壓力容器封頭型式及強(qiáng)度校核

付紅栓，沈俊，李趙，金立璽

壓力容器封頭型式及強(qiáng)度校核

付紅栓，沈俊，李趙，金立璽

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

壓力容器的封頭形式有多種，其中橢圓形封頭廣泛的應(yīng)用于重要的石油化工設(shè)備中，因其受力均衡且易于制造加工等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)出橢圓形封頭的計(jì)算厚度公式并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，利用三維分析軟件對(duì)封頭的靜力學(xué)和疲勞載荷進(jìn)行了分析，其結(jié)論是封頭的受力最大應(yīng)力在熱沖壓成形與直邊連接的半徑部位，最大位移在封頭頂部。

橢圓形封頭；強(qiáng)度校核；靜力學(xué)；疲勞載荷

壓力容器是石油化工行業(yè)的重要設(shè)備，在各行各業(yè)中已得到廣泛的使用，在日常生活中占的比重越來(lái)越重。在石油煉化、農(nóng)資醫(yī)藥、冶金等行業(yè)中，壓力容器所占到的比重約為總量的三分之一。壓力容器屬于承壓類設(shè)備，承受的壓力從零點(diǎn)幾兆帕到幾十兆帕甚至幾百兆帕的超高壓，盡管我國(guó)的制造行業(yè)水平有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是安全運(yùn)行過(guò)程中受到諸多因素的影響，一旦發(fā)生泄漏或者爆炸將引發(fā)的嚴(yán)重后果，因此壓力容器的安全性越來(lái)越受到重視[1-2]。其主要受壓元件有筒節(jié)、球殼板、封頭、平蓋、膨脹節(jié)、設(shè)備法蘭、換熱器的管板和換熱管、螺柱M36以上的以及公稱直徑大于或者等于 250 mm的接管和管法蘭，本文就壓力容器橢圓形封頭進(jìn)行研究分析。

1 封頭型式

一般簡(jiǎn)單的壓力容器由筒體和封頭焊接而成。封頭型式多種多樣，常見的主要有受了內(nèi)壓或外壓的凸形封頭、平蓋封頭、錐形封頭等。其中凸形封頭包括橢圓形封頭、蝶形封頭、球冠形封頭、半球形封頭[2]。

2 橢圓形封頭的強(qiáng)度校核

在常溫常壓及靜載荷作用下，壓力容器強(qiáng)度失效的主要形式是屈服和斷裂，對(duì)于韌性材料，在單向拉伸應(yīng)力作用下，屈服失效的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：R—材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

對(duì)于承受內(nèi)壓的薄壁圓筒殼，軸向和周向薄膜應(yīng)力為：

軸向

周向

式中：—圓筒計(jì)算厚度，mm；

—圓筒中面直徑，mm；

—圓筒內(nèi)壓，MPa。

脫胎于公共行政的中國(guó)公共管理學(xué)科，是一個(gè)集政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、人口學(xué)、法學(xué)、社會(huì)學(xué)等研究視角與方法于一身并不斷向更多元學(xué)科融合的方向發(fā)展的新興學(xué)科，其學(xué)科特性決定了在本科生的培養(yǎng)過(guò)程中，必須搭建一個(gè)寬泛的學(xué)科基礎(chǔ)平臺(tái)，并著眼于分析、研究與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。從全國(guó)設(shè)有公共管理類專業(yè)的院校的本科生招生情況來(lái)看，主要是按大類招生和分專業(yè)招生兩種，不論是前者和后者，最后都會(huì)落腳到具體的專業(yè)方向選擇，只是時(shí)間的早晚而已，因而在人才培養(yǎng)的路徑選擇上，兩種招生方式基本上是如出一轍，這就決定了無(wú)論采取何種招生方式，導(dǎo)師制都能體現(xiàn)其對(duì)公共管理學(xué)科發(fā)展的適應(yīng)性和推動(dòng)性。

取等號(hào)得為：

圓筒厚度計(jì)算式為：

或：

式中：—焊接接頭系數(shù)；

0—圓筒外徑，mm。

橢圓形封頭計(jì)算厚度按式（9）或式（10）計(jì)算得：

或：

式中：—橢圓形封頭形狀系數(shù)，K=1為標(biāo)準(zhǔn)橢圓。

3 封頭的成型厚度及強(qiáng)度校核

壓力容器封頭作為壓力容器主要承壓零部件，其作用舉足輕重，而封頭的用材及其厚度計(jì)算方法都將影響整套設(shè)備。隨著化工設(shè)備的高速發(fā)展，許多作業(yè)工況要求得也比較苛刻，例如超高溫、強(qiáng)腐蝕、臨氫環(huán)境等，因而有色金屬及合金材料應(yīng)運(yùn)而生。

