高壓容器頂蓋封頭厚度修正的研究

趙 棟，劉長海，孫雅麗

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)(2.中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇 南京 210048)

壓力容器是日常生活和企業(yè)生產(chǎn)中常用的設備，也是石油、化工行業(yè)中非常重要的特種設備。承載壓力高、設備容積大、可儲存危險介質(zhì)等是壓力容器的主要特點[1]。其頂蓋封頭的設計是高壓容器設計的關(guān)鍵[2]。常規(guī)設計中，為了保證裝置的安全可靠，設計人員在參數(shù)計算時通常會取保守值，這樣便會增加不必要的耗材和成本，使經(jīng)濟效益大幅下降。如今，工業(yè)設備朝著大型化方向發(fā)展，設備體積越大，制造就越困難、復雜，過程中出現(xiàn)的問題也就越多。如果裝置設計不合理，便會使得制造成本增加[3]。隨著設計壓力和容器直徑的增大，依據(jù)標準對頂蓋封頭厚度進行計算難免會出現(xiàn)設計不合理的問題。因此，開展高壓容器頂蓋封頭厚度修正的研究，對化工行業(yè)以及壓力容器大型化發(fā)展具有重要意義。

1 GB150中頂蓋封頭的設計計算與強度分析

在進行高壓容器頂蓋封頭設計時，一般根據(jù)標準以及設計人員的經(jīng)驗進行計算設計，頂蓋封頭的厚度取值往往較大。實際工程上經(jīng)常將其簡化成小撓度薄板進行分析[4]，為了驗證其修正計算后厚度的可靠性，會將計算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比論證。小撓度薄板是指在僅有垂直于板面的載荷作用時，彎曲方向上的撓度w比板厚小的薄板。工程上對小撓度薄板有如下假設[5]：1)在板厚度方向上平分板的面為中性面，薄板在受到垂直于中性面的載荷作用后，只有彎曲變形，無伸長；2)變形前垂直于板中性面的直線板變形后仍為直線，且垂直于變形后的中性面，不會出現(xiàn)伸縮；3)薄板的材料是均勻的，忽略由于彎曲變形引起的中性面伸長、縮短及剪切變形。

根據(jù)圓平板理論，可以得到受內(nèi)壓圓平板中的最大應力σmax為：

(1)

式中：K為圓平板的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，反映圓平板邊緣的連接情況對平板最大應力的影響；pc為計算壓力；DC為圓平板密封面的平均直徑；δp為圓平板計算厚度。

壓力容器頂蓋封頭與部件的連接方式眾多，連接方式不同，頂蓋封頭的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K也不一樣。法蘭螺栓連接是主要的連接方式。影響頂蓋封頭厚度的因素有設計溫度t下的材料許用應力[σ]t與頂焊接接頭系數(shù)φ，GB150中頂蓋封頭厚度的計算公式[6]為：

(2)

頂蓋封頭的強度校核可以通過計算其截面的當量應力完成，頂蓋封頭截面如圖1所示，被截面y-y所切分的半圓頂蓋封頭上分別受到介質(zhì)壓力和墊片反力的影響。截面a-a處是頂蓋封頭的薄弱位置，在進行校核時需考慮a-a截面的當量應力。

圖1 頂蓋封頭截面示意圖

2 頂蓋封頭厚度修正設計

高壓容器頂蓋封頭的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)均是按標準計算得到的，但在實際工程中往往會出現(xiàn)按照標準要求設計的主螺栓中心圓直徑和頂蓋封頭厚度不滿足現(xiàn)場安裝要求的現(xiàn)象，因此必須對頂蓋封頭的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行適當調(diào)整。本文以GB150中頂蓋封頭厚度的理論計算結(jié)果為基礎，對頂蓋封頭厚度的修正進行了研究分析。

通過分析周邊固支與周邊簡支確定圓平板厚度，改變頂蓋封頭結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K的計算方法，保證了頂蓋封頭的實際周邊約束。但是在頂蓋封頭厚度計算公式中，并未考慮到由于開孔對圓平板的削弱作用。實際工程應用中，高壓容器所需的螺栓承載力越大，相應地需要的螺栓數(shù)量也會越多，螺紋直徑也會越大，但這兩者都會使螺栓孔的間距減小，對法蘭強度的削弱作用就會增強，因此在高壓容器頂蓋封頭厚度計算過程中，需要考慮螺栓孔對頂蓋封頭強度的削弱作用。本文將對影響頂蓋封頭強度的因素進行研究探討，分析實際工況中螺栓孔對頂蓋封頭的削弱效果。

