封頭厚度的施工圖標(biāo)注與計算書輸入

陳 罡 楊 亮 張 光

(1.中國石油遼陽石油化纖公司機(jī)械檢修部 遼陽 111003)

(2.中國石油遼陽石化公司油化廠 遼陽 111003)

封頭厚度的施工圖標(biāo)注與計算書輸入

陳 罡1楊 亮2張 光1

(1.中國石油遼陽石油化纖公司機(jī)械檢修部 遼陽 111003)

(2.中國石油遼陽石化公司油化廠 遼陽 111003)

封頭是壓力容器的主要受壓元件，其厚度決定壓力容器的本質(zhì)安全。通過對封頭的最小成形厚度、有效厚度及名義厚度的解讀，進(jìn)一步探討了封頭厚度的施工圖標(biāo)注與SW6程序輸入。認(rèn)為封頭名義厚度考慮“成形減薄量”時，應(yīng)符合封頭的制造實際；最小成形厚度取δ＋C2值為合理；SW6計算若采用“封頭名義厚度”輸入δmin＋C1值時，應(yīng)注意保證得到正確的許用應(yīng)力值。

封頭 最小成形厚度 有效厚度 名義厚度

厚度是保證壓力容器本質(zhì)安全的主要結(jié)構(gòu)尺寸,是在規(guī)定的載荷條件下,保證容器使用壽命內(nèi)具有安全強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐腐蝕性的基本要素,不論是規(guī)則設(shè)計還是分析設(shè)計,最終結(jié)果都落在容器的厚度要求上,尤其是規(guī)則設(shè)計中對容器封頭厚度的圖樣標(biāo)注與SW6程序計算輸入,曾引起設(shè)計換證審查及同行的關(guān)注[1,2]。到目前為止,已達(dá)成共識的是施工圖標(biāo)注封頭的兩種厚度,即“名義厚度與最小成形厚度”。但由于受封頭的“成形減薄量”制約,給設(shè)計的圖樣標(biāo)注與計算輸入帶來難度,而如何合理進(jìn)行封頭厚度的圖樣標(biāo)注與計算輸入,不僅關(guān)系設(shè)計的可靠性,而且更關(guān)系制造的可行性與容器的本質(zhì)安全。為此,有必要再做討論。

1 封頭厚度的解讀

GB 150.1-3[3]給出了最小成形厚度、有效厚度及名義厚度等定義。相關(guān)符號如下:

δmin——最小成形厚度,mm;

δe——有效厚度,mm;

δn——名義厚度,mm;

δ ——計算厚度,mm;

C1——材料厚度負(fù)偏差,mm;

C2——腐蝕裕量,mm;

C3——成形減薄量,mm。

1.1 最小成形厚度

用δmin表示:受壓元件成形后保證設(shè)計要求的最小厚度。可以理解為容器使用壽命內(nèi)保證受壓元件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐腐蝕性的最小厚度。

1)設(shè)計要求的最小厚度δmin,指封頭的計算厚度δ與腐蝕裕量C2之和即為設(shè)計厚度:δmin=δ＋C2。對于開孔接管區(qū)尚需考慮所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度;對于外壓容器、立式或臥式容器等需要經(jīng)應(yīng)力校核確定的厚度,則指“滿應(yīng)力狀態(tài)”(計算應(yīng)力等于許用應(yīng)力)的有效厚度與腐蝕裕量之和,此時的有效厚度等于計算厚度即δe=δ。

2)制造保證的最小厚度δmin,在給定名義厚度下,封頭成形后所能達(dá)到的最小厚度,取決于“成形減薄量”。

1.2 有效厚度

用δe表示:名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板厚度負(fù)偏差C1,對于封頭尚應(yīng)減去“成形減薄量”C3,即δe=δn－C1－C2－C3。有效厚度決定容器元件的最大承載能力,是確定容器最高允許工作壓力的重要參數(shù)。

1)若設(shè)計計算時,校核容器的強(qiáng)度或穩(wěn)定性設(shè)定的有效厚度在“滿應(yīng)力狀態(tài)”下即是計算厚度。

2)若從有效厚度定義看,由于“考慮加工裕量并向上圓整至材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格”后確定的名義厚度存在“剩余”,此時得到的有效厚度大于“滿應(yīng)力狀態(tài)”下的計算厚度。