常規(guī)從GB150可以得出，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的厚度為計(jì)算厚度，計(jì)算厚度加上腐蝕裕量等于設(shè)計(jì)厚度，設(shè)計(jì)厚度加上材料厚度負(fù)偏差后圓整至材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度是名義厚度，受壓元件成型后保證設(shè)計(jì)要求的最小厚度為最小成型厚度。而確定壓力容器封頭最小厚度一般的方法是等于設(shè)計(jì)厚度[3-5]。

3.1 影響封頭的成型厚度的因素

3.1.1 材料剛度

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。壓力容器封頭在承受內(nèi)或外壓力的同時(shí)本身必須具備一定的剛度，以免發(fā)生變形甚至破壞。因此，殼體成型后的實(shí)際最小厚度應(yīng)當(dāng)滿足制造、運(yùn)輸、安裝、使用等要求[6]。

3.1.2 工作壓力

工作壓力是影響壓力容器的最主要的因素，工作壓力分為內(nèi)壓和外壓，封頭是主要的受壓元件之一，根據(jù)公式（11）或公式（12）可以得到封頭的計(jì)算厚度，由計(jì)算厚度、腐蝕裕量可以推出設(shè)計(jì)厚度，從而得知的封頭的最小成型厚度[7-9]。

3.1.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)

壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)方式有多種，常用的補(bǔ)強(qiáng)方式主要有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)法和整體補(bǔ)強(qiáng)法。

3.1.4 坯料

在成形過(guò)程中，坯料邊緣部位會(huì)明顯的變厚，使坯料嚴(yán)重拉薄，模具之間的間隙對(duì)封頭壁厚的影響還是比較大的[10]。

3.2 根據(jù)具體事例進(jìn)行校核

壓力容器封頭設(shè)計(jì)舉例：根據(jù)某化工廠液氮儲(chǔ)罐，工藝參數(shù)為工作溫度120 ℃，設(shè)計(jì)溫度150 ℃；公稱工作壓力1.8 MPa，設(shè)計(jì)壓力2 MPa；公稱容積10 000 L；公稱直徑1 500 mm；封頭材質(zhì)為Q345R，焊縫焊接型式采用全焊透，局部無(wú)損檢測(cè)，腐蝕余量為2 mm，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。

查表GB150得：焊接接頭系數(shù)為0.85；Q345R在工作溫度150 ℃時(shí)，許用應(yīng)力為189 MPa；標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭系數(shù)=1。由公式（11）得，封頭計(jì)算厚度h= 9.40 mm，故計(jì)算厚度h= 11.40 mm。

在SolidWorks環(huán)境中對(duì)封頭進(jìn)行靜應(yīng)力學(xué)仿真分析，分析結(jié)果如圖1至圖4所示。

圖1 應(yīng)力圖

圖2 位移圖

圖4 載荷因子

由圖1可知，封頭的最大應(yīng)力在熱沖壓成型與直邊連接的半徑部位，其值為20.3 MPa；由圖2可知，最大位移在封頭頂部，其值為1.2 mm；由圖3可知，損壞百分比為10%。

4 結(jié) 論

本文對(duì)壓力容器封頭進(jìn)行了強(qiáng)度校核并利用SolidWorks軟件對(duì)封頭進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果是封頭的受力最大應(yīng)力在熱沖壓成型與直邊連接的半徑部位，最大位移在封頭頂部。

[1] 魯雨，賀小華.內(nèi)壓標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭彈塑性屈曲分析及失效載荷研究[J].壓力容器，2019，36（11）：25-33.

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Pressure Vessel Head Type and Strength Check

(Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Research Institute, Shanghai 200062,China)

There are many forms of pressure vessel head, the elliptical head is widely used in important petrochemical equipments because of its advantages of force balance and easy to manufacture and processing. In this paper, the thickness formula of elliptical head was deduced according to the standard,and the strength was checked.The statics and fatigue load of the head were analyzed by using three dimensional analysis software. The results showed that the maximum stress of the head was in the radius of the hot stamping forming and the straight edge, the maximum displacement was at the top of the head.

Ellipsoidal head; Strength check; Statics; Fatigue loading

2021-08-24

付紅栓（1985-），男，河南省濮陽(yáng)市人，工程師，碩士， 2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：壓力容器、壓力管道定期檢驗(yàn)。

TQ050.1

A

1004-0935（2022）03-0361-03