2.1 螺栓孔削弱作用分析

圖2 頂蓋封頭等效模型

圓平板面積S0：

(3)

螺栓孔開孔面積S螺栓：

(4)

圓平板開孔后面積S實際：

(5)

頂蓋封頭螺栓孔削弱系數(shù)：

(6)

(7)

2.2 實際頂蓋封頭厚度計算

(8)

式中：A為雙錐環(huán)高度。

在設計壓力為32 MPa、容器直徑為600～3 200 mm的條件下，將修正公式與標準公式計算得到的頂蓋封頭厚度進行對比，結(jié)果如圖3所示。從圖中可知，容器直徑小于1 500 mm時，修正公式與標準公式的計算結(jié)果基本吻合，這是由于容器直徑較小時，螺栓孔對頂蓋封頭強度的削弱作用較小，因此當容器直徑較小時可以直接采用GB150中計算公式計算；直徑大于1 500 mm時，修正后的頂蓋封頭厚度要大于標準公式計算的值，這是由于容器直徑增大后，所需的螺栓載荷增加，選用的螺栓直徑更大，螺栓孔對頂蓋強度的削弱作用就會增強，因此修正后的頂蓋封頭厚度相比標準公式計算的頂蓋封頭厚度更加符合工程要求，修正后的頂蓋封頭a-a截面當量應力滿足強度要求。

圖3 修正前后頂蓋封頭厚度

3 設計實例

某工廠現(xiàn)有氨合成塔[9]，其設計參數(shù)、部件材料屬性以及雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見表1～3。氨合成塔的部分結(jié)構(gòu)示意圖如4所示，其中雙錐密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

表1 氨合成塔設計參數(shù)

表2 部件材料屬性

表3 雙錐環(huán)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 氨合成塔結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 氨合成塔頂蓋封頭厚度計算

根據(jù)頂蓋封頭厚度的修正計算公式(8)計算氨合成塔頂蓋封頭厚度。

頂蓋封頭法蘭螺栓孔削弱系數(shù)：

(9)

雙錐環(huán)的密封面平均直徑：

(10)

LG=[dB-(DC-D1)/2-D1]/2=[2 750-(2 405-2 332)/2-2 332]/2=190.75 (mm)

(11)

頂蓋封頭系數(shù)：

(12)

式中：A為雙錐環(huán)高度，mm；B為雙錐環(huán)厚度，mm；α為雙錐環(huán)密封面錐角。

頂蓋封頭厚度為：

(13)

實際頂蓋封頭的厚度：

(14)

3.2 修正前、后計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比

將實際工廠氨合成塔與標準計算及修正后的頂蓋封頭厚度進行對比，見表4。主螺栓規(guī)格為M140×4。

表4 氨合成塔結(jié)構(gòu)尺寸

由表4可知，修正后的頂蓋封頭厚度與實際數(shù)據(jù)僅有2%的誤差，而由GB150中計算公式所得出的頂蓋封頭厚度與實際數(shù)據(jù)有較大出入，說明修正計算方法有一定的實際意義，驗證了修正公式的可靠性。

4 結(jié)束語

本文基于彈性小撓度平板理論，研究了高壓容器頂蓋封頭厚度的計算公式，以及主螺栓孔中心圓直徑對頂蓋封頭強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)實際數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果存在較大誤差的主要原因是：用標準的計算公式進行頂蓋封頭厚度計算時未考慮主螺栓孔對頂蓋封頭強度的削弱作用。由此本文將主螺栓孔削弱系數(shù)引入頂蓋封頭厚度計算公式中，對標準計算方法進行補充修正，并且利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證修正后計算公式的正確性。結(jié)果表明，經(jīng)修正公式計算后的頂蓋封頭厚度更符合現(xiàn)場實際情況，頂蓋封頭厚度修正公式對大型高壓容器的設計有一定的參考價值。