或夾套與內(nèi)容器材料不同，或容器有熱處理要求時(shí)，封口錐與夾套筒體常采用全焊透結(jié)構(gòu)。

1.2.2 不帶圓弧過渡的封口錐

不帶圓弧過渡的封口錐如圖2（b）所示，其制作簡單，但承載能力不強(qiáng)，主要用于設(shè)計(jì)條件要求不高的夾套容器。

2 封口錐的焊接接頭設(shè)計(jì)

2.1 帶圓弧過渡的封口錐焊接接頭設(shè)計(jì)

帶圓弧過渡的封口錐，其小端的角焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)；大端與夾套筒體的對(duì)接焊縫采用單面焊雙面成形的全焊透結(jié)構(gòu)，或帶墊板的單面焊全焊透結(jié)構(gòu)。單面焊雙面成形的全焊透結(jié)構(gòu)，焊縫需要返修時(shí)返修操作難度較大；帶墊板的單面焊全焊透結(jié)構(gòu)，焊縫質(zhì)量較高，易焊透易夾渣，焊縫需要返修時(shí)返修操作較容易，故設(shè)計(jì)中采用較多。

對(duì)于有熱處理要求的容器，應(yīng)將容器與帶圓弧過渡的封口錐焊接完畢后，整體容器進(jìn)行熱處理。

2.2 不帶圓弧過渡的封口錐焊接接頭設(shè)計(jì)

不帶圓弧過渡的封口錐，其小端的角焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)，大端與夾套筒體的對(duì)接焊縫采用單面焊雙面成形的全焊透結(jié)構(gòu)。

3 封口錐的幾何尺寸設(shè)計(jì)

3.1 封口錐大、小端內(nèi)直徑的確定

封口錐大端內(nèi)直徑與夾套筒體內(nèi)直徑相同；封口錐小端內(nèi)直徑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮內(nèi)容器筒體卷制時(shí)出現(xiàn)的不圓度，以及封口錐與內(nèi)容器筒體之間留有的裝配間隙，其小端內(nèi)直徑應(yīng)比內(nèi)容器外徑大2～3mm。

3.2 封口錐壁厚的確定

我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中對(duì)U型夾套容器封口錐只有結(jié)構(gòu)型式選擇的要求，沒有強(qiáng)度計(jì)算說明。原標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械攪拌設(shè)備》（HG／T20569—1994）對(duì)封口錐的強(qiáng)度計(jì)算移植了原蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)《夾套容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范》，但有關(guān)文獻(xiàn)介紹按上述方法設(shè)計(jì)所得的封口錐壁厚過于保守。新版《機(jī)械攪拌設(shè)備》（HG／T20569—2013）中，刪除了這部分內(nèi)容，僅在其附錄B.3.3第5條中要求封口錐的計(jì)算按《壓力容器》（GB／T150.3—2011）關(guān)于夾套封閉件結(jié)構(gòu)的規(guī)定執(zhí)行；而GB／T150.3—2011附錄D中，僅用圖示（見圖D.22）表示封口錐壁厚≥夾套壁厚即可，沒有給出封口錐壁厚的具體計(jì)算方法。

封口錐實(shí)際上可以看作是錐形封頭的一部分，因此可以應(yīng)用GB／T150.3—2011中帶折邊或不帶折邊的錐形封頭計(jì)算公式進(jìn)行封口錐的強(qiáng)度（壁厚）計(jì)算。

3.2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算中涉及到的參數(shù)符號(hào)（表1）

3.2.2 帶圓弧過渡的封口錐壁厚計(jì)算

（1）內(nèi)壓作用下封口錐的錐殼計(jì)算厚度

（2）內(nèi)壓作用下封口錐錐殼大端計(jì)算厚度

①過渡段厚度

②與過渡段相接處錐殼厚度

（3）內(nèi)壓作用下封口錐錐殼小端計(jì)算厚度封口錐錐殼小端與內(nèi)容器外壁相焊接，此時(shí)封口錐與內(nèi)容器圓筒連接處變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，不會(huì)影響錐殼的計(jì)算厚度，因此封口錐錐殼小端計(jì)算厚度可近似等于封口錐的錐殼計(jì)算厚度，按公式（1）計(jì)算即可。

（4）內(nèi)壓作用下帶圓弧過渡封口錐名義厚度

若δn≤δj［圖2（a）中所示夾套筒體的名義厚度］，則帶圓弧過渡的封口錐名義厚度為δj。

若δn＞δj［圖2（a）中所示夾套筒體的名義厚度］，則帶圓弧過渡的封口錐名義厚度為δn。

3.2.3 不帶圓弧過渡的封口錐壁厚計(jì)算

3.2.3.1 內(nèi)壓作用下封口錐錐殼大端計(jì)算厚度

首先按GB／T150.3—2011圖5－11確定錐殼大端是否需在連接處加強(qiáng)。

（1）無需加強(qiáng)時(shí)錐殼大端計(jì)算厚度按公式（1）計(jì)算得到δc。

（2）需加強(qiáng)時(shí)錐殼大端計(jì)算厚度

（3）需要加強(qiáng)時(shí)錐殼大端加強(qiáng)段的長度

若L≤j／sinθ［如圖2（b）所示］，則錐殼大端加強(qiáng)段的長度為j／sinθ。

若L＞j／sinθ［如圖2（b）所示］，則錐殼大端加強(qiáng)段的長度為L。

3.2.3.2 內(nèi)壓作用下封口錐錐殼小端計(jì)算厚度

封口錐錐殼小端與內(nèi)容器外壁相焊接，此時(shí)封口錐與內(nèi)容器圓筒連接處變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，不會(huì)影響錐殼的計(jì)算厚度，因此封口錐錐殼小端計(jì)算厚度可近似等于封口錐的錐殼計(jì)算厚度，按公式（1）計(jì)算即可。

3.2.3.3 內(nèi)壓作用下封口錐名義厚度

（1）錐殼大端連接處無需加強(qiáng)時(shí)的名義厚度

若δn≤δj［圖2（b）中所示夾套筒體的名義厚度］，則不帶圓弧過渡的封口錐名義厚度為δj。

若δn＞δj［圖2（b）中所示夾套筒體的名義厚度］，則不帶圓弧過渡的封口錐名義厚度為δn。

（2）錐殼大端連接處需加強(qiáng)時(shí)的名義厚度

若δn＞δj，則夾套筒體與封口錐大端連接的端部應(yīng)該增設(shè)一段名義厚度為δn、長度為（2DiLδr）0.5的加強(qiáng)段，且不帶圓弧過渡的封口錐名義厚度為δn。

若δn=δj，則夾套筒體與封口錐大端連接的端部無需增設(shè)加強(qiáng)段，不帶圓弧過渡的封口錐名義厚度為δn。

如果δn＜δj，則夾套筒體與封口錐大端連接的端部無需增設(shè)加強(qiáng)段，不帶圓弧過渡的封口錐名義厚度為δj。

4 結(jié)束語

綜上所述，在U型夾套容器封口錐設(shè)計(jì)時(shí)，只有仔細(xì)分析夾套容器的特點(diǎn)及要求，合理選用封口錐的結(jié)構(gòu)，才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行的封口錐。不少工程技術(shù)人員采用夾套筒體相同壁厚進(jìn)行封口錐設(shè)計(jì)是不安全的，封口錐設(shè)計(jì)必須進(jìn)行強(qiáng)度（壁厚）計(jì)算。