1.3 名義厚度

用δn表示:設(shè)計厚度加上材料厚度負(fù)偏差后向上圓整至材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。對于設(shè)計考慮加工裕量(“成形減薄量”)確定的名義厚度即是制造時實際用的鋼材厚度,此厚度不僅決定鋼板的許用應(yīng)力,而且更決定容器的制造技術(shù)條件。所以GB 150要求容器施工圖標(biāo)注名義厚度,提示制造單位不能擅自增加名義厚度。

2 封頭厚度的圖樣標(biāo)注

GB 150[3]要求設(shè)計圖樣注明受壓元件的最小成形厚度,并規(guī)定“制造單位應(yīng)根據(jù)制造工藝確定加工裕量,以確保受壓元件成形后的實際厚度不小于設(shè)計圖樣標(biāo)注的最小成形厚度”。那么,施工圖如何標(biāo)注“名義厚度與最小成形厚度即δn與δmin”?

2.1 δmin＝δ＋C2時的封頭厚度標(biāo)注

從設(shè)計角度標(biāo)注的設(shè)計要求封頭最小厚度δmin=δ＋C2為合理,但此時的δ應(yīng)是包括開孔接管區(qū)所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度在內(nèi)滿足所有載荷下強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求的計算厚度,對于外壓容器或立式或臥式容器等需要經(jīng)應(yīng)力校核確定的計算厚度,則指“滿應(yīng)力狀態(tài)”的有效厚度。

還需要注意的是,此時名義厚度的標(biāo)注同樣需要在δmin基礎(chǔ)上,考慮加工裕量和鋼板厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。而加工裕量(“成形減薄量”)由于受封頭的成形技術(shù)、材料性能等因素制約,各封頭制造廠有所不同,目前封頭標(biāo)準(zhǔn)[4]僅給出了資料性附錄J封頭成形厚度減薄率(移植JIS B8247)。所以,設(shè)計人員在標(biāo)注封頭名義厚度時需要合理確定封頭的“成形減薄量”,并事先征得封頭預(yù)訂廠家的確認(rèn),以免出現(xiàn)名義厚度過厚的材料浪費(fèi)或名義厚度滿足不了加工裕量要求而需要更改設(shè)計及技術(shù)要求。

2.2 δmin＝δn-C1-C3時的封頭厚度標(biāo)注

從制造角度標(biāo)注的制造保證封頭最小厚度δmin=δn－C1－C3也有道理[1]。因為,δn－C1－C3≥δ＋C2,并且在諸如開孔補(bǔ)強(qiáng)計算、封頭內(nèi)壓或外壓穩(wěn)定性校核計算、吊耳或支座局部應(yīng)力及臥式容器的切向剪應(yīng)力等校核計算,直接用封頭的有效厚度δe=δn－C1－C2－C3進(jìn)行計算,避免出現(xiàn)δmin=δ＋C2中δ計算厚度考慮不全面而出現(xiàn)安全問題。在校核計算時,只要使封頭處于滿應(yīng)力狀態(tài):如考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)所用去的厚度;外壓穩(wěn)定性校核使計算外壓等于許用外壓;選用吊耳或支座時,應(yīng)使封頭的有效厚度等于滿足吊耳或支座局部應(yīng)力所需的最小厚度;臥式容器使封頭的切向剪應(yīng)力等于許用切向剪應(yīng)力等等,此時封頭的有效厚度δe為所謂的計算厚度δ,即δe=δ。由此封頭的最小成形厚度為δmin=δe＋C2=δn－C1－C3。

但是,大多施工圖標(biāo)注的封頭最小成形厚度δmin=δn－C1－C3時,其有效厚度δe都大于滿應(yīng)力狀態(tài)的計算厚度δ,并且圖樣中注明“封頭成形厚度減薄率按GB/T 25198附錄J”。由此帶來既與實際計算的偏離又可能不符合制造實際。

3 封頭厚度的計算輸入

壓力容器規(guī)則設(shè)計的計算通常采用SW6計算程序,而SW6程序中的“封頭數(shù)據(jù)輸入”與厚度有關(guān)的數(shù)據(jù)只有“封頭名義厚度”與“腐蝕裕量”。為了在程序計算中得到真正的“有效厚度”,現(xiàn)行兩種輸入方法。

3.1 腐蝕裕量的輸入

文獻(xiàn)[1]建議:在“封頭數(shù)據(jù)輸入”中,“封頭名義厚度”輸入封頭圖樣標(biāo)注的名義厚度,而將“成形減薄量”加到“腐蝕裕量”中,這樣在后續(xù)的計算中所得到的“有效厚度”才有實際意義。然后在計算書形成時注明:“腐蝕裕量包括成形減薄量”。但這樣做卻合理不合法,因為GB 150和SW6中沒有“成形減薄量”。

3.2 名義厚度的輸入

文獻(xiàn)[2]建議:為保證施工圖所標(biāo)注的最小成形厚度δmin通過SW6計算,在“封頭數(shù)據(jù)輸入”中,采取從“封頭名義厚度”輸入δmin＋C1值,而“腐蝕裕量”照常輸入。這樣可使SW6計算得到正確的有效厚度,以完成后續(xù)計算。但由于δmin＋C1＜δn,當(dāng)所用鋼板厚度“跨檔”時,會出現(xiàn)程序所取的許用應(yīng)力值高于實際所用鋼板許用應(yīng)力值,使計算結(jié)果“冒進(jìn)”影響封頭本質(zhì)安全。對于文獻(xiàn)[1]中的實例:封頭EHA1200x18(15.5)-Q245R GB/T 25198,就會出現(xiàn)程序許用應(yīng)力超高問題,因為,此時δmin＋C1=15.8mm,小于δn=18mm,程序所取的鋼板許用應(yīng)力按厚度3～16檔取值,而不是按厚度＞16～36檔取值。所以,當(dāng)所用鋼板厚度“跨檔”時,需要設(shè)計人員另外輸入鋼板的實際許用應(yīng)力。

4 結(jié)束語

壓力容器封頭的厚度在圖樣中應(yīng)標(biāo)注“名義厚度與最小成形厚度”,而在SW6計算輸入時應(yīng)保證得到正確的有效厚度與許用應(yīng)力。

1)名義厚度應(yīng)合理考慮“成形減薄量”,并經(jīng)封頭制造廠確認(rèn),以避免制造時不符合實際而更改設(shè)計及技術(shù)要求;

2)最小成形厚度取δ＋C2值為合理,但δ應(yīng)是包括開孔接管區(qū)所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度在內(nèi)滿足所有載荷下強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求的計算厚度;

3)SW6計算輸入時,若采用“封頭名義厚度”輸入δmin＋C1值,應(yīng)注意保證得到正確的許用應(yīng)力值。

[1] 李春光，關(guān)慶賀．封頭最小成形厚度的施工圖標(biāo)注與計算書輸入[J]．中國特種設(shè)備安全，2014，30(07)：39-41．

[2] 龔國榮．封頭成形減薄量與設(shè)計計算一致性的探討[J]． 機(jī)電信息，2011(26)：42-45．

[3] GB 150—2011 壓力容器器[S]．

[4] GB/T 25198—2010 壓力容器封頭[S]．

Construction Drawing Mark and Calculation Input of Pressure Vessel Head Thickness

Chen Gang1Yang Liang2Zhang Guang1
(1. Petrochina Liaoyang Petrochemical Fibre Company Machinery Maintenance Department Liaoyang 111003)
(2. Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Oil Chemical Plant Liaoyang 111003)

Head, whose thickness influences intrinsic safety of pressure vessels, are as main pressure components for pressure vessels. Through the interpretation of minimum required fabrication thickness, effective thickness and nominal thickness for heads, construction drawing labeling and SW6 program input of heads thickness have been discussed further. The conclusion is that, nominal thickness of heads should conform to manufacturing practice when forming thickness reduction has been considered, or it is rational that minimum required fabrication thickness is δ plus C2, or care must be taken to assure that correct allowable stress value should be got when δminplus C1is used as input for nominal thickness of heads in the SW6 calculation.

Heads Minimum required fabrication thickness Effective thickness Nominal thickness

X933.4

B

1673-257X(2017)11-0071-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.019

陳罡（1971～)，男，本科，高級工程師，從事壓力容器及管道建造工作。

張光，E-mail： zhangguang-ly@petrochina．com．cn。

2017-04-17）